9%Ni钢薄板焊条电弧焊弯曲试验开裂分析及改善 Analysis and Improvement of the Cracking of Bending Test by Electrode Arc Welding based on 9%Ni steel sheet first-author 戴光明（1982—），男，学士，高级工程师，主要从事核能相关主设备的焊接及热处理工艺开发。E-mail：daigm@dongfang.com。 戴光明（1982—），男，学士，高级工程师，主要从事核能相关主设备的焊接及热处理工艺开发。E-mail：daigm@dongfang.com。 daigm@dongfang.com 东方电气（广州）重型机器有限公司，广东 广州 511455 东方电气（广州）重型机器有限公司，广东 广州 511455 Dong Fang (Guang Zhou) Heavy Machinery Co., Ltd., Guangzhou 511455, China Dong Fang (Guang Zhou) Heavy Machinery Co., Ltd., Guangzhou 511455, China LNG船用9%Ni钢进行薄板（≤5 mm）焊接时，横向弯曲试验易产生开裂。采用有限元分析与工艺试验相结合的方式，研究X7Ni9钢薄板采用焊条（ENiCrMo-6）电弧焊工艺进行焊接后，在执行接头横向弯曲试验时弯曲拉伸面易产生超标开裂（弯曲面裂纹长度≥3 mm）甚至是试样断裂的原因。结果表明：弯曲拉伸面开裂的主要原因是母材和焊材为异质材料，其屈服强度差异大，当试板厚度过小时，横向弯曲试验过程中焊缝金属弯曲面过度拉伸，超过4倍厚度弯心的试验标准要求，被强制拉裂，导致评价失真；采用ENiCrMo-6系焊材进行根部焊道焊接时，当焊缝熔合情况不好时，易在该区域产生气孔缺陷，其与弯曲过程中产生的外表面开裂共同作用下会导致整个试样的断裂。工艺改进措施为：采用窄而厚的焊缝形态，增加单层的排道数量，从而增加焊缝整体宽度，以此保证焊缝考察面受拉伸时具有足够的塑性储备；通过控制焊道成形保证焊缝的熔合情况（根部焊道背面微透），以减少焊缝内部的气孔缺陷。 The w (Ni) =60 nickel-base type (Ni-Cr-Mo) series alloy is widely used for LNG (liquefied natural gas) Marine vessels 9%Ni steel welding. For thin plate (thickness less than 5 mm) welding, the transverse bending test is easy to produce cracks. The research on this problem is lacking. In this paper, this study would investigate the reasons for the easy occurrence of unqualified cracking (bend surface crack length more than 3 mm)，through the combination of finite element analysis and process test the X7Ni9 steel sheet welded by manual (ENiCrMo-6) arc welding process. The results show that the main reason of bending cracking is that the base material and welding material are heterogeneous materials. The yield strength varies greatly. When the test plate thickness is too thin, the weld metal is overstretched and forced cracking beyond 4t requirement of the standard during the lateral bending test, which distorts the test results. The weld orifice defect are easy to occur on root weld by manual (ENiCrMo-6) arc welding process with poor weld formation under combined action of.which and crack lead to the sample fracture. The process improvement measures: increase the weld width to ensure sufficient plastic reserve when stretching, control the weld duct molding to improve the weld orifice defects; adopt longitudinal bending instead of transverse bending test. The process improvement measures are: increase the weld width to ensure sufficient plastic reserve when stretching; control the weld duct forming to improve the weld orifice defect. 9%Ni ENiCrMo-6焊条 薄板 横向弯曲 裂纹 9%Ni steel ENiCrMo-6 thin plate transverse bending crack 前言 1 9%Ni钢是国际上LNG储罐广泛使用的钢种，焊接工艺相对完善。9%Ni钢焊接技术含量高，焊接难度大，该钢种在焊接冶金反应和热循环的作用下， 其组织和成分发生改变，产生脆硬相，导致低温性能降低，冷裂纹（同质焊缝或热影响区）、热裂纹（异质焊缝）倾向增大，以及产生磁化等问题 ［ 1 1 ］ 。 9%Ni钢焊条电弧焊（SMAW）主要采用 w （Ni）≈60%的镍基型（Ni-Cr-Mo系合金）焊条，这类焊材线膨胀系数接近9%Ni钢，低温韧性高，抗冷裂性能好，无需进行焊前预热和焊后热处理，适合大型结构件的野外施工，虽然价格高，但应用广泛 ［ 2 2 ］ 。其中，ENiCrMo-6是最常使用的焊材型号，对应的焊接接头为“异质焊缝”型接头，其韧性和屈服强度比值远高于母材金属，达到“等韧性”匹配水平（焊缝屈服强度410 MPa，母材屈服强度596 MPa） ［ 3 3 ］ 。ENiCrMo-6作为高镍型焊接材料，具备线膨胀系数较大、导热率低的特性，接头会产生较大的焊接内应力，同时由于镍基合金焊接接头本身的热裂纹敏感性较大，选用优质、合适的焊接材料和焊接工艺是控制及改善9%Ni钢焊接性的重要技术手段。 关于9%Ni钢的焊接性分析与改善措施，研究的关注点基本围绕低温韧性降低、冷/热裂纹、磁化等问题，涉及到的试板厚度也均为10 mm以上。闵晓峰 ［ 4 4 ］ 采用不同的焊接工艺参数（线能量大致相同）对12 mm厚9%Ni钢进行焊条电弧焊，采用较大焊接电流、电压及不控制层间温度工艺的焊缝中出现明显的液化裂纹，热影响区组织为板条马氏体与粒状贝氏体及少量铁素体，采用较小焊接电流、电压工艺的热影响区组织为板条马氏体。郭伟 ［ 5 5 ］ 针对含镍马氏体钢易磁化而导致焊接磁偏吹的问题，提出焊接应检测焊件剩磁，尽量采用交流电，使用小电流、短电弧焊接工艺，焊接过程调整焊条角度。 一般情况下，对于镍基焊接材料，焊接接头横向弯曲试验拉伸面开裂的原因有两种：一是焊接接头质量存在缺陷（镍基焊缝易产生热裂纹 ［ 6 6 - 7 7 6-7 ］ ）或者试样表面加工质量的影响 ［ 8 8 - 9 9 8-9 ］ ，从而导致弯曲拉伸面存在初始微小裂纹源，在弯曲载荷的作用下发生扩展开裂，其相应的优化措施为通过焊接工艺的优化以及试样表面质量的改善来避免初始裂纹源的存在；二是弯曲试样本身因结构或者材质的原因导致其在弯曲过程中塑性储备不足，超过其本身能承受的延伸率上限，从而引发弯曲考察面（试样拉伸最大区域）的率先开裂 ［ 10 10 ］ 。 东方电气（广州）重型机器有限公司在开展LNG船用9%Ni钢薄板焊接工艺试验开发的过程中发现：在试样表面质量完好，内部无损探伤合格、无焊接缺陷引起的表面裂纹源的情况下，横向弯曲试验仍然会出现开裂不合格甚至试样整体断裂的情况，如 图1 图1 所示，对于此种无缺陷薄板弯曲试样产生裂纹的原因以及改善措施目前尚无明确的答案。 1;2; 本文采用有限元分析与焊接模拟试验相结合的方式，通过对比不同焊道排布下焊接接头弯曲拉伸面的塑性应变量，并辅以焊接模拟试验验证，确定影响9%Ni钢薄板采用Ni-Cr-Mo系合金焊条弯曲开裂的关键因素，并根据分析结果给出了防止横向弯曲开裂的优化措施（焊道排布、成形控制等）。该研究对同类型的案例处理具有一定的参考意义。 试验材料及方法 1 焊接坡口形式为单V形带反面清根，清根深度0.5~2 mm，装配间隙1~3 mm，见 图2 图2 ，两侧母材均为X7Ni9钢，焊材采用奥钢联伯乐的高镍型焊材ENiCrMo-6（UTP Soudonel D），母材和焊材的化学成分分别如 表1 表1 、 表2 表2 所示，相关焊接参数如 表3 表3 所示。 C Si Mn P S Cr Ni 0.04 0.2 0.72 0.003 0.001 0.04 9.12 Cu Mo Nb V Ti Al 0.02 0.01 0.016 0.002 0.003 0.02 C Si Mn P S Cr 0.04 0.3 3.0 0.004 0.003 12.8 Mo Ni W Cu Nb Fe 5.9 REST 1.4 ＜0.1 1.4 4.9 焊接 方法 焊条型号 规格 /mm 极性 电流 /A 电压 /V 焊接速度 /（mm·min -1 ） 焊条 电弧焊 ENiCrMo-6 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412200&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412215&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412228&type= 1.79999995 1.99830532 2.646 3.2 AC 125 24.5 168 试验采用多层多道焊的坡口填充方式，正面（序号1）焊接完成后，对根部焊缝进行清根，并执行PT检验确认清根效果，然后继续焊接背面（序号2）焊缝，直至完成全部焊接。 焊后制备试验试样并进行理化和力学性能检测，检测结果如 表4 表4 所示。其中，拉伸、冲击、硬度、宏微观检测均合格，弯曲试验存在超标裂纹（3 mm）甚至存在整个试样断裂的情况。 序号 试样编号 试验内容 试验类型 试验结果 1 H1 硬度试验 接头硬度 合格 2 MA1&MI1 金相试验 接头宏微观 合格 3 T1 拉伸试验 横向拉伸 合格 4 T2 拉伸试验 纵向拉伸 合格 5 K1-K3 冲击试验 焊缝冲击 合格 6 K4-K5 冲击试验 热影响区冲击 合格 7 P1 弯曲试验 横向面弯 ＞3 mm裂纹 8 P2 弯曲试验 横向背弯 断裂 试验结果分析 1 弯曲试样裂纹分析 2 弯曲试样开裂位置位于焊缝宽度方向正中心（同时也是弯曲试验考察面的正中心位置，该位置代表弯曲试验考察最严格的区域）。从缺陷表面形貌可以观察到开口形貌符合裂纹张开形貌，但是开口处并不存在明显的气孔、夹渣、未熔合等易引发裂纹形成的宏观焊接缺陷，因此初步怀疑可能是试样表面存在微观显微裂纹（镍基热裂纹），在弯曲作用力的催动下延展开裂。 为进一步确认缺陷产生原因，截取试样裂纹扩展截面区域（见 图3 图3 ）进行分析（非断裂试样），以观察裂纹的开展情况，如 图4a 图4a 所示。同时在临近断裂区域取样进行金相组织分析，以确认是否存在镍基焊材本身易产生的热裂纹（结晶裂纹），晶粒是否粗大（热输入过大导致）导致韧性下降，如 图4b 图4b 所示。由 图4a 图4a 可知，裂纹穿晶延展，说明在裂纹扩展的过程中，应力起主导作用，焊缝晶界并不存在易导致裂纹扩展的结晶裂纹或者说晶界结合强度良好，并且能起到一定的阻碍作用。由 图4b 图4b 可知，焊缝为单相奥氏体组织，晶界结合完好，无结晶裂纹，晶粒度评级4.5，介于粗晶和细晶之间，属正常范围。 1;2; 使用扫描电镜对弯曲试样断口区域进行分析，电镜扫查结果如 图5 图5 所示。由 图5a 图5a 可知，裂纹的扩展是由焊缝外表面→焊缝中心→焊缝内表面扩展，主纹源位于焊缝外表面，向试样内部开裂；焊缝中心区域的气孔带同样为裂纹源，向试样的外表面和内表面同时扩展。由图 5b 5b 、 5c 5c 、 5d 5d 可知，断口形貌沿厚度中心分开左右两种形态，左侧为高塑性形变区，在断裂前发生了较大的塑性变形；右侧为低塑性形变区，断裂时快速扩展，断口区域的塑性变形量明显低于左侧区域，说明其未对裂纹的扩展产生有效的抑制作用。综上，焊缝本身的表面质量良好，弯曲过程中由于受到了过量的拉伸导致超过焊缝本身的塑性储备极限产生裂纹开口，因而左边呈高塑性形变形貌特征，裂纹向中扩展，遇到焊缝中心的气孔带缺陷，在二者共同作用下，引发右半区的快速开裂，形成低塑性形变形貌特征区；上述分析表明，试验表面被过度拉伸以及焊缝内部的气孔缺陷是产生断裂的主要原因。 1;2;3;4; 试样弯曲过程有限元仿真 2 通过前文分析，锁定裂纹的起源是过度的外加载荷所致，为确定过度外加作用力产生机理，同时基于背弯结果比面弯结果更差的思考分析（通常情况下，由于清根精度的差异，面弯焊缝金属填充量更多，背弯金属填充量更少），采用以焊缝宽度作为变量对弯曲试验过程进行模拟仿真。 本文采用ABAQUS软件，以不同焊缝宽度为考察变量（定性对比分析，焊缝宽度设置与实际焊接有差异），以弯曲最终状态被考察面的等效塑性应变量表征裂纹倾向，对试样横向和纵向弯曲过程进行模拟，分析不同焊缝宽度对弯曲考察面产生裂纹倾向的影响。模拟分析条件设置如 表5 表5 所示，弯曲试验初始状态示意如 图6 图6 所示。 模型 类型 母材 焊材 厚度/mm 宽度/mm 长度/mm 弯曲半径/mm 跨距/mm 焊缝宽度/mm 弯曲角度/（°） 模型一 横向弯曲 X7Ni9 ENiCrMo-6 5 30 200 20 32 20 180 模型二 横向弯曲 X7Ni9 ENiCrMo-6 5 30 200 20 32 10 180 模型三 纵向弯曲 X7Ni9 ENiCrMo-6 5 50 200 20 32 20 180 模型四 纵向弯曲 X7Ni9 ENiCrMo-6 5 40 200 20 32 10 180 应力集中导致裂纹扩展，应变集中是产生裂纹的根源。提取结果中等效塑性应变结果进行裂纹敏感性表征。不同焊缝宽度下，模拟横向弯曲试验、纵向弯曲试验过程的等效塑性应变结果见 图7 图7 、 图8 图8 。 1;2; 1;2; 对比 图7 图7 可知，焊缝宽度大时，受弯面母材和焊缝的塑性应变小且更为均衡，接触面贴合程度更好；焊缝宽度小时，受弯面母材的塑性应变量小（熔合线区域最为明显），焊缝中心塑性应变大，接触面贴合程度差，与 图1b 图1b 实物变形情况一致。 对比 图8 图8 可知，对于纵向弯曲结果，焊缝宽度差异对弯曲结果几乎无影响。这是由于母材与焊缝材质不同，为异质焊缝，屈服强度差异较大，横向弯曲时母材和焊材变形不同步，焊缝越窄，差异越大，表现为滚轴与试样贴合程度越差，试样呈锥形，实际弯曲半径更小，试验条件更为严格，产生过拉伸，从而产生裂纹；纵向弯曲时，母材和焊缝受力结构改变，两者变形动作基本趋于一致，表现为滚轴与试样贴合程度较好，符合正常试验条件下的考察条件，避免了过拉伸的情况。 工艺改进措施 1 通过前文分析，确定产生弯曲裂纹的原因由以下几个因素共同作用导致：（1）焊缝与母材为异质焊缝，屈服强度差异大，弯曲过程变形不同步，超过4t弯曲半径的标准要求，导致焊缝在试验过程中被过度拉伸。（2）试板厚度选用不合适，导致填充金属量不足，因而塑性储备不足，易发生开裂。（3）焊材规格选用不当，导致无法进行合理的排道，背部清根区域焊缝填充量不足。（4）焊接气孔的存在，导致内外部同时存在裂纹源，加速了裂纹的扩展。 针对上述分析，相应的工艺改进措施如下： （1）当母材和焊材屈服差异较大且试板厚度较薄时，不建议采用横向弯曲试验考察试样受弯时的抗裂性能，以避免试验结果失真影响判断。 （2）通过选用更厚的试板（≥10 mm），较小规格的焊材（ http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412229&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412202&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412217&type= 2.26000023 2.50898361 3.704 2.5 mm），增加坡口尺寸、清根尺寸，来增加单层焊道排布数量，以增加整体的焊缝宽度（目的是获得窄而厚的焊道，不能通过增加单道焊缝的宽度来获取更宽的焊缝，以免导致单道焊缝强度不够），使焊缝具有足够的塑性储备，可以避免因焊缝和母材屈服强度差异引起的焊缝过拉伸，如 图9 图9 所示。 正确　　　　　　　　　错误 （3）通过控制根部焊道成形来减少气孔的产生，从而减少焊缝内部的裂纹源，见 图10 图10 。 正确　　　　　　　　　错误 结果验证 1 为进一步验证分析以及工艺改进措施的合理性，采用 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412203&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412232&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412204&type= 2.26000023 2.50898361 3.704 2.5 mm规格焊材，试板选用5 mm X7Ni9钢板，根部焊道采用如 图10 图10 所示方法，分别对宽焊缝和窄焊缝的横向弯曲对比试样、宽焊缝和窄焊缝纵向弯曲对比试样进行分析，结果如 图11 图11 所示。由 图11 图11 可知，当焊缝宽度足够时，面弯和背弯均完好；当采用纵向弯曲试验考察时，宽焊缝和窄焊缝的弯曲也均完好；当采用横向弯曲试验考察时，宽焊缝完好而窄焊缝产生开裂。对比试验验证结果与分析一致，且工艺改进措施验证有效。 1;2;3; 结论 1 本文采用有限元分析与工艺试验相结合的方式，研究了X7Ni9钢薄板采用焊条电弧焊工艺焊后横向弯曲开裂的原因以及相应的工艺改进措施，结论如下： （1）在确定焊缝本身质量符合要求的前提下，X7Ni9钢薄板焊后弯曲开裂的主要原因为母材和焊材的屈服强度差异导致焊缝弯曲表面被过度拉伸，从而引起试验结果评价失真。 （2）工艺改进措施为采用窄而厚的焊缝形态，增加焊道排布数量，从而增加焊缝整体宽度，以此保证焊缝考察面受拉伸时具有足够的塑性储备，避免试验结果误判。 （3）焊接过程中需要通过控制焊缝成形来减少9%Ni钢焊接时易产生的气孔缺陷，提高焊缝本身的内部质量，从而减小交互影响。 参考文献 韦宝成 ， 杨尚玉 ， 孙昕辉 . 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