大型LNG储罐用9Ni钢焊接工艺与机理研究

1、洛阳理工学院毕业设计（论文）蚆袀羀膀蝿肆芈腿蒈衿膄腿薁肄肀芈蚃袇羆芇螅蚀芅芆蒅袅芁芅蚇蚈膇芄螀羄肃芃葿螆罿芃薂羂芇节蚄螅膃莁螆羀聿莀蒆螃羅荿薈羈袁莈螀螁芀莇蒀肇膆莇薂袀肂莆蚅肅羈莅螇袈芇蒄蒇蚁膃蒃蕿袆聿蒂蚁虿羅蒁蒁袄羁蒁薃螇艿蒀蚆羃膅葿螈螆肁蒈蒈羁羇薇薀螄芆薆蚂罿膂薆螄螂肈薅薄羈肄膁蚆袀羀膀蝿肆芈腿蒈衿膄腿薁肄肀芈蚃袇羆芇螅蚀芅芆蒅袅芁芅蚇蚈膇芄螀羄肃芃葿螆罿芃薂羂芇节蚄螅膃莁螆羀聿莀蒆螃羅荿薈羈袁莈螀螁芀莇蒀肇膆莇薂袀肂莆蚅肅羈莅螇袈芇蒄蒇蚁膃蒃蕿袆聿蒂蚁虿羅蒁蒁袄羁蒁薃螇艿蒀蚆羃膅葿螈螆肁蒈蒈羁羇薇薀螄芆薆蚂罿膂薆螄螂肈薅薄羈肄膁蚆袀羀膀蝿肆芈腿蒈衿膄腿薁肄肀芈蚃袇羆芇螅蚀芅芆蒅袅芁芅蚇蚈

2、膇芄螀羄肃芃葿螆罿芃薂羂芇节蚄螅膃莁螆羀聿莀蒆螃羅荿薈羈袁莈螀螁芀莇蒀肇膆莇薂袀肂莆蚅肅羈莅螇袈芇蒄蒇蚁膃蒃蕿袆聿蒂蚁虿羅蒁蒁袄羁蒁薃螇艿蒀蚆羃膅葿螈螆肁蒈蒈羁羇薇薀螄芆薆蚂罿膂薆螄螂肈薅薄羈肄膁蚆袀羀膀蝿肆芈腿蒈衿膄腿薁肄肀芈蚃袇羆芇螅蚀芅芆蒅袅芁芅蚇蚈膇芄螀羄肃芃葿螆罿芃薂羂芇节蚄螅膃莁螆羀聿莀蒆螃羅荿薈羈袁莈螀螁芀莇蒀肇膆莇薂袀肂莆蚅肅羈莅螇袈芇蒄蒇蚁膃蒃蕿袆聿蒂蚁虿羅蒁蒁袄羁蒁薃螇艿蒀蚆羃膅葿螈螆肁蒈蒈羁羇薇薀螄芆薆蚂罿膂薆螄螂肈薅薄羈肄膁蚆袀羀膀蝿肆芈腿蒈衿膄腿薁肄肀芈蚃袇羆芇螅蚀芅芆蒅袅芁芅蚇蚈膇芄螀羄肃芃葿螆罿芃薂羂芇节蚄螅膃莁螆羀聿莀蒆螃羅荿薈羈袁莈螀螁芀莇蒀肇膆莇薂袀肂莆蚅肅

3、羈莅螇袈芇蒄蒇蚁膃蒃蕿袆聿蒂蚁虿羅蒁蒁袄羁蒁薃螇艿蒀蚆羃膅葿螈螆肁蒈蒈羁羇薇薀螄芆薆蚂罿膂薆螄螂肈薅薄羈肄膁蚆袀羀膀蝿肆芈腿蒈衿膄腿薁肄肀芈蚃袇羆芇螅蚀芅芆蒅袅芁芅蚇蚈膇芄螀羄肃芃葿螆罿芃薂羂芇节蚄螅膃莁螆羀聿莀蒆螃羅荿薈羈袁莈螀螁芀莇蒀肇膆莇薂袀肂莆蚅肅羈莅螇袈芇蒄蒇蚁膃蒃蕿袆聿蒂蚁虿羅蒁蒁袄羁蒁薃螇艿蒀蚆羃膅葿螈螆肁蒈蒈羁羇薇薀螄芆薆蚂罿膂薆螄螂肈薅薄羈肄膁蚆袀羀膀蝿肆芈腿蒈衿膄腿薁肄肀芈蚃袇羆芇螅蚀芅芆蒅袅芁芅蚇蚈膇芄螀羄肃芃葿螆罿芃薂羂芇节蚄螅膃莁螆羀聿莀蒆螃羅荿薈羈袁莈螀螁芀莇蒀肇膆莇薂袀肂莆蚅肅羈莅螇袈芇蒄蒇蚁膃蒃蕿袆聿蒂蚁虿羅蒁蒁袄羁蒁薃螇艿蒀蚆羃膅葿螈螆肁蒈蒈羁羇薇薀螄芆薆蚂罿

4、膂薆螄螂肈薅薄羈肄膁蚆袀羀膀蝿肆芈腿蒈衿膄腿薁肄肀芈蚃袇羆芇螅蚀芅芆蒅袅芁芅蚇蚈膇芄螀羄肃芃葿螆罿芃薂羂芇节蚄螅膃莁螆羀聿莀蒆螃羅荿薈羈袁莈螀螁芀莇蒀肇膆莇薂袀肂莆蚅肅羈莅螇袈芇蒄蒇蚁膃蒃蕿袆聿蒂蚁虿羅蒁蒁袄羁蒁薃螇艿蒀蚆羃膅葿螈螆肁蒈蒈羁羇薇薀螄芆薆蚂罿膂薆螄螂肈薅薄羈肄膁蚆袀羀膀蝿肆芈腿蒈衿膄腿薁肄肀芈蚃袇羆芇螅蚀芅芆蒅袅芁芅蚇蚈膇芄螀羄肃芃葿螆罿芃薂羂芇节蚄螅膃莁螆羀聿莀蒆螃羅荿薈羈袁莈螀螁芀莇蒀肇膆莇薂袀肂莆蚅肅羈莅螇袈芇蒄蒇蚁膃蒃蕿袆聿蒂蚁虿羅蒁蒁袄羁蒁薃螇艿蒀蚆羃膅葿螈螆肁蒈蒈羁羇薇薀螄芆薆蚂罿膂薆螄螂肈薅薄羈肄膁蚆袀羀膀蝿肆芈腿蒈衿膄腿薁肄肀芈蚃袇羆芇螅蚀芅芆蒅袅芁芅蚇蚈膇芄螀羄

5、肃芃葿螆罿芃薂羂芇节蚄螅膃莁螆羀聿莀蒆螃羅荿薈羈袁莈螀螁芀莇蒀肇膆莇薂袀肂莆蚅肅羈莅螇 大型lng储罐用9ni钢焊接工艺与机理研究摘 要本文针对大型液化天然气（lng）储罐对9ni钢的焊接需求，系统研究了9ni钢的焊条电弧焊（smaw）、钨极氩弧焊（gtaw）和埋弧焊（saw）的焊接工艺与机理。利用光学显微镜、扫描电镜及能谱分析、强度测试和硬度测试等方法，分别研究了9ni钢焊接接头的界面显微组织和力学性能。通过研究工艺参数对接头微观组织和力学性能的影响，优化了焊接工艺，阐明了接头不同特征区域的断口特性。通过对比分析三种焊接方法在大型lng储罐生产中的适用性，确定底板和壁板不同位置焊缝需要选择的

6、最佳焊接方法。通过对比分析三种焊接方法可知：大型lng储罐的现场焊接方法最好采用以上三种方法的组合，其中，底板的平位置焊缝最好采用焊条电弧焊或钨极氩弧焊方法；壁板的横位置焊缝最好采用埋弧焊方法；壁板的立位置焊缝最好采用焊条电弧焊或钨极氩弧焊方法的多层多道焊；而底板与壁板的接缝是平角缝，最好采用埋弧焊方法。关键词：9ni钢；焊接方法；界面结构；力学性能large lng tanks with steel welding and 9 ni mechanism researchabstractthis article in view of the large liquefied natural ga

7、s (lng) of 9 ni tanks of steel welding demand, the systematic study of the steel electrode 9 ni electric arc welding (smaw), tungsten extremely argon arc welding (gtaw) and submerged arc welding (saw) of the welding process and mechanism. use of optical microscopy, scanning electron microscope and e

8、nergy spectrum analysis, strength and hardness testing methods of test, are studied and ni steel welding joint microstructure of interface and mechanical properties. through the research process parameters on the joint microstructure and mechanical properties of the influence, the optimization of we

9、lding technology, and expounds the characteristics of different region joint fracture characteristics. through the comparison and analysis of the three welding method in large lng tanks the applicability of production, to determine the bottom and wall plate weld need to choose different positions of

10、 the best welding method. through the comparison and analysis of the three kinds of welding method it is to know that the large lng storage tank welding method had better use the combination of three kinds of methods, among them, the flat bottom position had better use the electric arc welding elect

11、rode or tungsten extremely argon arc welding methods; wall plate of horizontal position weld had better use submerged arc welding methods; wall plate made of weld had better use electrode position electric arc welding or tungsten argon arc welding method of multi-layer a multi-channel welding; and b

12、ottom and wall plate the seams of the flat is seam, had better use submerged arc welding method.key words: keywords:9ni steel,welding method,interfacal microstructure,mechanical properties1目录前言1第1章 绪 论21.1 课题背景21.2 9ni钢材料性能研究现状21.3 9ni钢焊接技术研究现状41.3.1 9ni钢焊接材料研究现状51.3.2 9ni钢焊接方法研究现状61.3.3 9ni钢焊接工艺研究现

13、状71.3.4 9ni钢焊接检测研究现状81.4本课题的研究内容9第2章 实验材料、设备及方法112.1 试验材料112.2 试验设备及过程112.3 微观组织分析及力学性能测试142.3.1微观分析142.3.2力学性能测试14第3章 9ni钢的smaw焊接接头组织与工艺研163.1 引言163.2 焊条优选分析163.3接头典型界面结构分析183.4工艺参数对界面结构的影响223.4.1焊接电流的影响223.4.2焊接速度的影响233.5接头力学性能分析233.5.1强度测试结果243.5.2断口分析结果263.6本章小结29第4章 9ni钢的gtaw焊接工艺及机理分析314.1 引言31

14、4.2 9ni钢的gtaw焊接工艺314.2.1 平焊位置时的gtaw焊接工艺314.2.2横焊位置时的gtaw焊接工艺324.2.3立向上焊时的gtaw焊接试验工艺334.3 gtaw接头组织分析344.3.1热影响区组织分析344.3.2熔合区组织分析364.3.3焊缝组织分析364.3.4焊接位置对接头组织影响394.4 gtaw接头力学性能424.4.1接头的低温韧性424.4.2接头的显微硬度分析434.4.3接头的屈服强度及抗拉强度分析444.4.4接头焊缝的断口分析444.4.5接头热影响区的断口分析474.5本章小结47第5章 9ni钢的saw焊接工艺及机理分析495.1 引言

15、495.1.1 9ni钢的saw工艺试验495.3 saw接头组织分析505.3.1热影响区组织分析503.2熔合区组织分析525.3.3焊缝组织分析525.4 saw接头力学性能535.4.1接头的低温韧性535.4.2接头显微硬度分析535.4.3接头屈服强度及抗拉强度分析555.4.4 saw接头断口分析555.5各类焊接方法在现场应用的技术可行性565.5.1焊接方法工作环境适应性评估565.5.2焊接位置对焊接方法的适应性分析575.6本章小结58结论60谢 辞62参考文献63附录65外文资料翻译66前言近年来，世界天然气产量和消费量呈持续增长趋势。产量以年20速度增长，市场对液化天

16、然气的需求每年以4%的速度递增，从今后我国经济和社会发展看，加快天然气的开发利用，对改善能源结构，保护生态环境，提高人民生活质量，具有十分重要的战略意义1。lng(liquefied natural gas)贸易是天然气国际贸易的一个重要方面。lng工业将是未来天然气工业重要组成部分，lng在我国的应用必将开始一个新的阶段2,3。lng工业链是非常庞大的，主要包括天然气液化、储存、运输、接收终端、气化站等4。大型lng储罐是lng接收站的核心设备，目前，世界上的lng储罐以10万m3以上为主，其设计标准和形式与以往的大型立式储油罐不同，因此安装技术差别很大。它采用的是外层全封闭混凝土，内层为9

17、ni低温钢、中间保冷层的复杂结构，制造标准要求高，其安装中的罐顶提升技术、现场焊接技术、内壁安装等关键技术掌握在世界上有实力的大公司手中，并处于保密状态，国内同行业刚刚起步，因此大型lng储罐9镍钢焊接技术研究已经成为国内焊接界的热门课题之一5,6。 本文针对9ni钢的焊接方法和工艺进行深入研究，为大型lng建造技术国产化和建造标准国产化奠定良好的技术基础，对实现大型lng储罐的国产化建造，节约国家资金具有重要的理论意义和实用价值。 第1章 绪 论1.1 课题背景近年来，世界天然气产量和消费量呈持续增长趋势。产量以年20速度增长，市场对液化天然气的需求每年以4%的速度递增，从今后我国经济和社会

18、发展看，加快天然气的开发利用，对改善能源结构，保护生态环境，提高人民生活质量，具有十分重要的战略意义。lng(liquefied natural gas)贸易是天然气国际贸易的一个重要方面。lng工业将是未来天然气工业重要组成部分，lng在我国的应用必将开始一个新的阶段。lng工业链是非常庞大的，主要包括天然气液化、储存、运输、接收终端、气化站等。大型lng储罐是lng接收站的核心设备，目前，世界上的lng储罐以10万m3以上为主，其设计标准和形式与以往的大型立式储油罐不同，因此安装技术差别很大。它采用的是外层全封闭混凝土，内层为9ni低温钢、中间保冷层的复杂结构，制造标准要求高，其安装中的罐

19、顶提升技术、现场焊接技术、内壁安装等关键技术掌握在世界上有实力的大公司手中，并处于保密状态，国内同行业刚刚起步，因此大型lng储罐9镍钢焊接技术研究已经成为国内焊接界的热门课题之一。 本文针对9ni钢的焊接方法和工艺进行深入研究，为大型lng建造技术国产化和建造标准国产化奠定良好的技术基础，对实现大型lng储罐的国产化建造，节约国家资金具有重要的理论意义和实用价值。1.2 9ni钢材料性能研究现状9ni钢是目前国内为缓解能源压力，建设液化天然气储罐所必须国产化的重要基础原材料，国内首台9ni钢制大型低温储罐于1995年12月由扬子石化公司引进，该项目由德国林德公司设计、供料，中国石化第二建设公

20、司负责施工。关于9ni钢的设计与性能研究是材料领域研究的热点问题，研究重点集中在9ni钢的成分设计、组织控制和低温韧化机制等方面。孟祥敏等人对9ni钢合金的显微结构进行了观察，通过透射电镜和高分辨电镜分析手段，发现9ni钢经过800奥氏体化后淬火并回火处理的显微组织与低碳钢中马氏体组织相仿，一个奥氏体晶粒内往往出现不止一个马氏体束，在对同一马氏体束内相邻马氏体片的取向关系进行观察时，发现经常出现有固定取向差的马氏体片存在。在不同热处理条件下的9ni钢合金样品中，两马氏体片的110m取向间普遍存在着5.3的对称小角度晶界。马氏体间的界面为半共格的规则界面，由台阶和位错组成。9ni钢中的渗碳体含量

21、很少，在晶界合和晶粒内部都可能析出，大多数渗碳体是颗粒状的，少数为棒状，多数渗碳体与马氏体之间满足bagaryaskii关系。9ni钢在-196超低温下仍然具体良好的强韧性匹配，为此其低温韧化机制是研究领域重点关注的问题之一。目前对于9ni钢的低温韧化机制一直存在争论，但绝大多数研究者认为逆转变奥氏体对低温韧性的提高起到了主要作用，逆转变奥氏体作为一种中间净化剂，有助于洁净柔软的马氏体生成，同时有助于马氏体中不生成连续网状组织。李锋等人利用透射电镜观察了9ni钢中逆转变奥氏体的分布及形态，如图1-1所示，并用x射线测定了逆转变奥氏体的含量，当温度低于540回火时，试样中没有逆转变奥氏体生成；在

22、540以上随回火温度的升高，试样中逆转变奥氏体数量增加；回火温度达到600时逆转变奥氏体量达到最大值。9ni钢中的逆转变奥氏体在低温下并非都稳定，只有在低温下稳定的逆转变奥氏体对低温韧性有贡献，低温稳定的逆转变奥氏体含量越多，9ni钢的低温韧性越好。图1-1 9ni钢微观组织照片钢材的热处理研究已经取得了很多突出的研究成果，目前，9ni钢的热处理方案大概有3种：正火+正火+回火(nnt);淬火+回火(qt)和淬火+亚温淬火+回火(iht)。9ni钢的第一次正火为900空冷，第二次正火为780左右空冷，回火是在550580空冷或水冷，保温时间根据板厚决定，大约2.4 min/mm，但必须保证保温

23、时间超过15 min。正火处理的目的是细化奥氏体晶粒。奥氏体晶粒越细小，9ni钢热处理后的强度越高，塑性越好，冲击韧性也越高。第一次正火温度应高于ac3或accm，目的是细化晶粒。第二次正火温度稍低，目的是为了使其发生相转变，获得板条状马氏体组织，回火是为了获得相和少量的富碳、镍奥氏体。经3种热处理工艺处理的9ni钢，服役状态下其显微组织基本相同，主要由回火马氏体和奥氏体组成(图1-2)。从图1-2可见，回火组织保持了马氏体的板条结构，板条间有奥氏体。回火过程中由于碳的损失，基本已经转变为铁素体。奥氏体是沿着回火马氏体片或沿着形成马氏体的原奥氏体晶粒边界分布，形态呈粒状或条状。通常认为，热处理

24、后大约10%奥氏体的存在对9ni钢的低温韧性是非常有益的。图1-2 9ni钢经nnt处理后的显微组织 虽然对9ni钢已经进行了多年的相关研究，但是仍然有个别问题没有形成完全清楚和统一的认识，尤其是对于低温韧化机制和焊接机理还有待于进一步深入研究，该领域研究工作为新型低温用钢的开发奠定了理论基础。1.3 9ni钢焊接技术研究现状焊接技术是9ni钢球罐制备的核心技术之一，9ni钢由于其材料本身性能的特殊性，在焊接方面也具有一些特殊的要求，9ni钢焊接过程中容易出现的问题主要包括热裂纹、电弧磁偏吹和冷裂纹三种，其中热裂纹缺陷比较突出，需要重点控制。9ni钢焊接热裂纹的产生主要是由于合金中s、p等元素

25、极易与ni形成低熔点共晶，造成晶间偏析，另外c和si也容易促使s、p等偏析，从而导致热裂纹的出现，热裂纹缺陷在采用高镍型焊条是最为严重。电弧磁偏吹主要是由于9ni钢具有高的导磁率和剩余磁感应强度，焊接过程中在碳弧气刨等大电流的作用下容易产生较大的剩磁，此时可以采用添加永久磁铁抵消坡口内磁场的方法。冷裂纹缺陷只是在采用低镍型焊条时，焊接工艺条件不当的条件下可能产生，在使用高镍型和中镍型焊条焊接9ni钢时一般不产生冷裂纹。目前国内外在9ni钢的焊接领域已经积累了一定的研究经验，关于9ni钢的焊接材料、焊接方法和焊接工艺的研究主要是基于其焊接问题而相应展开的。1.3.1 9ni钢焊接材料研究现状 基

26、于9ni钢焊接时容易出现的问题，选择焊接材料一般应考虑以下几方面因素：(1)低温韧性匹配，9ni钢主要用来建造低温设备，焊缝要在低温下工作，在选择焊接材料时，一定要考虑焊缝的低温韧性问题。(2)热膨胀系数匹配，9ni钢的线膨胀系数较大，在20196之间，线膨胀系数为80510-6-1。为了降低接头的焊接应力，在选择焊接材料时，焊缝金属的热膨胀系数应尽可能的接近9ni钢的热膨胀系数。(3)抑制电弧磁偏吹，尽量选用适应交流电源施焊的焊条或焊丝焊剂。具体来说，9ni钢焊接材料熔敷金属力学性能指标一般包括屈服强度、抗拉强度、伸长率和吸收冲击功，此外还要考虑焊接材料的低温韧性、焊缝金属熔化温度和热膨胀系

27、数。9ni钢在电弧焊中常用的焊接材料有4种，即w(ni)=11%的铁素体型、w(ni)=13%和w(cr)=16%的奥氏体不锈钢型、w(ni)60%的镍基型(ni-cr-mo系合金)和w(ni)40%的fe-ni基型(fe-ni-cr系合金)。这4中焊接材料在工程上都有应用，从韧塑性和热膨胀两方面考虑，ni基和fe-ni基合金都是焊接9ni钢最适合的焊材。虽然高镍合金焊材将增加成本，但使用高镍合金焊材时接头低温韧性高、抗冷裂纹性能好、线膨胀系数与9ni钢接近、不需要进行焊前预热和焊后热处理，因此高镍焊材是解决性能和结构完整性等首要问题的最适合的选择。目前，国内外焊接9ni钢的镍基焊条中，使用最

28、多的是enicrmo-6和enicrmo-3这2种焊条，但焊条enicrfe-4，enicrfe-9，enimo-8和enimo-9等也得到了一定的应用。上述6种焊条熔敷金属的化学成分见表1-1。表1-1 9ni钢常用焊条熔敷金属的化学成分（wt.%）enicrmo-3enicrmo-6enicrfe-4enicrfe-9enimo-8enimo-9c0.100.100.200.150.100.10mn 1.02.04.01.03.51.04.5 1.51.5fe 7.010.012.0102010.07.0p0.030.030.030.020.020.02s0.020.020.020.015

29、0.0150.015si0.751.01.00.750.750.75cu0.500.500.500.500.50 0.31.3ni55.055.060.055.060.062.0cr20.023.012.017.013.017.012.017.00.53.5nb(ta3.154.150.52.01.03.50.53.0mo 8.010.05.09.01.03.52.55.517.020.018.022.0w1.02.01.52.04.02.04.0其他0.500.500.500.500.500.50rm/mpa760620650650650650a()3035202525251.3.2 9ni

30、钢焊接方法研究现状钢材焊接是工业领域产品生产的核心技术，目前实际产品中应用较多的主要仍然是熔焊方法19-26，关于9ni钢的研究已经进行了大量的工作，但是论文报道并不多，现有报道主要是集中在低温和断裂性能方面的研究27-31。考虑到9ni钢的实际工作要求，实际生产中9ni钢在焊接方法选择上有焊条电弧焊32、埋弧焊33、熔化极气体保护焊34、钨极氩弧焊35。目前主要以焊条电弧焊为主，其次是埋弧焊与钨极氩弧焊。焊条电弧焊的焊接效率比较低，熔化极气体保护焊为保证质量一般采用脉冲电流来进行焊接。钨极氩弧焊能保证焊接接头具有较高的质量，生产率低，成本较高。埋弧焊是一种效率较高的焊接方法，特别是在环焊缝焊

31、接时，由于使用了环缝焊接机械系统，其优点更加突出，几乎适合于焊接所有横焊缝和水平位置焊缝。实际的生产实践过程中，smaw和saw是9ni钢储罐现场焊接效率最高和最常用的焊接方法。吴志祥等人36针对2万立方米lng低温储罐的建造问题，采用埋弧自动横焊方法实现了9ni钢的焊接，埋弧自动横焊设备包括焊接电源、自动送丝机、行走系统和焊剂循环系统组成。焊接电源选用了dc-600可控硅多用途直流弧焊电源和与之匹配的na-3n(s)控制箱，该电源除具有恒流和恒压特性外，还具有手工电弧焊和碳弧气刨所需要的陡降外特性，可实现一机多用。自动送丝机选用了power feed10sf自动送丝装置，可实现送丝速度、交流

32、输出频率、dc-ac切换、电流平衡调节和波形控制等功能。焊接行走机构可实现正反双向行走，行走变速可在02500mm/min范围内无级调节。1.3.3 9ni钢焊接工艺研究现状用9ni钢建造的设备要在-100低温，甚至-196的超低温下工作，故其焊接接头必须有良好的低温韧性，所以必须避免接头过热和晶粒长大。为达到此目的，从焊接工艺37,38考虑，必须采取如下措施：(1)焊前不预热且须严格控制层间温度。因为预热温度和层间温度直接影响焊后冷却速度，冷却速度越慢，越有助于晶粒长大，所以9ni钢焊前一般不预热，层间温度不宜超过100。(2)选择合适的线能量。因为焊接热循环的正确与否直接关系到接头组织、晶

33、粒大小和性能。焊接线能量应控制在45 kj/cm以下，通常为735kj/cm。(3)进行多层多道焊，避免单道焊。实验发现，即使小线能量(15 kj/cm)单道热循环的cghaz(粗晶热影响区)的低温(-196)冲击功也非常低，经过800或900二次热循环后，低温冲击功明显提高；三次热循环能进一步改善其低温韧性。所以，焊接9ni钢时应进行多层多道焊。(4)尽量选用交流极性的电流。由于9ni钢是一种强磁性材料，极易被磁化，采用直流电源时易出现磁偏吹现象，影响焊接工艺的稳定性，直接影响接头质量。（5）热裂纹控制。由于应力影响而产生的热裂纹主要为弧坑裂纹，焊接时应尽量减小弧坑。弧坑越小，则弧 坑裂纹越

34、不容易产生，同时要注意填满弧坑；并且在清根时应打磨成u形坡口，避免出现窄而深的v形坡口。（6）冷裂纹控制。9ni钢具有良好的抗冷裂纹能力，但在高氢的情况下，有一定的冷裂纹敏感性，特别是焊接第1层焊缝时，由于根部附近冷却快，拘束应力较大，如果焊接材料或环境潮湿，很可能出现冷裂纹，因此应严格控制氢的来源。1.3.4 9ni钢焊接检测研究现状lng储罐如有缺陷将造成非常严重的后果，为此9ni钢板在出厂前要进行检测，同时焊缝在施工时还要在现场进行无损检测，检测中不仅要检查出焊缝表面的各种可见缺陷，同时重点要检测整个焊缝及热影响区中可能的缺陷，如裂纹和未焊透等缺陷。9ni钢焊接储罐常用的检测方法主要包括

35、射线检测和超声检测两部分，其中射线检测属于比较传统的检测方法，射线检测技术比较成熟，但是射线检测对于平面性缺陷的识别较为困难，同时由于9ni钢焊缝和母材金属吸收x射线特性不一致，可能导致识别错误，为此现在研究的重点集中在超声检测方面。超声检测由于能够准确显示平面型缺陷、即时提供检测结果、不产生放射性等优势，在管线铺设工程中已很大程度上取代了放射性检测，其应用范围正在不断的推广中。赵中龄等人39对9ni钢大型球罐焊缝进行了超声波探伤研究，研究发现9ni钢大型球罐由于奥氏体不锈钢焊缝晶粒粗大，常用的横波入射法无法使用，为此开发了窄脉冲纵波斜探头，该探头具有灵敏度高、分辨率好、信噪比高等优点，配合使

36、用9ni钢母材制作的csk-a试块，如图1-3所示，对9ni钢球罐奥氏体焊缝取得了很好的超声检测结果。 图1-3 csk-a对比试块39车成武40对公称体积为1500m3的9ni钢储罐进行了超声探伤，解决了射线探伤底片判定的困难，弥补了射线探伤的不足，且对焊缝中的缺陷深度进行了准确的定位，研究发现采用6分贝法对裂纹缺陷测长不够准确，从实际缺陷打磨情况看，一般裂纹尺寸都较探测的长一些，对于这类缺陷测长至少要增加2分贝。李衍等41研究了设置窄槽、热裂纹的9ni钢焊缝超声tofd法检测中信号处理方法，利用小波变换法将检出信号分解为多个频带宽度不同的成分，为减小由枝晶衍射引起的噪声，计算了这些成分的积

37、，并对其加权，重建了a型显示信号。结果证明，检出缺陷信号时缺陷回波的sn比可平均提高约18db，d扫描图像中的缺陷显示也分外明显。1.4本课题的研究内容对于本文中所研究的低温钢焊接，由于其控制热输入等工艺参数的需要，焊条电弧焊和氩弧焊工艺应用较广。但随着交流方波埋弧焊电源和细焊丝埋弧焊的开发，使得埋弧焊的热输入量在一定范围内变小，因此被在大型lng内罐横焊缝的焊接中也具有良好的应用前景。大型lng低温储罐罐底有三层钢板、二层保冷层，这种复杂的结构的底板焊接除了要考虑所采用的低温钢焊接要克服热裂纹、磁偏吹、冷裂纹等缺陷的产生，避免低温韧性下降等问题外，更重要的问题就是解决薄板焊接结构焊后产生波浪

38、变形的问题，因此理论上说要采用热输入量小的焊接方法，如小电流焊条电弧焊和钨极氩弧焊。储罐内罐壁板相对于底板而言厚度较大，由于其横焊缝结构的规则性，采用正装法时可以将壁板的上沿作为轨道，可能采用细丝埋弧自动焊，即可提高焊接效率，又可提高焊接质量；壁板的纵向焊缝由于采用了多层多道焊，可以尝试采用焊条电弧焊或者氩弧焊方法。根据大型lng储罐用9ni钢的焊接应用需求，本课题拟系统研究9ni钢的焊条电弧焊、埋弧自动焊和氩弧焊，深入研究接头的界面微观组织，系统测试接头的力学性能。本课题的研究内容如下：(1) 采用焊条电弧焊、埋弧自动焊、氩弧焊方法在不同的工艺参数下进行9ni钢的焊接试验，集中评价焊接方法的

39、焊接性，完成焊条和焊丝的优选，实现初步的工艺优化设计。(2) 分析9ni钢焊接接头典型界面结构，研究焊接电流、焊接速度、焊接位置等工艺参数对接头界面结构的影响，确定结构的组织演化规律。(3) 系统测试接头的拉伸性能、冲击性能和弯曲性能，分析焊接工艺参数对接头力学性能的影响规律，确定接头的断口特性，解明接头界面结构与力学性能的对应关系，优化9ni钢焊条电弧焊、埋弧自动焊、氩弧焊焊接工艺。第2章 实验材料、设备及方法2.1 试验材料本试验所使用的焊接母材为低温钢板astm a553-95 type 1（9ni钢），根据en288-3的工艺代用范围，采用厚度为=23mm的母材，工艺覆盖范围为1225

40、mm。原始母材的微观组织如图2-1所示。图2-1 9ni钢焊接母材微观组织9ni钢焊接母材的化学成分和力学性能如表2-1和表2-2所示，可以注意到该母材中含有8.59.5wt.%的ni，从而保证了该材料具有良好的低温使用性能，这也是这种低温钢命名的重要依据。表2-1 9ni低温钢化学成分(wt.%)标准cmnsinipsastema553 type10.130.90.130.328.59.50.0350.040表2-2 9ni低温钢力学性能标准屈服(mpa)抗拉(mpa)冲击功-196(j)astem a553type1585690825 34/272.2 试验设备及过程项目组综合考虑后选择下

41、以下材料进行试验：saw焊接试验采用f-196（dc）、freezal s276（ac），gtaw焊材采用nertal625，smaw采用freezal ni9。试验用焊接母材用astma553 type1.试验板件的焊接：根据lng储罐的壁板、底板的结构形式，焊接试验时smaw、gtaw采用了平焊、横焊、立焊三个位置，saw采用了横焊位置。对母材进行机械加工坡口后，用丙酮清洗，去除表面的油、锈、水，焊接材料按说明烘干和保温，对坡口附近进行剩磁测定，剩磁量不超过50gs方可焊接。如图2-2、图2-3： 图2-2焊接试验清理图图 2-3试件剩磁测定在焊接过程中，横焊位置熔融的铁水容易下坠，焊缝成

42、型不易控制，且焊接线能量要求严格，电流不宜过大，所以选择了林肯dc-1000可控硅多用途直流弧焊电源和与之匹配的日本新日铁的控制箱。该电源除具有恒压和恒流特性外，还具有手工电弧焊和碳弧气刨所需要的陡降外特性，因此可以一机多用，降本增效。但在焊接质量的控制比较复杂，且有些方面难以控制，如焊接磁偏吹、焊接线能量等。针对低温钢的焊接难点为焊接磁偏吹、焊接线能量控制等特点，项目组同时又选择了美国miller公司summit arc 1250高效方波交流焊接电源和与之匹配的hdc1500dx焊接控制箱。以及林肯dc 1000埋弧焊接电源和power feed 10sf自动送丝机进行对比焊接试验。在saw

43、焊接试验是在大庆南三油库10104m3原油储罐施工现场制作了模拟lng储罐横向自动焊试验架上进行的，如图2-4。图2-4低温钢横向埋弧自动焊接试验依据正交试验分析结果，选用了smaw与gtaw的交流方波电焊机，这类焊机目前已经很普遍，本课题试验采用了国产奥太和进口福尼斯两种焊机进行了焊接试验。焊接坡口尺寸影响也很大，在开坡口的时候，较薄的钢板采用单边v型坡口，较厚的钢板采用双面坡口，并且坡口的角度变化也在变化。各种焊接方法焊接坡口图2-5、图2-6、图2-7所示。图2-5平位焊接坡口示意图 图2-6直流横位焊接坡口示意图 图2-7交流横位焊接坡口示意图2.3 微观组织分析及力学性能测试2.3.

44、1微观分析将金相分析试件采用电火花线切割沿中心切开，用镶牙粉镶样。经200#、600#、800#、1000#及1500#砂纸上逐级磨光，然后用金刚石研磨剂进行机械抛光。采用fei quanta200扫描电镜(scanning electron microscope,sem)进行显微组织观察，并利用设备所附带的能谱装置(energy dispersive scanning,eds)对试样表面成分进行分析。采用光学显微镜，观察试件断裂形式和位置。对剪切试样断口进行逐层打磨或不经处理进行xrd分析。分析设备为日本理光d/max-rb型x-射线衍射分析仪(x-ray diffraction,xrd)。

45、2.3.2力学性能测试对焊接接头的力学性能进行系统的测试，试样测试选取位置示意图如图2-8所示，在一块焊接试板上选取试样进行了抗拉强度、抗弯强度和冲击性能的测试，具体的抗拉试样尺寸如图2-9所示，抗弯强度测试试样尺寸如图2-10所示，全焊缝拉伸试样选取位置和尺寸如图2-11和2-12所示。将焊好的试件在instron model1186电子万能试验机进行抗拉和抗弯强度测试试验。图2-8焊接试件取样位置示意图200mm50mm7拉、弯全焊缝拉伸试样位置焊缝常温冲击热影响区常温冲击硬度、金相、电镜弃去25mm弃去25mm补充试样位置热影响区低温冲击焊缝低温冲击图2-9拉伸试样制作尺寸图2-10侧弯

46、试样制作尺寸图2-11全焊缝拉伸取样部位示意图图2-12全焊缝拉伸试件尺寸图其余12.54 100.2100mm110mm0.823mm20mm300mm10mm23mm300mm14洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 9ni钢的smaw焊接接头组织与工艺研3.1 引言焊条电弧焊由于具有设备简单、操作灵活和应用范围广等优点，成为9ni钢储罐结构焊接最常用的方法之一，本章通过优选合适的焊条实现了9ni钢的焊接，同时系统的研究了接头典型界面结构和工艺参数对接头组织的影响，进一步对接头力学性能进行了相应测试。接头力学性能取决于界面结构，由此建立组织性能对应关系，并分析接头的断口特性，最终达到优化接头

47、性能目的。3.2 焊条优选分析焊条选择是实现焊条电弧焊的最重要环节之一，焊条的种类繁多，每种焊条都具有一定的特性和用途，实际研究中要基于焊条的成分和用途，综合考虑被焊母材的性能状况、施工条件及焊接工艺等，对焊条进行相应的优选工作。选用过程考虑以下原则：（1） 焊接材料的力学性能和化学成分考虑到最终产品的性能要求，应选用抗拉强度等于或稍高于母材的焊条，而且一般要求焊缝金属主要成分与母材金属相同或相近，在被焊结构应力较高的条件下可以选用比母材强度低一级的焊条。（2） 焊件的使用性能和工作条件对承受动载荷冲击的焊件要保证焊缝具有较高的塑韧性，应选用塑性和韧性指标较高的低氢型焊条，在高温或低温工作条件

48、下应选用相应的耐热钢或低温型焊条，对于在耐腐蚀条件下使用的焊件应选用不锈钢或其他耐腐蚀焊条。（3） 焊件的结构特点和受力状态对结构刚性较大的焊件应选用抗裂性好的低氢型焊条，对焊接部位难以清理的焊件应选用氧化性强，对铁锈、油污等不敏感的酸性焊条，对于非平焊位置焊接应选用全位置焊接焊条。（4） 施工条件及设备考虑焊接电源特性选用交直流两用低氢型焊条，在狭小或通风条件差的场所应选用酸性焊条或低尘焊条，在满足产品性能要求的条件下尽量选用电弧稳定、飞溅少、焊缝成形良好的酸性焊条，在满足使用要求和工艺性的条件下尽量选用成本低、效率高的焊条。 通过查阅国内外相关的技术资料，总结出9ni钢的焊接中，可用的焊接

49、材料有四种类型，即含ni约60%以上的inconel型；含ni约40%的fe-ni基型；含ni13%-cr16%的奥氏体不锈钢型和含ni 11%的铁素体型。焊条电弧焊焊接9ni钢所采用的焊接材料的化学成分如表3-1所示。表3-1 9ni钢焊条电弧焊常用焊接材料的化学成分（wt.%）焊材csimnspnicrmonbfeni60cr15mo0.100.751.03.50.020.036213170.52.50.53.0ni55cr22mo90.100.751.00.020.035520238103.154.15ni36cr10mn5mo30.120.504.06.00.020.033437101

50、23.04.0cr15ni70mn4mo4nb0.0524.010.0030.00615.14.713.262.94ok69-450.280.67.510.510141517freezalni9 0.0473.960.150.0070.01959.6714.516.761.129.98通过对比分析，对于待焊接9ni钢母材astm a553 type?，当采用与9ni钢成分相近的焊接材料时，如焊后若不经热处理，焊接过程中合金元素的烧损和焊接熔池结晶过程局部铸造组织而使焊缝的低温韧性大大降低；而fe-ni材料的线膨胀系数与母材的差别又比较大，因此选择了含ni量高、线膨胀系数与母材接近的ni基材料进

51、行研究试验，综合考虑后选择freezal ni9焊条进行了9ni钢母材的焊条电弧焊，选用该焊条进行9ni钢焊接的试样如图3-1所示，可以发现该试样成形质量良好，后续组织分析和性能测试研究结果也证明该焊条选择结果合理可行。图3-1 9ni钢焊条电弧焊宏观形貌3.3接头典型界面结构分析9ni钢焊条电弧焊平焊焊接接头典型界面组织如图3-2所示，图中所示区域焊道采用的焊接电流为73a，焊接速度为8.3 cm/min，微观组织表明在该工艺参数下实现了9ni钢板的高质量焊接，接头内不存在裂纹、气孔等缺陷，整个接头组织可以分为三个典型区域，分别为左侧浅色的焊缝，右侧深色的母材和中间浅色的热影响区，热影响区附

52、近耐蚀性能明显增加。由图3-2-a)可以确定母材组织为回火索氏体，从熔合线向外是粗晶区和正火区，由于焊缝金属经历了快速加热融化和快速凝固的过程，组织形态与母材相比发生了明显的变化，焊缝组织为非平衡态组织，组织主要呈现树枝状晶特性。需要注意到的是由于整个焊接过程由多道焊接实现，所以焊缝、母材和热影响区的比例稍有变化，但是由于焊条的成分保持不变，所以接头内发生产物没有发生变化。热影响区微观组织如图3-2-b)所示，组织特征为过热区粗大的板条马氏体组织。焊缝局部放大组织照片如图3-2-c)所示，可以明显的看到接头由焊缝、熔合线和热影响区组成。在熔合线附近有颜色相对焊缝金属偏深的区域，为未混合层即焊缝

53、金属与母材未完全混合区域，该区域面积很小，说明母材与焊缝金属融合比较低。焊缝一侧靠近熔合线偏析现象几乎没有，基本为奥氏体柱状晶均匀生长，当远离熔合线后，偏析现象显著，在柱状晶间隙有大量偏析相，越往焊缝内部越显著。偏析相中含有第二相质点以及杂质元素等。a) 整体形貌 b)热影响区 c)局部放大图3-2 9ni钢焊条电弧焊平焊接头典型界面结构 为了确定界面反应相的具体成分，采用扫描电镜配合能谱分析对界面结构进行了进一步的分析，熔合线附近微观区域如图3-3所示，由于腐蚀重故第二相质点不明显而析出相很明显，熔合线附近由焊缝奥氏体组织和热影响区马氏体组织构成，在焊缝一侧可以清晰看到混合层和柱状晶。另外可

54、以注意到析出相的分布也有明显的不同，靠近熔合线附近分布很少，远离熔合线分布增多。在热影响区中可以看到粗大的板条马氏体组织，这与焊接过程中很高的冷却速度密切相关。图3-3 9ni钢焊条电弧焊接头熔合线附近微观组织为了研究偏析对成分的影响对焊缝进行了线扫描，具体的扫描位置和元素线扫描结果如图3-4所示，结果表明焊缝内部cr元素与mo元素分布比较稳定，ni含量从热影响区往焊缝内部明显增加，fe含量在相对减少。需要注意的是ni和fe元素在焊缝内部分布也比较稳定，初步推测认为这与熔合线附近熔池凝固过程中元素的互扩散密切相关。 a) 线扫描位置 b) 界面元素分布(沿左图直线) 图3-4 9ni钢焊条电弧

55、焊接头界面线扫描位置及结果注意到焊缝内部具有大量的析出相，图3-5为焊缝区内析出相的放大照片，该析出相呈白亮色，析出相整体呈现出线性的分布特征，析出相主要分布于焊缝内部柱状晶的晶界位置处，这主要是由于晶界处具有较高的能量，有助于析出相的形核和长大。图3-5焊缝局部放大组织对该析出相的成分进行了元素能谱分析，分析结果如表3-2所示，可以发现析出相主要含有ni、cr、c、fe等元素，其中c元素的能谱分析结果可能有所偏差，但是可以证明c元素的存在。原始焊条中c元素很低，由于cr具有很强的碳化物生成趋势，仍有可能生成少量的碳化物析出相。焊接过程中熔池凝固速度很快，这种非平衡的结晶条件下一方面形成了柱状晶，另一方面由凝固结晶时合金元素偏析在晶间形成了大量的析出相。表3-2析出相成分分析结果elementwt.%at.%c06.9426.11o01.3403.79nb08.7804.27cr12.2510.65fe19.0815.44ni51.6139.74matr