摘要：9Ni钢被广泛运用于大型液化天然气（LNG）的储罐用钢，要获得焊接接头良好的焊缝成形和内在质量，埋弧自动焊的焊接工艺及焊前装配尤为关键，本文根据实例对其工艺及装配进行分析探究。
关键词：焊接性能；低温冲击韧性；焊接工艺参数；操作要点
1.9Ni钢的焊接特性
9Ni钢的化学成分及力学性能见表（1，2）。
表1 9Ni的典型化学成分（%）
表2 9Ni的力学性能
1.1.9Ni钢裂纹倾向：
由于焊缝含镍量高，焊接过程热裂敏感性很强，易于出现弧坑焊接裂纹。由于焊接时镍基合金熔化的粘稠性，流动性差，焊接熔深浅，操作不当易产生夹渣和未熔合焊接缺陷。
1.2.低温冲击韧性：
储罐用9Ni钢的工作温度在-100℃~-196℃，要求焊接接头的低温冲击韧性好，对9Ni钢的焊接要严格控制焊接热输入，尽量选用小电流、低电压、快而匀速焊和多层多道焊、控制焊层厚度的工艺参数，线能量控制在35J以下。
1.3.磁化问题：
9Ni钢是一种强磁性材料，在焊接过程中发现由于磁场的作用，焊缝表面会产生大量的小气孔。在焊接的全程要控制磁化现象。
2．焊接试工艺参数
为保证焊接接头的强度、低温韧性，防止焊接裂纹和解决电弧磁偏吹等问题，应从焊接材料、焊接工艺参数和焊接操作技术三方面解决。以δ=16mm、20mm试板，焊接位置为横焊位为例。
2.1焊前准备
2.1.1焊接材料:从焊接接头的低温冲击韧性和热膨胀系数两方面考虑，选用镍基合金的焊接材料，并且是交、直流两用焊丝。焊接工艺试验采用焊丝AWSA5.11ERNiCrMo-4（THERMANITNIMOC276），焊剂SAFB255AC（MARATHON104）,其化学成份见表3、表4、表5。
表3 ERNiCrMo-4的化学成分（%）
表4 SAFB256AC对的化学成分（%）
表5 ERNiCrMo-4的力学性能
2.1.2焊接设备：林肯AS/DC1000SD焊机，采用交流电源，电流波形为方波，细丝焊接。
2.1.3坡口备制：为保证焊缝根部质量、提高背面弯曲性能和低温冲击韧性采用双面焊双面成型焊接。横焊位由于熔化金属受重力作用，容易下淌而产生各种缺陷，因此坡口的特点是下板不开或下板所开坡口角度小于上板（如图1所示），这样有利于焊缝成形。在焊完正面焊道后背面清根，采用角向磨光机打磨深5mm~6mm，宽7mm~8mm坡口角度25°~30°的V型或U型坡口（如图2所示）。
2.1.4焊前清理：将坡口面和坡口上、下面15~20mm内的钢板上的油、锈、水以及其他污物打磨干净，至露出金属光泽为止。
2.1.5装配和定位焊：焊接过程中，为了保证9Ni钢焊接后的几何尺寸符合规范要求，必须采取有效的防变形措施来控制焊接的变形量，具体措施如下：
1）预留收缩余量：下料和加工时，应考虑焊件焊后纵向和横向的收缩，确定角变形量。通过多次500mm长，厚度16mm、20mm二个不同厚度规格试板的焊接试验，得出数据：
2）
2）采用刚性固定法：500mm长试板一般点固2~3点，点固焊缝长3~5cm。在实际产品焊缝的根据长度、厚度考虑，可通过外加刚性拘束构件（装配工夹具和撑筋等紧固件等）来增加焊件的刚性，从而有效减小焊接接头的变形量。
2.2焊接操作要点
2.2.1焊接参数：小电流、低电压、快而匀速的工艺参数。
2.2.2焊接顺序：以δ=20mm为例（如图4所示），
图4焊道示意图
2.2.3焊缝成型系数：在选择工艺参数时，要注意控制焊缝的成型系数，一般以1.3~2为宜，对熔池中气体的逸出和防止夹渣或裂纹等缺陷是有利的，也确保焊接接头的力学性能。
2.2.4焊接操作技术：
1）操作把手调整焊丝位置向上、向下，开动焊车往返几次，使焊丝对准待焊处中心，如图5所示。
2）调整导电嘴到焊件间的距离（一般12~15mm），焊丝的伸长度(一般8mm~12mm），如图5所示。
图5焊道示意图
3）调整每层焊道的焊丝角度和对准位置，是焊缝质量保证的关键。填充和盖面层焊时焊丝与试板夹角，如图6所示。
4）焊剂撒放高度对焊缝的质量有影响，过高或过低都有可能成为产生气孔的原因。在焊接过程中，随时调整焊剂的高度，注意一般以不露出电弧光为好，并应尽可能使焊剂层的高度保持不变.
5）焊接上下焊道时，要注意坡口上下侧与打底焊道间夹角处熔合情况，以防止产生未焊透与夹渣缺陷，并且使上焊道覆盖下焊道1/2~2/3为宜，以防焊层过高或形成沟槽。
6）层间温度的控制：为保证9Ni钢焊接接头的低温韧性，除焊接时严格控制热输入量外，还与预热和层间温度的控制有关。一般9Ni钢在常温下无需预热，多层多道焊的层间温度控制在≤100℃。
7）道、层间的清理：9Ni钢采用高镍焊接材料，熔池粘度大，流动性差，且焊接规范较小，在焊道间、焊层间和母材与熔敷金属间容易出现夹渣、层间未熔合等缺陷，特别是焊缝与母材的结合、夹角处的焊渣，另一方面9Ni钢坡口表面和焊道层间要求有更高的清洁度，氧化物和杂质污物将导致焊缝开裂，所以每焊完一层都要用角向磨或钢丝刷彻底清除焊道上的焊渣、飞溅，检查焊道，不得有缺陷，焊道表面应平整或下凹，与两坡口面的熔合应均匀，焊道表面不能上凸，特别是在两坡口面处不得有死角，以防止产生夹渣。
图6焊丝与试板夹角示意图
3.焊接接头检验结果
3.1外观检查：焊缝表面成型良好，外形尺寸符合要求。焊缝外表无气孔、裂纹、夹渣缺陷。
3.2X射线探伤检验：按照JB/T4730标准经RT检验，未发现缺陷，焊缝质量评级为Ⅰ级，合格。
3.3力学性能检验：按照NB/T47014-2012标准检验，合格。
3.4金相微观组织：合格（500倍）
结论
1.焊接材料：要满足三个方面的要求，即低温冲击韧性，相近的热膨胀系数和适合交流电源施焊，所以采用高镍焊接材料焊丝AWSA5.11ERNiCrMo-4，焊剂SAFB255AC，能满足焊接接头性能的要求。
2.焊接热输入量：焊接热输入量直接关系到焊接接头的组织、晶粒粗细和焊接接头的性能，所以对9Ni钢的焊接，尽量选用小直径的焊丝，采用小电流低电压快速和多层多道焊的焊接参数，能降低焊接接头在高温段停留的时间和加快焊后冷却速度。
3.层间温度：为保证9Ni钢焊接接头的低温韧性，除焊接时严格控制热输入量外，还与预热和层间温度的控制有关。一般9Ni钢在常温下无需预热，多层多道焊的层间温度控制在≤100℃。
4.焊接操作技术：除了与其他焊接方法操作一样，埋弧焊焊接方法的特点，在焊剂下，焊缝成形和焊接缺陷的控制较难，所以焊接操作技术环节中的装配、组对、焊丝的水平倾角和其在坡口中的对准位置尤为关键。
5.道层间清理：高镍焊接材料，熔池粘度大，流动性差，且焊接规范较小，在焊道间、焊层间和母材与熔敷金属间容易出现夹渣、层间未熔合等缺陷，所以每焊一层和每个收弧接头都要用角向磨和丝刷彻底清除焊道上的焊渣、飞溅，以防止产生裂纹、夹渣和未熔合等缺陷。
6.磁化问题：合理布置焊接电缆连接地线，电缆的长度、走向和布线方式，尤为重要。同时电缆线不要和工件表面接触，避免磁场对焊缝的影响。
参考资料
[1]《火力发电厂焊接技术规程》（DL/T869-2012）
[2]《火力发电厂异种钢焊接技术规程》（DL/T752-2010）
论文作者:李青锋
论文发表刊物:《电力设备》2018年第10期
论文发表时间:2018/7/30
标签：焊丝论文; 韧性论文; 焊剂论文; 缺陷论文; 低温论文; 裂纹论文; 操作论文; 《电力设备》2018年第10期论文;