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前言

液化天然气（简称LNG）具有使用方便、安全清洁、高效、运输方便等优点，已成为我国大力推广实施的清洁能源之一。 坦克装备得到迅速发展。 在大型LNG低温储罐中，工作环境可低至-196℃，对材料的要求非常严格。 9Ni钢以其强度高、-196℃低温冲击韧性好、耐蚀性好等优点，被广泛用于制造大型LNG低温储罐。 9Ni钢的焊接是LNG储罐制造的重点和难点。 其焊接技术为少数发达国家所掌握。 但我国对9Ni钢焊接的研究探索较晚，技术相对滞后。 9Ni钢在焊接过程中，焊接接头的低温韧性经常下降，出现冷热裂纹或未焊透等各种缺陷。

本研究采用国产CHNiCrFe-9镍基焊条对9Ni钢进行焊条电弧焊，着重研究焊接接头组织与性能的关系，探讨焊接接头弯曲性能不合格的原因，为9Ni钢导轨的工程应用提供实验依据和理论依据。

实验材料与方法

实验采用武钢生产的9Ni钢板。 板的厚度为20mm。 其化学成分见表1，尺寸为350 mm×200 mm×20 mm。 焊接材料为国产CHNiCrFe-9镍基焊条，直径为φ4.0mm，相当于AWS A5.11-2005：ENiCrFe-9级。 熔敷金属标准成分见表3。焊接坡口形式采用V型坡口，钝边3mm，间隙3mm。 为避免磁吹现象，采用交流焊，焊前不预热。 焊接电流为120A，焊接电压为25V，热输入约为25kJ/cm。

在焊缝金属处取样制成金相试样，经研磨抛光后用腐蚀性溶液（硫酸铜：盐酸：硫酸：水=4:20:4:20）腐蚀。 采用配备X射线能谱仪（EDS）的OLYMPUS GX51金相显微镜和HITACHI S-4800扫描电子显微镜（SEM）对试样的焊缝组织和冲击断口形貌进行观察分析。 直读光谱仪测定焊缝金属化学成分。 根据国家标准GBT 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》，采用RGX-M300电子万能试验机对焊缝的拉伸性能进行测试。 ZBC2452-C低温冲击试验机用于按照国家标准GBT 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》进行低温冲击试验。 在焊缝中心切取带有 V 形缺口的标准试样，尺寸为 10 mm×10 mm。 ×55 毫米。 弯曲试验按照国标GBT 2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》进行，采用面弯试样和侧弯试样，面弯试样宽度为30mm，厚度为20mm ，侧弯试样宽度为20 mm，厚度为10 mm。 毫米。

实验结果与分析

2.1 接头显微组织分析

焊接接头焊缝金属金相显微照片如图1所示。从图1可以看出，未发现裂纹和缺陷，焊缝金属组织主要由奥氏体（γ相）固溶体基体组成，且晶型为有一定方向的枝晶。 枝晶在图中为白色条纹，周围暗色为初晶奥氏体相。 在结晶过程中发生枝晶偏析或晶界偏析。 残余金属分布于枝条间，偏析严重。 枝晶平均宽度20 μm； 另外，焊缝金属的晶粒比较粗大，晶粒度约为3～4级。 较大的晶粒可能会降低焊接金属的塑性。

图1 焊接接头焊缝金属金相显微照片

9Ni钢焊接接头焊缝金属的SEM显微组织照片如图2所示，焊缝金属组织中除奥氏体基体外，还发现白色粒状析出物，这些粒状析出物不连续地分布在枝晶间. 析出相EDS化学成分分析结果见表4。结果表明，析出相为富Nb的复合碳化物。 焊缝金属直读光谱仪主要化学成分分析结果如表5所示，可见焊缝金属主要元素化学成分符合表3标准，但由于焊缝金属含有较多的Nb 、Cr、Mo等强碳化形成元素，且含碳量高，达0.112%，因此在焊接冶金过程中，焊缝金属处易形成较多的碳化物析出物。 另外，从表5可以看出，焊缝中有害元素P、S的含量极低，有效避免了P、S等元素与Ni在加工过程中形成低熔点共晶而产生的热裂纹。焊接过程。

图2 焊接接头焊缝金属SEM显微照片

2.2 接头性能

9Ni钢焊接接头的室温抗拉强度、延伸率、弯曲性能和低温冲击性能结果如表6所示，在相同的工艺参数下共进行了两组试验。 从结果可以看出，焊接接头的室温抗拉强度为710-750 MPa，平均抗拉强度为736 MPa，平均延伸率分别为35.5%和33.5%，V型缺口低温下的平均冲击功分别为 75.7 J 和 82.0 J。 以上数据表明，该焊接接头具有较高的综合力学性能，其室温抗拉强度、延伸率和低温冲击性能均符合国家标准GB/T 13814-2008。 但在测试弯曲性能的过程中发现，在d=3a的条件下，焊接接头的横面弯曲试验不满足α=120°的要求，即弯曲角度值横向曲面弯曲试验α未达到120°，发生断裂，试样断裂位置位于焊缝金属中。

2.3 裂缝形貌分析

9Ni钢焊接接头弯曲试样焊缝断口SEM断口形貌照片如图3所示，断口位置位于焊缝内。 弯曲试样的断口形貌由大量韧窝组成，大部分韧窝大而深，分布比较均匀，表明焊缝断裂为韧性断裂； 韧窝在断口处的分布表明材料具有高强度和高韧性； 在一些酒窝的底部可以看到一些亮白色的小颗粒。 EDS 分析（见表 7）表明，这些亮白色小颗粒是在焊缝金属中析出的富 Nb 碳化物。

图3 弯曲试样焊缝断口SEM断口图像

2.4 分析与讨论

力学性能分析表明，9Ni钢焊接接头的室温拉伸性能、延伸率和低温冲击韧性均达到标准要求的水平，但焊接接头横向曲面弯曲试验不合格。 焊缝金相组织和断口组织分析表明，焊缝金属未形成裂纹和缺陷，但形成粗大晶粒和一定量的富铌碳化物。 由表5可以看出，焊缝中形成低熔点共晶的P、S等元素含量很低，因此焊接接头横向弯曲试验不合格并不是微小热引起的。焊缝裂纹。 通常，在焊接循环过程中，沿着粗晶界很容易产生应力集中和局部应变。 同时焊接接头弯曲试验方法，塑性变形是晶粒位错协调滑移的结果。 晶粒越大，晶界处的晶胞和晶粒内部的晶胞滑移协调越差，塑性变形越不均匀，内应力集中越大，裂纹可以在该处优先促进应力集中，从而降低焊缝的塑性； 另一方面，虽然颗粒状富铌复合碳化物会提高焊接接头强度，但析出的碳化物是脆硬相，容易成为焊缝金属塑性损耗裂纹的源头，成为变形过程中裂纹萌生和扩展的起点。 在一定程度上降低焊缝的塑性。 因此，在粗晶引起的应力集中和富铌碳化​​物易产生塑性损耗裂纹源两种作用机制下，焊缝金属塑性降低，导致9Ni钢焊缝失效。面弯曲试验。 满足α=120°的要求，有不合格的情况。

焊缝金属的晶粒度主要与焊缝的冷却速度有关。 冷却速度越慢，晶粒越粗； 焊接热输入是影响接头冷却速度的主要工艺参数。 焊接热输入越大焊接接头弯曲试验方法，高温下温度越高，时间越长，冷却速度越慢，接头组织晶粒越粗； 因此，实验中过大的焊接热输入（25 kJ/cm）可能是导致晶粒粗化的主要工艺因素。 此外，对于碳化物的析出，应严格控制电极中的碳含量，以免形成更多的碳化物。 在9Ni钢的焊接施工中，优化焊接工艺参数、降低焊接热输入、控制焊缝金属碳化物成为后期的研究方向。