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近年來，為了減輕環(huán)境污染，需要使用更加高效清潔的能源，液化天然氣（LNG）工業(yè)得到了大力發(fā)展。9Ni鋼具有良好的低溫韌性及耐腐蝕性，往往被用來制造LNG低溫儲(chǔ)罐。在LNG儲(chǔ)罐的制造過程中，往往避免不了現(xiàn)場(chǎng)焊接。受現(xiàn)場(chǎng)焊接條件的限制，手工電弧焊焊接基本包括了平焊、立焊和橫焊等在內(nèi)的全位置焊接。裴沖等發(fā)現(xiàn)海洋平臺(tái)用鋼橫焊位置試樣的低溫?cái)嗔秧g性低于立焊位置試樣。程晉宜研究了Q460鋼CO2氣體保護(hù)焊下平焊和橫焊接頭疲勞性能的差異，發(fā)現(xiàn)平焊位置接頭的疲勞壽命長(zhǎng)于橫焊位置接頭。袁軍軍等研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于多層多道焊縫，沖擊試樣缺口處柱狀晶比例是沖擊韌性出現(xiàn)波動(dòng)的主要影響因素。為了保證不同焊接位置的焊縫性能均能滿足設(shè)計(jì)要求，研究人員對(duì)采用ENiCrMo-6型鎳基焊條手工電弧焊焊接接頭的不同焊接位置進(jìn)行組織表征和低溫力學(xué)性能測(cè)試，分析了不同焊接位置組織和性能的差異，結(jié)果可為實(shí)際生產(chǎn)提供借鑒。

01｜試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用母材為X7Ni9型國(guó)產(chǎn)9Ni鋼，填充金屬為ENiCrMo-6鎳基合金，采用多層多道手工電弧焊方式進(jìn)行雙面焊接。試樣厚度為33.7mm，坡口角度為60°，組對(duì)間隙為3mm。母材及焊縫金屬化學(xué)成分如表1所示。將母材和焊縫金屬提前預(yù)熱，采用橫焊和立焊兩種焊接位置，具體焊接參數(shù)如表2所示。

 焊接完成后，對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相檢驗(yàn)和低溫沖擊韌性測(cè)試。金相試樣經(jīng)機(jī)械磨拋后，采用體積分?jǐn)?shù)為10%的草酸溶液對(duì)試樣進(jìn)行電解腐蝕，電壓為6V，時(shí)間為30s。隨后采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣。根據(jù)GB/T 2650—2022《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn)》，加工焊縫沖擊試樣。按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，采用沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，測(cè)試溫度為-196℃，每種位置取3組試樣。截取標(biāo)準(zhǔn)夏比V型沖擊試樣，試樣的缺口位于焊縫中心，試樣的尺寸為10mm×10mm×55mm（長(zhǎng)度× 寬度×高度），并對(duì)沖擊斷口進(jìn)行SEM分析。

02｜試驗(yàn)結(jié)果

1.接頭組織

 橫焊位置及立焊位置焊接接頭宏觀形貌如圖1所示。橫焊位置熱輸入能量較低，其焊接道次明顯高于立焊位置。由圖1可知：橫焊位置接頭焊縫金屬存在較為明顯的柱晶區(qū)和層間再熱區(qū)，而立焊位置接頭焊縫金屬?zèng)]有較為明顯的層間再熱區(qū)，僅能看出其柱狀晶凝固方向?yàn)槿鄢氐呢Q直方向。受重力、浮力等差異的影響，橫焊接頭柱晶區(qū)結(jié)晶方向與熔池豎直方向存在一定的傾斜角。

 兩種焊接位置焊縫的微觀形貌如圖2 所示。由圖2可知：橫焊位置柱狀晶晶界幾乎與焊縫豎直方向呈45°，且存在一定寬度的層間再熱區(qū)，晶粒較為細(xì)??；對(duì)于立焊位置焊縫金屬，其柱狀晶晶界幾乎平行于焊縫豎直方向，兩道交疊地方的柱狀晶取向較為復(fù)雜，基本沒有發(fā)現(xiàn)層間再熱區(qū)。

 對(duì)兩個(gè)位置的焊縫組織進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：兩種焊縫材料都由奧氏體基體+析出相組成，但是枝晶臂寬度略有差異；橫焊位置焊縫枝晶臂寬度僅為立焊位置的一半。對(duì)析出相進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4所示，推測(cè)析出相為富Nb碳化物。

2.接頭低溫沖擊吸收能量

對(duì)焊接接頭進(jìn)行-196℃低溫沖擊測(cè)試，結(jié)果如表3所示。由表3可知：橫焊位置接頭-196℃沖擊吸收能量約為110J，且各個(gè)測(cè)點(diǎn)的沖擊吸收能量差異較??；立焊位置接頭-196℃沖擊吸收能量約為74J，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的沖擊吸收能量差異略大。

3.斷口SEM形貌

 對(duì)橫焊位置和立焊位置接頭的低溫沖擊斷口進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：橫焊位置接頭低溫沖擊斷口塑性變形較大，斷口表面凹凸不平，為韌窩型韌性斷口形貌；斷口中存在兩種形貌的韌窩，一種是以柱狀晶形貌分布的、較深的韌窩，另一種是對(duì)應(yīng)焊縫層間再熱區(qū)的，面積較小、較淺的韌窩。對(duì)立焊位置接頭沖擊斷口而言，其斷口表面較為平坦，沒有較大起伏。對(duì)其斷口不同位置進(jìn)行放大觀察，發(fā)現(xiàn)斷口以韌窩形貌為主，以柱狀晶形式分布，幾乎沒有觀察到等軸韌窩區(qū)。

03｜討論

 采用多層多道焊焊縫金屬的沖擊韌性往往和柱晶區(qū)的面積有關(guān)。JORGE等認(rèn)為柱晶區(qū)晶粒較為粗大，對(duì)沖擊韌性不利，柱晶區(qū)枝晶臂的寬度也會(huì)影響沖擊韌性，沖擊試樣缺口位置和裂紋擴(kuò)展路徑上的組織同樣會(huì)影響沖擊韌性。MAO等的研究表明，當(dāng)裂紋擴(kuò)展路徑上存在較多的大角度晶界時(shí)，裂紋會(huì)發(fā)生偏折，總裂紋長(zhǎng)度延長(zhǎng)，沖擊吸收能量提高。對(duì)于橫焊位置焊縫金屬而言，其裂紋擴(kuò)展時(shí)會(huì)受到較多柱晶界的阻礙，裂紋擴(kuò)展路徑較為曲折，且層間再熱區(qū)細(xì)小等軸晶的存在進(jìn)一步延長(zhǎng)了裂紋總長(zhǎng)度。橫焊和立焊位置焊縫金屬裂紋擴(kuò)展路徑如圖6所示。對(duì)于立焊位置焊縫金屬，裂紋擴(kuò)展方向大多平行于柱晶界或與柱晶界之間的夾角很小，裂紋擴(kuò)展路徑不易發(fā)生偏折，裂紋總長(zhǎng)度較短，導(dǎo)致最終裂紋擴(kuò)展消耗的能量低于橫焊位置。此外，由于橫焊位置熱輸入能量較小，焊縫凝固冷卻速率較快，橫焊位置焊縫金屬柱晶區(qū)枝晶臂寬度較窄，增加了裂紋擴(kuò)展需要穿過的晶界數(shù)量，這也是橫焊位置焊縫金屬具有較高低溫沖擊吸收能量的原因。

04｜結(jié)論

（1）相比于立焊位置焊縫金屬，橫焊位置焊縫金屬具有更高的低溫沖擊吸收能量，-196℃沖擊吸收能量可達(dá)115J。

（2）受重力和浮力等影響，橫焊位置焊縫柱狀晶凝固結(jié)晶方向與焊縫豎直方向（即沖擊裂紋擴(kuò)展方向）存在較大的角度差，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展需要穿過更多的晶界，裂紋偏折角度較大，會(huì)消耗更多的能量。

（3）立焊位置焊縫金屬的柱狀晶凝固方向大多平行于裂紋擴(kuò)展方向，或與裂紋擴(kuò)展方向僅有較小的角度差，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展大多在柱狀晶內(nèi)部完成，幾乎沒有晶界的阻礙，故立焊位置沖擊吸收能量較低。

（4）由于橫焊位置焊接熱輸入能量較小，柱狀晶的寬度比立焊位置焊縫柱狀晶的寬度窄，且存在一定寬度的層間再熱區(qū)。

作者：盧亞東，吳國(guó)正，沈佳如，劉悅

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