压力容器用9Ni低温钢的焊接性分析

压力容器用9Ni低温钢的焊接性分析

吴晶晶 刘明志

西安航天华威化工生物工程有限公司  陕西西安  710100

摘要：9Ni低温钢是制造低温压力容器的优良材料，其焊接方法及焊接材料的选用是压力容器的制造难点及关键点。本文综述了9Ni低温钢的焊接工艺及焊接方法，对焊接过程中易出现的缺陷也提出了相应的预防措施，对实际生产具有一定的指导意义。

关键词：压力容器；9Ni低温钢；焊接性

1前言

9Ni钢是美国Inco公司20世纪40年代发明的一种优良的超低温低碳钢，其含镍量为8.5~9.5%，亦被称为1Ni9钢或9%Ni钢。9Ni钢在-196℃具有优良的强韧性和焊接性，与具有优良性能的不锈钢相比，有合金含量少、价格便宜的优点；与低温用铝合金相比，有许用应力大、热膨胀率小的优点。因此9Ni钢被认为是制造低温压力容器的优良材料[1]。

2 9Ni钢的焊接工艺

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区晶粒长大[2]。为达到此目的，从焊接工艺来考虑，必须采取如下措施：

1）为加快冷却速度以细化晶粒，避免焊缝回火脆性，使接头具有良好的低温韧性，焊前一般不进行预热。当板厚>50mm时，可进行50℃预热。冷变形>3%时应进行退火处理，退火温度为550~580℃。

2）进行多层多道焊，避免单道焊，且控制层间温度不超过100℃。

3）选择合适的线能量。线能量越大，焊接热循环中的高温停留时间越长，冷却速度越慢，接头组织的晶粒就越粗大，所以不能采用过大的焊接线能量，而且要控制和调节焊后冷却速度。焊接线能量应控制在45kJ/cm以下，一般常用7-35kJ／cm。

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，采用直流电源时易产生磁偏吹现象，影响焊接工艺的稳定性，直接影响到接头的质量。若采用直流电源进行焊接，还要对母材进行消磁处理。

2.1 9Ni钢焊接方法的选择

焊接9Ni钢的常用方法有手工电弧焊弧焊（SMAW），埋弧焊(SAW)，熔化极气体保护焊(GMAW)和钨极氩弧焊(GTAW)。目前，仍然以手工电弧焊和埋弧焊为主，其次钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊[3]。

1）SMAW：当采用高镍型焊接材料焊接9Ni钢时，由于焊条的高电阻易使焊条过热引起焊条药皮脱落而产生焊接缺陷。

2）SAW：埋弧焊是熔敷速率很高的一种焊接方法，当用高镍型焊接材料焊接9Ni钢时，由于焊透深度小，必须增大埋弧焊时焊接接头的坡口角度。为了减少焊接缺陷，必须采用细的焊丝（3.2mm以下），以牺牲焊接效率来保证焊接质量。

3）GTAW：钨极氩弧焊能保证焊接接头具有高质量。由于能分别控制焊接电流和焊丝的给送速度，容易控制稀释率而得到满意的焊缝形状。虽然钨极氩弧焊的熔敷速率比熔化极气体保护焊和埋弧焊低，但能得到具有窄坡口的高质量的焊接接头。特别是采用低镍型焊材进行焊接时，钨极氩弧焊将成为非常好的焊接方法。

4）GMAW：熔化极气体保护焊的熔敷速率大，主要问题是焊缝质量，容易产生熔合不良和气孔。为了防止熔合不良缺陷的产生，通常采用脉冲电流来焊接9Ni钢。所以，在焊接9Ni钢时，要注意解决熔化极气体保护焊熔合不良问题。

由上所述，灵活、方便的手工电弧焊及高效率的埋弧焊，使得这两种焊接方法成为目前9Ni材料的主要焊接方法。

2.2 9Ni钢焊材的特点

1）低温韧性。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[4]。

2）热膨胀。9Ni钢的线膨胀系数较大，在+20℃～-196℃之间线膨胀系数为8.05×l0-6/℃。为了减少接头的焊接应力，在选择焊接材料时，必须使焊缝金属与母材的膨胀系数相接近。用9Ni钢所建造的低温设备在服役过程中要发生热胀冷缩，母材和焊接接头要经历严峻的温度变化的考验。如果焊缝金属的热膨胀系数和9Ni钢的热膨胀系数相差太大，而引起较高的交变内应力，最终导致焊接接头疲劳寿命的缩短。

3）磁偏吹。由于9Ni钢是一种强磁性材料，极易被磁化，采用直流电源时，易产生磁偏吹现象，影响焊接工艺的稳定性，直接影响到接头的质量，尽量选用适应交流电源施焊的焊条或焊丝焊剂。

2.3 9Ni钢焊接工艺要点

1）为防止9Ni钢焊接过程中产生磁偏吹现象而降低焊缝的质量，应采取相应措施，以确保9Ni钢中无磁性或将磁性尽可能降低到最低水平。

2）为缩短现场施工周期，应从钢厂定购预制焊接坡口的定尺钢板。

3）当采用热切割钢板边缘时，要用砂轮打磨切割边缘，清除氧化膜和过热层。

4）焊前应将坡口面及两侧母材用丙酮清理，去除所有的油污。

5）当环境温度高于15℃时，焊前通常不需预热。当空气湿度较大时，焊接区应用火焰加热到40~50℃，以去除钢板表面的冷凝水。

6）为避免磁偏吹，电弧焊接时应尽可能采用交流电。

7）所有焊接方法的焊接热输人应控制在0.5~3.0kJ/mm的范围内，道间温度不应超过100℃。

8）焊缝道间的清理应采用不锈钢丝刷和刚玉砂轮等工具进行。

3 9Ni钢焊接易产生的问题及预防措施

9Ni钢焊接时经常会产生冷、热裂纹、低温韧性偏低及磁偏吹等问题。

1）焊接热裂纹。热裂纹主要是由低熔点化合物所引起的。由于9Ni钢中Ni元素的含量很高，合金中S、P等元素极易与Ni结合形成低熔点化合物，造成晶间偏析。9Ni钢常采用高Ni的镍基焊材，焊缝为全奥氏体组织，有一定的热裂倾向。易出现弧坑裂纹，其实质是一种沿晶间开裂的典型的凝固时产生的热裂纹。因此要用砂轮对弧坑进行打磨，将弧坑裂纹磨除后在继续施焊。要消除热裂纹，就必须严格控制S、P的含量，并采用合理的工艺进行焊接。

2）焊接冷裂纹。9Ni钢抗冷裂性能较好，正常情况下焊接一般不会产生冷裂纹。但若焊接工艺不恰当时，存在一定的冷裂敏感性。尤其在使用低镍焊条焊接时，熔合线会出现高硬度的马氏体带，对氢脆较为敏感。所以应选用低氢、低碳含量的焊条，合适的焊接工艺，注意焊条烘干、焊接环境温度、湿度、层间温度和热输入的合理控制，就可以防止冷裂纹的出现。

3)焊接接头低温韧性的保证。焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区，采用ENiCrMo-6镍合金焊条焊接9Ni钢时，每个区域的化学成分和金相组织各不相同。其中焊缝金属为奥氏体组织，具有良好的低温韧性；在熔合区由于焊条的含碳量与9Ni钢相同，含Ni量高达55%以上，可有效阻止碳迁移，避免熔合区产生脆组织，从而保证熔合区低温韧性；热影响区在1100℃以上峰值温度的热循环作用下，会产生粗大的马氏体和贝氏体组织，逆转奥氏体减少，使低温韧性下降。因此，尽量控制线能量并采用多道焊，以减少高温停留时间。由此可见，采用ENiCrMo-6镍合金焊条焊接9Ni钢时，焊接接头的低温韧性主要取决于焊接热输入和焊缝金属结晶的冷却速度。

4）克服磁偏吹的途径。母材和焊接材料：母材运至现场时的剩磁要求，必要时进行消磁处理，同时选择能防止电弧磁偏吹的焊接材料；焊接设备：采用交流方波焊接电源；打磨：由于碳弧气刨采用直流电焊机，气刨电流通常在500A以上，这样气刨、直流焊机和焊件之间构成直流外加强磁场，当碳刨结束，罐壁中容易产生较强的剩磁，从而导致焊接电弧磁偏吹，因此尽量用砂轮打磨，减轻低温韧性的下降。

4 结语

综上所述，9Ni钢在低温下具有优良的强韧性和焊接性，焊接过程中选择手工电弧焊和埋弧焊，并采取合理措施解决冷、热裂纹、低温韧性偏低及磁偏吹等问题，即可获得优良的焊接接头，对实际生产具有一定的指导意义。

参考文献

[1]严春妍,李午申,薛振奎,白世武,冯斌.LNG储罐用9%Ni钢及其焊接性[J].焊接学报,2008(03).

[2]尹燕,李雪,朱旻,罗晓军,张瑞华.9Ni钢焊条电弧焊接头组织与性能[J].电焊机,2015(12).

[3]陈虎,王骞,张鹏,刘立鹏,刘佳.9Ni钢大型LNG低温储罐施工及焊接技术[J].中国化工装备,2019(03).

[4]李亚军,杨飞.9Ni钢及其焊材的研究与应用[J].焊管,2015(11).