一种9Ni钢埋弧横焊用烧结焊剂的研制

0 前言

随着国内石油资源短缺和国家环保力度的加大，天然气的产量和消耗持续增大[1]。9Ni钢因具有良好的低温韧性，低线性热膨胀系数及较高的性价比而成为液化天然气(Liquefied natural gas，LNG)储罐建造的主要材料之一，在LNG储罐建造过程中，综合考虑强度、韧性、热膨胀系数、价格和安全性，目前广泛使用Ni基焊材。

目前，9Ni钢配套焊材主要由欧、美、日等发达国家所垄断，采购成本较高，周期较长，对国内LNG项目的实施有一定的局限作用，9Ni钢配套焊材国产化是近几年焊材行业发展的关注焦点之一。9Ni钢埋弧横焊工艺具有接头质量可靠、高效的优势，对于埋弧焊丝，由于国内冶金技术的发展，能够很好的开展相关技术研究及产品研制。配套的埋弧焊剂一直是制约国产埋弧焊材的一个关键因素。文中研制出一种氟碱性渣系烧结焊剂与实际工程应用较广泛的NiCrMo-4焊丝匹配，用于9Ni钢横焊位置焊接具有脱渣性优良、焊缝成形均匀、焊道铺展及润湿性好、熔敷金属低温冲击韧性稳定等特点。

1 焊剂成分设计

1.1 渣系选择

9Ni钢的埋弧焊主要通过焊丝向焊缝过渡合金，而焊剂主要起到保护、脱氧和微合金化焊接冶金作用。焊剂主要由合金剂(脱氧剂)和造渣剂组成。合金剂可以降低焊缝金属中的含氧量，减少焊缝金属中氧化物的夹渣，控制氧化夹渣物的形态和尺寸。造渣剂对焊剂的工艺性能(脱渣性、焊缝成型均匀性、铺展性及润湿性等)起主要影响作用。

9Ni钢储罐服役条件为-165 ℃，为低温深冷服役条件，对焊缝的低温韧性要求高。在氟碱性烧结焊剂中，氧易与熔渣中Si结合降低其活度形成SiO2，使焊缝脱氧，减少合金元素的烧损，有利于提高焊缝金属的纯净度及低温冲击韧性。NiCrMo-4镍基合金焊丝在焊接时，热裂纹敏感性较高，主要是由于存在低熔点物质硫化镍(熔点为645 ℃)，氟碱型烧结焊剂含碱性氧化物较多，有利于清除S，P等杂质，确保良好的抗热裂纹性。综上所述，文中选择基于CaF2-MgO-SiO2-Al2O3氟碱型渣系的烧结焊剂。

1.2 焊剂碱度设计

焊剂的碱度对焊缝低温韧性及焊接工艺性有较大的影响，焊剂的含氧量与其碱度成反比，提高碱度可以降低焊缝中的含氧量。焊剂的碱度越大，焊缝的含氧量越低，焊缝中的夹杂物就越少，焊缝金属的低温冲击韧性越高。但焊剂碱度太高时，工艺性能变差，造成施焊困难，碱性焊剂的碱度一般控制在2.5～3.2。综合考虑镍基合金焊接材料的焊接特性，设计焊剂的碱度值为BI=2.6～2.8。

1.3 焊剂成分确定

氟碱性渣系中，CaF2≥15%，CaO + MgO+ MnO+ CaF2≥50% ，SiO2≤20%。综合上述情况，配方设计时，文中选择萤石、镁砂、氧化铝、硅灰石作为焊剂的造渣剂材料，其中萤石具有稀渣降低渣熔点的作用，其含量过多时，不利脱渣和焊接过程中电弧的稳定燃烧，镁砂可以提高渣的透气性，降低渣的黏度，氧化铝可以代替SiO2，起到改善脱渣的作用，硅灰石在高温下分解成SiO2,CaO，起到改善脱渣和清洁焊缝金属的作用，选用钾/钠比例为3:1的水玻璃作为粘结剂，水玻璃中含有较低电离能的钾有利于焊接的起弧及焊接过程中电弧的稳定，使焊剂在横焊位置更具工艺性方面的适应性，水玻璃模数选定为2.8，可以确保焊剂生产过程中的造粒性及焊剂颗粒的分布适度。

所设计的合金剂中，采用锰硅合金作为脱氧剂。在焊剂中添加一定量的MnO，以确保焊缝中锰元素的含量。

2 试验参数设计

采用正交试验法进行了造渣剂、合金剂的含量对焊剂的脱渣性、焊道铺展性、润湿性、焊缝成型均匀性及熔敷金属力学性能影响作用试验研究，确定了最佳组分范围、影响工艺性及力学性能的主要组份因素。根据试验结果的最佳组分范围及实施例见表1。

表1 焊剂主要成分 (质量分数，%)

类别CaF2CaO + MgOAl2O3+MnOSiO2+ TiO2+K2O+Na2O合金剂其它范围21～2532～3819～2517～221～50.5～1.0实施例243321183.50.5

3 焊接试验及性能分析

3.1 焊接试验工艺

熔敷金属试板焊接参考SFA 5.14—2005《锅炉和压力容器规范标准》，按照实施例制备埋弧焊剂一份，匹配NiCrMo-4镍基合金焊丝，焊丝直径为2.4 mm，焊丝主要化学成分见表2。试验母材为9Ni钢板，试验试板及坡口尺寸如图1所示。采用林肯MZ-1250型号埋弧焊接电源在水平位置进行熔敷金属试板焊接，熔敷金属试板焊接工艺参数：直流反接，焊接电流350 A，电压30 V，焊接速度40 cm/min。采用林肯MZ-1250型电源匹配勒肯埋弧横焊专用装置进行埋弧横焊工艺性试验，横焊工艺参数：①交流(AC)，焊接电流320 A，电压28 V，焊接速度28～50 cm/min。②直流反接，焊接电流320 A，电压28 V，焊接速度28～50 cm/min。

(1)对于北部湾经济区产权市场一体化的测度，这里选取5个北部湾经济区中具有代表性的城市：南宁、北海、防城港、钦州，通过其商品房销售额与地区GDP的比值来判断北部湾经济区产权市场的整合程度。经过数据的查阅和相关计算得到以下表格：

文中采用三种常用匹配ERNiCrMo-4焊丝烧结埋弧焊剂进行试验，三种焊剂分别为：国外品牌焊剂OK10.99、文中配方焊剂SJ104及国产焊剂SJ601，三种焊剂成分见表3。

综上，MRI联合PSA可提高对前列腺癌诊断和治疗效果评估的准确率，但在前列腺癌的临床诊治过程中，应综合考虑患者病情、经济情况和医疗条件等情况，充分发挥各种检查的优势。

表2 NiCrMo-4化学成分(质量分数，%)

CSiMnSPCrFeCoCuMoWNi0.008 00.0100.5400.001 60.008 015.585.570.0670.05615.593.82余量

表3 三种焊剂主要成分 (质量分数，%)

焊剂CaF2CaO + MgOAl2O3+MnOSiO2+ TiO2+K2O+Na2O合金剂其它OK10.9923342116——SJ104243321183.50.5SJ601418427——

3.2 焊缝形貌及性能测试

考虑到9Ni钢母材易产生磁偏现象，分别采用交流(AC)和直流(DC)两种模式对比试验，试验结果表明两种模式下电弧稳定性均良好，在直流模式下施焊过程中，没有发现明显的磁偏现象。

直流反接模式埋弧横焊位置工艺性试验焊道成形如图2所示，由图可知，三个焊剂在铺展性、润湿性及焊道成形均匀稳定性方面基本相当，在脱渣性方面，OK10.99焊剂及SJ104焊剂明显优于SJ601焊剂。总之，在工艺性方面，基本上达到OK10.99焊剂的工艺水平。

图1 试验试板及坡口尺寸图

图2 埋弧横焊焊道成型

熔敷金属拉伸及冲击试样取样图如图3所示。参考GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验室温试验方法》及GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》分别进行室温拉伸及-196 ℃低温冲击试验，试验结果见表4。由试验结果可知，SJ601焊剂、OK10.99焊剂及SJ104焊剂冲击吸收能量值在100 J以上，SJ601焊剂存在低值，其冲击吸收能量的稳定性相比OK10.99焊剂及SJ104焊剂较差。三个焊剂冲击试样侧向膨胀量均大于LNG储罐工程设计技术要求的0.38 mm。拉伸试验结果显示三个焊剂的结果均满足LNG储罐设计技术要求，SJ601焊剂抗拉强度及屈服强度稍偏低。

图3 拉伸、冲击试样取样位置图

由表5可知，SJ601,OK10.99及SJ104焊剂熔敷金属主要成分的化学成分相差不大，三个焊剂的熔敷金属中S,P元素含量基本相当。SJ104焊剂在原材料选择时，选择了低S,P的材料，同时焊剂配方中有大量的CaO等氧化物起到降低熔敷金属中S,P元素的作用。

1.2.2.1 基础护理 在止血完成之后,让产妇平卧,抬高其下肢,给予产妇持续性低流量吸氧,保障产妇呼吸道的畅通,做好保暖工作,观察产妇呼吸、血压、小便颜色、脉搏、子宫恢复、心肺功能情况,记录好尿量与补液量。为患者进行心理护理,之前和患者沟通,介绍治疗情况,减轻患者的心理负担。

表4 力学性能试验结果

类别(-196 ℃)平均冲击吸收能量KV/J冲击侧向膨胀量δ/mm非比例延伸强度Rp0.2/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)设计要求均值≥70,单值≥49≥0.38 ≥430≥690≥35.0SJ6011041.16,1.00,1.10,1.30,1.25434 697 45.0OK10.991061.06,0.98,1.03,1.11,1.06441 709 45.5SJ1041051.10,1.16,1.00,1.26,0.98447 703 46.5

表5 熔敷金属化学成分(质量分数，%)

类别CSiMnPSCrMoFeWCoNiSJ6010.0150.3930.670.0340.005 914.8812.4414.623.170.02252.8OK10.990.0140.3600.680.0340.005 914.8012.4114.713.270.02152.8SJ1040.0150.3470.700.0350.005 714.7312.3214.523.210.02253.2

参考GB/T 11261《钢铁氧含量的测定脉冲加热惰气熔融-红外线吸收法》、GB/T 20124《钢铁氮含量的测定惰性气体熔融热导法(常规方法)》、GB/T 223.82《钢铁氢含量的测定惰气脉冲熔融热导法》，采用ONH-2000气体分析仪对三份熔敷金属进行气体含量检测试验，试验结果见表6。由试验结果可知，三份焊剂对应的熔敷金属气体含量相差不大。

表6 熔敷金属气体含量(质量分数，%)

类别ONHSJ6010.0510.0180.000 73OK10.990.0520.0200.000 70SJ1040.0510.0190.000 75

基于巴东拘束对接裂纹试验既可以验证冷裂敏感性也可以用于验证热裂纹敏感性。巴东试验试件及坡口如图4所示，文中采用巴东试验分别对三个焊剂进行了横位置的抗裂性试验，三个焊缝的磨片均无裂纹，说明三个焊剂形成的焊道裂纹敏感性倾向均较低。

图4 巴东试验试件及坡口示意图

4 焊缝夹杂及组织分析

4.1 夹杂物分析

镍基合金焊缝组织主要是奥氏体组织，奥氏体组织韧脆性转变温度一般低于-196 ℃，在高于韧脆转变温度的条件下，焊缝金属清洁度是影响其冲击韧性的主要因素，夹渣物的数量、形貌及尺寸是综合表征焊缝金属夹渣物的重要标尺，因此有必要对熔敷金属的夹渣物进行分析。

把数量关系的研究转化为图形性质的研究,或者把图形性质的研究转化为数量关系的研究,这种解决问题过程中“数”与“形”相互转化的研究策略,就是数形结合的思想．

对SJ104及OK10.99焊剂熔敷进行金属夹杂物及金相组织分析，分析结果如图5所示，由图可知，两个熔敷金属的夹杂物均呈球形，直径较小，在镜头视野内，国外品牌焊剂熔敷金属最大的一颗夹渣物尺寸为1.457 μm，SJ104最大的一颗为1.247 μm，其余的均在几百纳米或者更小，夹杂物呈非连续状态分布。SJ104焊剂熔敷金属夹杂物与国外品牌焊剂熔敷金属夹杂物的形貌、数量及尺寸基本相当。尺寸较小的夹杂物直径<2 μm，可通过组织转变来影响熔敷金属的力学性能。较大尺寸夹杂物(直径>2 μm)会增加熔敷金属对裂纹的敏感性，并造成韧性以及疲劳强度的下降。文中熔敷金属中的夹杂物尺寸、形貌及数量有利于熔敷金属获得较好的韧性。

图5 熔敷金属中夹渣物

4.2 金相组织

图6为OK10.99及SJ104焊剂熔敷金属的金相组织。由图中可看到，熔敷金属组织主要为树枝状奥氏体+少量晶界析出物，通过扫描电镜分析发现析出物主要为钼化物析出相，结果如图7所示，钼元素是镍基合金系焊丝中重要的一种元素，可以起到提高抗热裂性的作用。另一方面，过量的钼元素会使熔敷金属的低温韧性和塑性降低，在镍基焊接材料中，需要平衡铁、铬、钨、钼等元素含量，实现熔敷金属的抗热裂和低温韧性均良好的平衡。少量的晶界钼化合物析出相表明熔敷金属具有良好的抗热裂性能。

图6 熔敷金属的金相组织

图7 晶界析出物

5 结论

(1)文中研制的SJ104焊剂匹配NiCrMo-4焊丝采用埋弧焊在横焊位置施焊具有良好的焊接工艺性。

1883(明治16)年9月，东京大学文学部哲学科在日本首次使用“东洋哲学”作为课程名称。担任讲课老师的是东京大学第一届毕业生井上哲次郎，但规划开此东洋哲学课的是综理加藤弘之。

(2)SJ104焊剂匹配NiCrMo-4焊丝熔敷金属低温冲击吸收能量均匀稳定，-196 ℃冲击吸收能量均值大于100 J。

(3)SJ104焊剂熔敷金属气体含量较低，夹渣物的形貌基本为圆形，数量较少，夹渣物尺寸较小，呈非连续状分布。焊缝金属清洁程度达到了OK10.99焊剂熔敷金属的水平。

(4)文中基于CaF2-CaO-MgO-Al2O3氟碱性SJ104焊剂能够有效控制熔敷金属中S,P元素含量，有效降低了熔敷金属的裂纹敏感性。

在全面预算管理实施中，许多房地产企业预算方案不能实效执行，预算管理机构仅在预算编制中发挥作用，在执行过程中在重要的经营环节中没有建立起将预算指标作为管控的标准，没有相应的费用超支预警机制，发生成本费用的偏差无法快速及时的处理。有的针对结果进行分析，只做到事后评价，事中控制作用差。在预算考核上指标固化，可变因素考虑不周，用预算标准考核责任单位和责任人时，往往参杂太重个人感情，不公平、不合理、不到位，考核结果脱离实情，加上激励机制不完善，考核变成形式。

(5)SJ104焊剂熔敷金属性能满足LNG工程设计要求。

（36）天德大德，陰陽柔剛，號今刑德，起置行藏。（《太上說玄天大聖真武本傳神呪妙經註》卷六，《中华道藏》30/576）

参考文献

[1] 檀学燕.中国进口液化天然气可持续发展战略[D].北京：中国地质大学博士学位论文，2012.

[2] Mahin K W, Morris J W， Watanabe I.A review of the development of ferritic consumables for the welding of 9%-Nickel steel: research in the U.S. and Japan[J].Advances in Cryogenic Engineering Materials,2013,4980:187-199.

[3] Ushio M,Matsuda F.Effect of oxygen on stabilization of arc in 9%-Ni-steel GMA welding[J].Transaction of JWRI,1978,7(1):93-100.

[4] 王占冲.埋弧焊焊缝出现气孔的因素分析[J].热加工工艺， 2015， 44(15):239-241.

[5] 刘长江,陈丽娟,杨春雨,等.新型Ni102B焊条的研制[J].汽轮机技术,2002(2):124-125.