毕业设计（论文）9Ni钢焊接热影响区组织及残余应力分析

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1、9 Ni钢焊接热影响区组织及残余应力分析摘要：本文首先对焊接残余应力的测试方法和有限元分析的基本原理进行了阐述。在对钢板焊接残余应力模拟分析过程中，本文采用ANSYS软件的热一结构耦合功能，利用改变单元属性法、生死单元法对对接焊缝在焊接过程的残余应力进行了模拟分析，通过ANSYS软件实现焊接热源的移动加载。最后通过后处理，得出了不同时刻焊缝处各点的温度分布曲线及焊缝部位残余应力的大小及分布规律。通过研究和实例验证，本文建立了可行的对接焊缝的三维温度场、残余应力的动态模拟分析方法，为复杂的焊接钢结构进行三维焊接温度场、残余应力的分析提供了理论和指导，促进了有限元分析方法在焊接力学在实际工程中的作

2、用通过对大型LNG低温储罐用9Ni钢的焊接性能的研究，掌握国产两种9Ni钢的两种焊接工艺，主要包括手工电弧焊和埋弧自动焊对所得的焊接接头进行质量检测，并进行硬度试验、金相试验.并观察两种工艺下的金相组织。综合研究此两种焊接工艺所得的两种9Ni钢焊接接头的综合性能，获得合适的焊接工艺。本文经过上述两种焊接工艺对国产9Ni钢和适用的焊接工艺进行了详细研究，取得进展。研究表明了，国产9Ni钢在两种焊接工艺都能获合格的焊接接头，对焊接工艺的研究获得了成功。关键词：9Ni钢；焊接工艺；数值模拟Subject：9Ni steel welding heat affected zone and residua

3、l stress analysisAbstract ：The paper firstly describes the testing methods of welding residual stress and the basic theories of finite element analysisIn the processing of numerical simulation of the steel plate welding residual stress，with the thermalstructure coupling function of Ansys software an

4、d the method of changing elements type or“Birth and Death”This paper deals with simulation analysis of the residual stress for the welding process of the butt weldingIt uses Ansys to apply moving heat source loadFinally temperature distribution curve of each point and the size and distributed rules

5、of the welding residual stress in welding lineThrough the research and practical verification,this paper establishes a feasible dynamic simulation method on 3-D welding temperature field and residual stress field of butt welding plane，providing the theoretic analysis of residual stress and instructi

6、on, promoting the application of Finite Element Method on welding mechanics analysis and engineeringThrough to the largescale LNG low temperature storage tank with the 9Ni steel welding performance research，grasps the domestically produced two kind of 9Ni steel and four kinds of welding processes，ma

7、inly including shielded metal arc welding、argon tungstenarc welding union melt carries on the quality examination to the obtained weld joint，and carries on the hardness test，the metallographic testThe synthetic study on two kind of 9Ni steel weld joint overall performance obtained by this two kind o

8、f welding process and obtains the appropriate present paper passed through the above two kind of welding process the 9Ni steel welding performance and the suitable welding process to the domestically produced9Ni steel has conducted the dissect，made more Success.Key words：9Ni steel;Welding procedure

9、qualification;numerical simulation目 录1. 绪 论11.2 低温钢简介21.2.1 低温钢的概念21.2.2 低温钢的分类21.2.3 低温钢的性能要求31.3 9Ni钢的发展现状31.4 化学成分对9Ni钢的影响51.5热处理对9Ni钢的影响51.6 9Ni钢的焊接性能71.7 9Ni钢焊接热影响区的低温韧性71.8 焊接残余应力的概念及残余应力产生的原因81.9 研究内容92. 国内9Ni钢的焊接工艺研究112.1 9Ni钢焊接工艺研究的目的和意义112.2 国产9Ni钢的化学成分和机械性能112.3焊接材料选择和焊接试件加工112.4 焊接工艺研究12

10、2.4.1 手工电弧焊焊接工艺122.4.2 埋弧自动焊焊接工艺162.5 9Ni钢焊接接头低温冲击试验193.1试样的浸蚀243.2 国产9Ni钢焊接接头金相试验结果243.3试验结果及分析254. 用ANSYS12.0对9Ni钢焊缝热应力分析264.1 Ansys概述2642焊接温度场的模拟计算27421前处理27422载荷施加和求解284.2.3后处理284.3焊接应力场模拟计算294.3.1焊接应力场的ANSYS求解294.3.2定义边界条件和施加载荷294.3.3 后处理304.4 9Ni钢焊缝热应力分析304.4.1 研究对象、材料热物理性能及力学性能304.4.2 有限元模型的建

11、立314.4.3 温度场与应力场计算325. 结论41参考文献42致 谢43附 录44西安石油大学本科毕业设计（论文）1. 绪 论课题背景液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称LNG)就是将开采出来的天然气经过深度净化处理，在常压162的低温条件下使其转化为液体，体积缩小625倍，便于进行长距离的安全运输。近年来全球LNG的生产和贸易日趋活跃，正在成为世界油气工业新的热点。为保证能源供应多元化和改善能源消费结构，一些能源消费大国越来越重视LNG的引进，LNG将成为石油之后下一个全球争夺的热门能源商品。据英国坎特伯雷Dougas-Westwood公司发布的20052009年

12、全球LNG(液化天然气)研究报告显示，未来4年LNG基础设施建设将呈现强劲增长势头，预计2005-2009年，全球用于LNG础设施建设的基本建设费用将超过670亿美元 。当前中国经济持续快速的发展势头仍在继续，在国际石油价格节节升高的情势之下，中国的能源危机越发显得更加严重。如果能在中国大力发展LNG，则可以在很大程度上可弥补石油资源不足、保证能源供应的多元化、逐步提高我国环境质量，并且对我国的西气东输也能起到互补的重要作用。从1994年以来，我国已先后开展了广东、福建和华东三地的LNG港址比选工作，目前，正在深圳大鹏湾秤头角建设我国第一个LNG接收终端；广东第二个LNG接收站拟选址珠海市，并

13、首选高栏港的平排山为站址。福建湄洲湾的LNG接收站正在开展设计工作，该项目总接收能力为460104t。江苏如东、浙江宁波等地的LNG接收站也在抓紧进行前期准备工作。上海LNG接收站项目目前进入实质性阶段，项目按年接收600万吨设计。预计2008年建成投产的浙江宁波LNG接收站项目也已取得实质进展，项目由接收站、码头、输气干线及液化天然气电厂组成。LNG通常由专用运输船从生产地输出终端运到接收终端，经再气化后外输至用户。LNG接收终端主要包括LNG运输、接收、再气化、外输工艺链。要建造大型液化天然气的设备和储运设施，甚至于输运液化天然气的槽船，利用液化天然气船、槽车或短距离管道进行运送。这一切设

14、施少不了使用低温钢。LNG储罐中内罐材料的选择是设计中最重要的一个技术经济问题。(1)应具有足够的强度(包括疲劳强度)；(2)在使用温度范围内，应具有充分的韧性，不会产生脆性破坏；(3)具有良好的加工性和可焊性。能够满足这些条件，适宜建造LNG储罐的材料有9Ni钢、铝合金。9Ni钢以其低温韧性好，强度高，热膨胀系数小等主要优点，因此逐渐成为了在LNG槽船、储罐等设备建造中使用的最多的材料。由于无论LNG槽船或槽车，接触LNG的部件都是在极低的温度下工作的，因此研究LNG储罐中内罐材料低温条件下的韧性是一个重要的技术问题。而到目前为止，我国对低温钢材料的研究并没有形成一个完整的体系，目前正在建造

15、的大型低温贮罐大都使用美国ASME规范的镍系低温钢材料，国内关于大型LNG储槽的研究尚处于起步阶段，对于LNG储槽的设计和建造还缺乏足够的知识和经验。因此展开对大型LNG低温储槽用9Ni钢的研究和技术攻关是十分必要的。而9Ni钢的焊接工艺更是在世界上仅有几家企业掌握。因此，9Ni钢焊接工艺的研究成为低温容器施工单位迫切需要解决的一个重大课题。9Ni钢作为焊接结构用钢，在进行焊接加工时，其焊接热输入将会影响到热影响区的组织性能，使低温韧性下降。所以研究其焊接热影响区的低温韧性的变化，检测其能否满足实际工作要求，是9Ni钢研究的关键环节之一。而焊接热模拟技术是利用焊接热模拟机在试样上重现焊接热影响

16、区的焊接热循环，使焊接影响区各窄小的特定温度区得以放大，并与焊接热影响区的组织性能有着良好的吻合性，在焊接研究中发挥着重要的作用。1.2 低温钢简介1.2.1 低温钢的概念用于制造20-253。C低温下工作的储存和运输各类液化气体的设备，因此这类钢必须具备的最重要的性能是抗低温脆化。通常将各种液化石油气、液氨、液氧、液氮等生产、储存容器和输送管道以及在寒冷地区服役的设备，称为低温容器，制造这些容器所用的钢，统称为低温钢。1.2.2 低温钢的分类(1)按使用温度等级分类：分为-10-40、一50-90、-100-120、和-196273等级低温钢。(2)按合金含量和组织分类：分为低合金铁素体型低

17、温钢，中合金低碳马氏体型低温钢和高合金奥氏体型低温钢。(3)按有无镍、铬元素分类：分为无镍、铬低温钢和含镍铬低温钢。含镍主要包括05Ni、15Ni、25Ni、35Ni、5Ni和9Ni钢。不含镍的有09Mn2V、09MnTiCuRe、06MnNb、06AICu，06AINbCuN等。(4)按热处理方法分类：分为非调质低温钢和调质低温钢。(5)按晶体点阵类型分类：分为体心立方的铁素体低温钢和面心立方的奥氏体低温钢两大类。铁素体低温钢一般存在明显的韧性脆性转变温度，当温度降低至某个临界值(或区间)会出现韧性的突然下降。因此，铁素体钢不宜在其转变温度以下使用，一般需加入Mn、Ni等合金元素，降低间隙杂

18、质，细化晶粒，控制钢中第二相的大小、形态和分布等，使铁素体钢的韧性脆性转变温度降低。铁素体低温钢按成分分为三类：低碳锰钢(C 0.05-0.28%，Mn O62%)。使MnC=10，降低氧、氮、硫、磷等有害杂质，有的还加入少量铝、铌、钛、钒等元素以细化晶粒。这类钢最低使用温度为-60左右。低合金钢。主要有低镍钢(Ni20)、锰镍钼(Mn0.6-1.5,Ni 0.21.O，Mo O.4-0.6，C郢25t粉、镍铬钼钢fNi0730，Cr042O，MoO2-4)6，C郢25)。这些钢种的强度高于低碳钢，最低使用温度可达一110。C左右。我国研制了几种节镍的低温用低合金钢如09Mn2V等。中(高)合

19、金钢。主要有6Ni钢、9Ni钢、36Ni铜。其中9Ni钢是应用较广的深冷用钢，这类高镍钢的使用温度可低至-196。奥氏体低温钢具有较高的低温韧性，一般没有韧性一脆性转变温度。按合金成分不同，可分为三个系列：FeCr-Ni系。主要为18-8型铬镍不锈耐酸钢。这种钢低温韧性、耐蚀性和工艺性均较好，已不同程度地应用于各种深冷(150-269。C)技术中。FeCr-NiMn和FeCr-NiMn-N系。这类钢种以锰、氮代替部分镍来稳定奥氏体。氮还有强化作用，使钢具有较高的韧性、极低的磁导率和稳定的奥氏体组织，适用于作超低温无磁钢(即材料的磁导率很小)。如0Cr21Ni6Mn9N和0Crl6Ni22Mn9

20、M02等在一269C作无磁结构部件。FeMn-A1系奥氏体低温无磁钢。是中国研制的节约铬、镍的新钢种，如15Mn26A14等可部分代替铬镍奥氏体钢，用于196以下的极低温区。如能改善这种钢的抗化学腐蚀能力，还可扩大其应用范围。1.2.3 低温钢的性能要求低温钢主要应具有如下的性能：韧性脆性转变温度低于使用温度；满足设计要求的强度；在使用温度下组织结构稳定：良好的焊接性和加工成型性；某些特殊用途还要求极低的磁导率、冷收缩率等。低温钢主要用于制造20-一253。C低温下工作的储存和运输各类液化气体的设备，因此这类钢必须具备的最重要的性能是抗低温脆化。要求材料具有抗脆性裂纹扩展的止裂性能。此外，从安

21、全角度考虑，希望低温钢的屈强比不要高，屈强比越大，表明塑性变形能力的储备越小，在应力集中部位的应力再分配能力越低，从而易于促使脆性断裂的产生。1.3 9Ni钢的发展现状9Ni钢是低碳马氏体型低温用钢，是美国INCO公司于1944开发的，1948年推向市场，美国首先将其应用于天然气提取液He反应塔及液氧储罐内壳的建造中。1956年得到ASTM规范认证。1963年ASTM规范认定：板厚不超过50mm的储罐可以不进行消除焊接残余应力热处理，使9Ni钢用于大型LNG成为可能。日本大规模的应用9Ni钢是从1969年横滨根岸港建成的35000m3和45000m3平底球面二重式LNG储罐开始的。随后9Ni钢

22、、ASTM A533钢在陆上LNG储罐建造上得到大量利用，而用于LNG油轮建造仅限于法国1965年建造的Jules Veme”号。70年代后期，世界上能源需求增加，陆上LNG储罐的需求增大，且不断向大型化方向发展。1980年日本建成了75000 m3LNG储罐，所用钢板板厚为27mm。1977年制定的JIS G3127规范对9Ni钢的热处理进行了要求：两次正火回火处理(NNT)和淬火回火处理(QT)。与此同时，制钢技术迅速发展，连铸技术成功应用，熔炼脱磷、转炉精炼等高纯度钢制造技术得到开发应用，这些新技术提高了9Ni的韧性。另一方面，也有新的热处理工艺例如控SUSL$4后直接淬火工艺，(属于T

23、MCP技术范畴)，通过细化晶粒和改善淬透性提高了韧性。又如，双相区热处理，在铁素体和奥氏体双相区进行加热冷却的淬火热处理，通过增加回转奥氏体含量提高了钢材的韧性，因此9Ni钢的应用日益广泛，现己制成大型LNG低温储罐，并作为LNG或液氮用钢已被世界各国普遍采用o ASME规范要求低温时使用的镍系低温钢SA353、SA553、SA645要进行低温冲击试验，并规定了其试验方法和合格标准，其中冲击试验的温度应是从受压时的最低温度或储存低温液体的温度二者之中选取的较低的温度。同时规范还规定了镍系低温钢需要焊后热处理的厚度是超过2英寸。ASME规范所推荐的镍系低温钢因其优越的使用性能，得到世界各国的广泛

24、使用。表1-2为国外典型Ni系低温钢的机械性能。我国在20世纪60年代末，研制了从40到253的无镍低温用钢，由于各种原因，这些低温钢没有得到推广应用。1983年国家标准局发布了GB3531-1983低温压力容器用低合金钢厚钢板技术条件，规定了16MnDR，09MnTiCuXtDR，09M112VDR，06MnNbDR四种无镍低温钢，使用温度从-30-90，其中09Mn2VDR最低使用温度为-70，06MnNbDR最低使用温度为90。1996年4月，国家技术监督局又发布了GB35311983的修订版即GB 35311996低温压力容器用低合金钢钢板，使用温度从-30-70。取消了旧标准中的牌号

25、09MnTiCuXtDR和06MnNbDR，新增加了15MrlNiDR和09MnNiDR两种有镍钢；09Mn2VDR最低使用温度由70改变为50。除GB3531规定的四种低温钢外，07MnNiC订BDR由于其良好的低温冲击韧性，在-40的低温冲击功值大于等于47J，在GBl501998附录中被推荐为低温用钢。2000年9月26日，国家质量技术监督局以质监标函2000】171号文发布GB3531-1996的第l号修改单，取消了09Mn2VDR牌号，自2001年1月1日起实施。至此列入国标的低温钢就只有四种了，其中16 MnDR钢是制造-40低温设备用的经济而又成熟的钢种，可制造液氨设备等；15

26、MnNiDR和09MnNiDR属镍系低温钢，具有良好的低温韧性和焊接性。这样，在我国只有标准规定的设计温度大于等于70。C的低温用材料，当设计温度低于70时就必须选用价格较贵的国外材料或不锈钢材料了。到目前为止，我国的低温钢材料没有形成一个完整的体系，而且在品种、规格尺寸、某些技术条件以及供货时问和经济性要求等方面还不能满足使用要求，我国正在建造的大型低温贮罐大都使用美国ASME规范的镍系低温钢材料。80年代，从法国引进了9Ni钢球罐两套共8台，用于液态乙烯储存。其设计压力为22MPa，设计温度为一31104C。9Ni钢一般都是薄板用于常压或微低压及超低温条件，用于制造中厚板的中压低温容器在国

27、内是第一次。通过进行大量的焊接工艺验证和焊接性、断裂韧性、安全性分析等试验研究，为9Ni钢球罐的焊接质量和安全使用提供了可靠的依据。较好地解决了球罐施工中遇到的热裂纹、冷裂纹、磁偏吹等技术问题，已有一套(4台)投入正常运行。1995年扬子石化公司在乙烯装置由30万讹扩建为40万讹工程期间，为保证下游化工生产需要和安全存储乙烯物料，在江边码头新建了一套乙烯低温储运设旖。其中，9Ni钢制作的1万m3双层结构乙烯低温储罐是工程的核心和难点。2004年，国内首个大型低温液化气项目广东LNG工程开工，共有大型储罐3台，坐落于深圳大鹏湾，毗邻大亚湾核电站，并与之共同组成中国南部沿海的新型清洁能源基地。大罐

28、单台容积16万立方米，单台结构重7000吨，直径80米，仅罐顶自重就达700余吨，被称为“远东之最”。该工程具有三大技术难点，即罐顶气吹顶升、9Ni钢壁板焊接、罐底板铺设，其中难度最大的就是9Ni钢焊接。1.4 化学成分对9Ni钢的影响9Ni钢是低碳马氏体型低温用钢，具有体心立方结构，其韧性与温度有强烈的依赖关系，即有明显的脆性转变温度。影响脆性转变温度的因素主要有晶粒度、组织结构、合金元素和杂质等11”。Ni是9Ni钢中的主要合金元素。在钢中加入Ni 85啦950的作用是：改善铁素体的低温韧性和降低脆性转变温度。降低Acl点，细化晶粒。在回火过程中能析出大约10的分散的逆转奥氏体，逆转奥氏体

29、与残留奥氏体能吸收有害杂质，提高铁素体的韧性，有利于阻止裂纹扩展。Ni的固溶，增加了基体的交叉滑移能力，减少了间隙原子与位错的交互作用。为了保证9Ni钢的韧性要严格控制其它元素或杂质的含量，最大限度地降低钢中的有害杂质元素，如硫、磷、氧、氢和氮等的含量。含碳量升高，脆性转变温度升高，所以无论从低温韧性考虑还是从焊接性考虑都要限制含碳量在O13以下。微量磷与氧就能使脆性转变温度升高，因此也必须严格限制。超低的硫、磷、氮含量显著地提高了普通低合金钢的低温冲击韧性和抗应变时效性。锰对降低脆性转变温度是有效的。因为锰同镍一样，能使铜的相变温度下降，容易得到细而富有韧性的铁素体晶粒。降低含碳量，提高Mn

30、C比，可以得到较低的脆性转变温度。近年来冶炼技术的革新，提高了钢的纯净度，高纯净化对深低温用9Ni钢的极限工作温度(一1964C)下的缺口冲击韧度起到了相当良好的作用，不仅明显地提高了钢的冲击韧性，特别是低温冲击韧性，抗应变时效性、抗回火脆性和耐蚀性，而且可大大改善其加工性能，包括焊接性和热加工性能，这对于大型(10万m3以上)LNG储罐的建造，具有十分重要的意义。1.5热处理对9Ni钢的影响9Ni钢淬火后的组织为低碳马氏体；经过正火后其组织除含有低碳马氏体外，还会出现贝氏体。9Ni钢的回火温度一般为550-580，此时其组织为含镍的铁素体及约10的富碳富镍奥氏体。碳镍均为扩大1，区的元素，M

31、。点的降低，使奥氏体具有极高的稳定性，即使冷至一200也不发生转变，因而使钢具有良好的低温韧性。当回火温度高于580时，奥氏体的含量将增多，使奥氏体中的含碳量降低，稳定性降低，低温下就发生马氏体转变。9Ni钢的等温和连续转变曲线如图11、图12所示。9Ni钢有三种热处理供货状态：双正火+回火(NNT)第一次正火为900C空冷，第二次正火为79012空冷，双正火细化了晶粒，回火温度为550-58012回火后急冷。经双正火和回火后的组织为回火马氏体与贝氏体。淬火+回火(QT)淬火温度为800，水冷或油冷。回火温度为550-580C。经淬火和回火后的组织为低碳马氏体。 两相区淬火+回火(mT) 一般

32、为800空冷，670水淬。回火温度为550580。经两相区淬火和回火后的组织为低碳马氏体。在三种热处理制度中，经NNT处理的9Ni钢，其低温韧性最差，经IHT处理的9Ni钢，低温韧性最好。原因有两点：在嘶两相区中的670C淬火处理，在相同的回火温度下，逆转奥氏体的数量比经QT处理后多。如同在560。C回火，IHT的逆转奥氏体为56，AkV77K为104J；而QT的逆转奥氏体仅为25，AkV77K为43J。用不同的温度回火处理，经QT与IHT处理的9Ni钢虽可获得同样数量的逆转奥氏体，但经QT处理的逆转奥氏体的析出部位比较集中，主要分布于原奥氏体晶界与马氏体束界上。经IHT处理后，逆转奥氏体分布

33、均匀。特别是它在马氏体板条问析出，析出的弥散性导致了9Ni钢的高韧性。1.6 9Ni钢的焊接性能由于作为LNG主要成分的甲烷，沸点是1615，这就必须有保证在如此低的温度下能安全工作的储罐材料。能在1615下安全使用的材料有9Ni钢、铝合金、奥氏体不锈钢及镍基合金等。随着储罐大型化，对制造用材也提出了强度高、加工性好、焊接性优良等要求。在上述几种材料中，9Ni钢是最经济的一种材料。9Ni钢的使用温度最低可达196，1960年以前9Ni钢只能用铁素体焊条焊接，需进行焊后消除应力的热处理，这对于制造大型储罐是一个难题。1960年lO月，采用高铬镍型焊条焊接9Ni钢成功，并通过了液氮温度下的爆破增压

34、试验。后来开发的9Ni钢的双正火+回火(DoubleNormalized and Tempered，简称NNT)热处理工艺和淬火+回火(Quenched and Tempered，简称QT)热处理工艺使其焊接不需进行焊后消除应力的热处理。1962年，ASTM规范认定：板厚不超过38mm的储罐可以不进行消除焊接残余应力热处理，1963年又扩大至U50mm，使9Ni钢用于大型LNG储罐制造成为可能。1965年法国用9Ni钢建造了第一艘LNG油轮“Jules Veme”号，舱容2584万m3。日本大规模使用9Ni钢开始于19691：横滨港建成的35万m3和45万m3平底球面二重式LNG储罐。自10年

35、通过研究证明不进行焊后消除应力处理(SR)亦可安全使用以来，就成为用于制造低温储罐的主要材料之一。9Ni钢的优异力学性能不仅取决于它的化学成分，也依赖于恰当的热处理。LNG储罐等大型焊接结构几乎都是在现场组装，因此对焊缝区进行与板材相同的热处理是不可能的。所以，一般都采用焊后能获得稳定的低温韧性的镍基合金作为焊接材料。尽管现在已研制出与母材成分相同的焊材，但是9Ni钢用焊接材料仍然以高Ni合金为主。由于母材和焊材是非同质材料，所以在焊接上也存在一些其他材料焊接中所没有的特殊问题。 1.7 9Ni钢焊接热影响区的低温韧性由于焊接过程是一个特殊的局部加热与冷却过程，它的加热速度快、加热温度高、高温

36、停留时间短、冷却速度范围较广、相交过程是在局部、有应力约束条件下进行的，这一切都使得对焊接粗晶HAZ的韧性进行研究具有其重要性。在焊接热循环的作用下，HAZ的显微组织分布极不均匀。在经历单道焊时，根据焊接时热循环峰值温度的不同，HAZ可以分为4个区域：粗晶区(Coarse-GrainedHAZ)， 细晶区(Fine-GrainedHAZ)、临界区(IntercriticalHAZ)和亚临界区(SubcriticalHAz)。一般认为，由于粗晶区在熔合线附近，有着粗大的奥氏体晶粒，冲击韧性较低。单道焊热影响区的示意图如图13所示。焊接过程中，9Ni钢热影响区的各成分虽无变化，但在1200以上峰值

37、温度的热循环作用下，过热区会产生粗大的马氏体和贝氏体组织，逆转奥氏体减少，将使低温韧性下降。因此，单道焊的粗晶区是焊接接头的韧性谷区。应尽量控制线能量并采用多道焊，以减少高温停留时间。在多道焊中，先前焊道经受了不同峰值温度的二次热循环，一般而言，当二次热循环的峰值温度处于临界两相区(AcAc3)即IC CGHAZ区时，粗晶区的韧性下降。其原因归结于粗晶粒的遗传。当二次热循环的峰值温度处于两相区以外的其它温度区间时，粗晶区的韧性有不同程度的提高，其中当二次热循环的峰值温度略高于Ac3时，一次热循环粗晶区韧性改善较明显。资料表明，像其他结构钢一样，对于经历了焊接过程的焊接热影响区(Heat-Aff

38、ected Zone，简写为HAZ)来说，普遍认为9Ni钢有两个局部脆化区域(Local Brittle Zone，LBZ)，即单道焊的粗晶区和多道焊的临界粗晶区。一般认为，相对于母材而言，粗晶区的韧性损失约为2030，临界粗晶区的韧性损失甚至可达60。9Ni钢的低温脆性转变温度VTs随焊接接头(540时)的冷却速度Wc的增大而下降。由此可见，采用ENiCrMo一6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冷却速度。1.8 焊接残余应力的概念及残余应力产生的原因焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中，某一瞬时的

39、焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随时间而变化；焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。焊接残余应力为热应力(主要为冷却应力)，相变应力可再叠加其上。在冷焊、扩散焊、滚轧敷层和爆炸敷层等情况下，冷加工作用力是残余应力的源泉，它可单独作用，也可能附加于上述热效应之上。在焊接过程中，焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热，并局部熔化。焊接区材料受热而膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的约束，并造成(弹性)热应力，受热区温度升高后屈服极限下降，热应力可部分超过该屈服极限。结果焊接区形成了塑性的热压缩，冷却后，比周围区域相对缩短、变窄或减小。因此，这个区域呈现拉伸残余应力，周围区域则承受压缩残余应力。冷却

40、过程中的显微组织转变会引起体积的变化，如果这种情况发生在较低的温度，而此时材料的屈服极限足够高，则会导致焊接区产生压缩残余应力，周围区域承受拉伸残余应力。可以运用以下的经验法则判别产生焊接残余应力的情况：构件最后冷却的区域以热应力为主时，呈现焊接拉伸应力，而以相变应为主时，呈现焊接压应力。焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊接应力按其发生源来区分，有如下3种情况：(1)直接应力这是进行不均匀加热和冷却的结果，它取决于加热和冷却时的温度梯度，是形成焊接残余应力的主要原因。(2)间接应力这是由焊前加工状况所造成的压力。构件若经历过轧制或拉拔时，都会使之具有此类残余应力。这

41、种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上去，而在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。另外，焊件受外界约束产生的附加应力也属于此类应力。(3)组织应力这是由组织变化而产生的应力，也就是相交造成的比容变化而产生的应力。它虽然因含碳量和材料其它成分不同而有异，但一般情况下，这种影响必须要加以考虑的是，发生相变的温度和平均冷却速度。焊接残余应力一般主要是由(1)情况的直接应力所造成的。在此有必要把这种温度梯度所造成的影响作更进一步的探讨。在加热过程中，一般在物体内，如果其各部分呈不均匀的温度状态时，各部分的热膨胀数量就不同，由于彼此之间相互制约就产生热应力。假定这种热应力超过了材料此时温度下

42、的屈服应力，就会产生塑性变形；塑性变形的发生，又使热应力的状态发生变化。在冷却过程中，如果各部分温度降低的不一样，热应力也会发生。从加热开始到冷却终了，焊接残余应力是作为热应力的最终状态而出现的，能给予这种残余应力以决定性影响的是各部分的温度梯度。1.9 研究内容随着工业技术的发展，各种液化石油气、液氨、液氢、液氮等的生产、贮存输送以及海洋工程、寒冷地区的开发，都对低温用钢提出了越来越高的要求。特别是目前液化天然气以其高效、环保的特征，正得到越来越广泛的应用。而国内对低温工程用钢的焊接目前处于初级阶段，还没有形成统一的标准和规范，随着低温工程用钢的大量使用，低温钢的焊接工艺必须进行重新评定和制

43、定。低温用钢的焊接工艺研究和技术人员的培训成为低温容器施工单位迫切需要解决的一个重大课题。无论谁站在低温容器工程施工的制高点，就拥有了低温容器工程施工的市场。本论文旨在通过焊接热模拟技术和电子显微分析技术，研究9Ni钢热影响区在焊接热模拟过程的脆化行为，揭示微观组织和宏观力学性能(低温韧性、强度等)之间的关系及变化规律，从而为9Ni钢的焊接工艺参数的选择提供理论依据，指导9Ni钢的焊接生产，在理论和学术上完成对低温用钢的系统的研究和认识，对我们投入我国及世界范围内的低温条件下设备的施工具有一定的参考价值和指导作用。本论文的主要研究内容为：1.采用Ansys有限元模拟分析焊接热影响区温度场和应力

44、场变化.2. 研究9Ni钢手工电弧焊,埋弧自动焊的焊接工艺参数.3. 分析研究手工电弧焊,埋弧自动焊,所得试件的力学性能.4. 对9Ni钢焊接接头做金相试验，观察金相组.2. 国内9Ni钢的焊接工艺研究2.1 9Ni钢焊接工艺研究的目的和意义随着中国钢铁产业的发展，由太钢自卡研制开发的06Ni9材料和太钢制定的低温压力容器用06Ni9钢合金钢板技术标准顺利通过国家锅炉压力容器标准化技术委员会专家组的鉴定审查，标志着太钢成为中国首家掌握06Ni9牛产技术的企业，这将对中国石油天然气行业的快速发展起到积极的促进作用。太钢对该材料的开发，填补了国内空白，打破了LNG储罐用钢长期依赖进口的局面。目前世

45、界常用LNG低温储罐用钢为9Ni钢，而中国建造的LNG低温储罐用钢也是依靠国外进口。现在中国可以牛产06Ni9无疑为中国LNG产业是一次巨大的推动，但是由于06Ni9还未应用到LNG储罐建设当中，在这样的机遇下，研究06Ni9钢焊接工艺，是符合中国LNG产业的发展的，也更加坚定中国是有能力利用06Ni9建造LNG储罐的，中国也可以掌握LNG储罐的建造技术。2.2 国产9Ni钢的化学成分和机械性能本项目用06Ni9钢的化学成分见表21，机械性能见表22。表2-1 06Ni9钢的化学成分(单位：wt)表2-2 06Ni9钢室温拉伸性能和低温冲击性能2.3焊接材料选择和焊接试件加工焊接材料的选择：若

46、采用与06Ni9成分相近的焊接材料，焊后不经热处理，焊缝的低温韧性要低于母材，所以这种焊接材料很少应用；根据生产经验，可以选用含镍量较高的奥氏体型的镍基合金焊条，采用高镍焊接材料时，焊缝组织均为奥氏体。这种组织的焊缝强度也略低于母材，且可以保证焊缝的低温韧性。目前LNG工程用06Ni9钢焊接材料在国内尚处于前期研制开发阶段，因此现阶段焊接材料的选用只能依赖于国际市场。本次试验选购了Special Metals公司的焊接材料，手工焊工艺的AWS A514M ENiCrMo-3焊条、埋弧自动焊工艺的AWS A514ERNiCrMo-4为美国Special Metals的C276焊丝，与之匹配的焊剂

47、采用INCOFLUX 9. 焊接材料的牌号和化学成分见表2-3。焊接接头型式及其参数见表2-4。表2-3 焊接材料的化学成分(单位：wt)焊接试件采用机加工，坡口型式及尺寸如表2-4所示：表2-4 06Ni9焊接接头形式及其参数2.4 焊接工艺研究本项目采用埋弧自动焊、手工电弧焊两种焊接工艺，这些工艺适用于液化天然气储罐用国产9Ni钢的焊接。焊接工艺涵盖范围：建设一个典型的全包容液化天然气储罐的所有焊接。手工电弧焊主要用于储罐的立焊、横焊和角焊缝位置的焊接以及埋弧自动焊环焊缝的返修，其中手工电弧焊也用于罐底焊接；埋弧自动焊要用于储主罐的环焊缝的焊接。2.4.1 手工电弧焊焊接工艺焊前准备1根据

48、施焊结构钢材的强度等级，各种接头形式选择焊材牌号和合适焊条直径：(焊条牌号：ENiCrMo-3直径32、40)2当施工环境温度低于0，预热温度为20；3工件厚度9 mm、14mm对接焊时，为确保焊缝强度，在板材的对接边沿开切V形，22mm对接焊时，在板材的对接边沿开切X形坡口，角度0【为60。，钝边p=0l mm，装配问隙b=03mm，22mm试板背面坡口深度h=10mm，对接接头形式如图2.5。图2.5手工电弧焊对接接头尺寸示意图4焊条烘焙：焊条焊前烘焙1502h保温2小时；5焊前接头清洁要求，在坡口或焊接处两侧30 mm范围内影响焊缝质量的毛刺、油污、水、铁锈等脏物及氧化皮，必须清除干净；

49、6在板缝两端如余量小于50 mm时，焊前两端应加引弧、熄弧板，其规格不小于5050mm；7在焊接前要留有足够的预变形量：9mm试板预变形量。810mm：14mm试板预变形量lO13mm：22mm试板反预变形。焊接规范1应根据板厚选择焊条直径，确定焊接电流，如表2-6：表2-6 06Ni9手工电弧焊焊条、电流一览表2为使对接焊缝焊透，其底层焊接应选用比其他层焊接的焊条直径较小；3厚件焊接，应严格控制层间温度，各层焊缝不宜过宽，应考虑多道多层焊接，层问温度控制在室温；4对接焊缝正面焊接后，反面使用碳气刨或用砂轮机扣槽，并进行封底焊接。操作要点1焊接重要结构时，焊条必须200l小时烘干，一次领用不超

50、过4小时用量，并装在保温筒内，其他焊条也应放在焊条箱妥善保管；2根据焊条的直径和型号、焊接位置等调试焊接电流和选择极性；3在保证接头不致爆裂的前提下，根部焊道应可能薄;4多层焊接时，下一层焊开始前应将上层焊缝的药皮、飞溅等清除干净，多层焊每层焊缝厚度不超过34mm： 5焊接采用直流反接，清理焊渣时，采用砂轮机和不锈钢钢丝刷；6焊接设备采用熊谷焊机，型号为WSS-400。焊缝质量要求1.焊缝质量要求为：100PT I级合格，l00RT II级合格；2.外表焊缝检查：所有结构焊缝全部进行检查，其焊缝外表质量要求：焊缝直线度：任何部位在S100mm内直线度应S2mm；焊缝过渡光顺：不能突变6mm，d

51、sO3mm，局部d0.5mm(d为咬边深度)；焊缝不允许低于工件表面及裂缝，未熔合为缺陷存在；多道焊缝表面堆叠相交处下凹深度应曼lmm；全部焊接缺陷允许进行修补，修补后应打磨光顺；手工电弧焊焊接工艺参数手工电弧焊焊接工艺参数见表2-7,2-8,2-9表2-7 069Ni钢手工电弧焊焊接工艺参数表2-8 069Ni钢手工电弧焊焊接工艺参数表2-9 069Ni钢手工电弧焊焊接工艺参数2.4.2 埋弧自动焊焊接工艺焊前准备1所焊产品的钢种及板材厚度按工艺要求选择焊丝牌号，焊丝直径及焊剂牌号，选用焊接规范；2检查埋弧自动焊机是否完好，电流表、电压表的正确性；3检查焊缝两端的引弧板及灭弧板，其规格尺寸为

52、8080(mm)厚度母材；4焊件边缘加工和装配要求高，焊件边缘必须打磨清洁干净至光洁金属为止(距焊件边缘20mm处)，用砂轮机进性打磨；5焊件边缘加工必须平直，装配问隙均匀一致，高低平整，装配间隙Imm，两板高低差05mm；6工件厚度14mm、22mm对接焊时，为确保焊缝强度，在板材的对接边沿开切k形，角度Of为45。，钝边p=01 mm，装配间隙b=03mm，见图2.8。图2.10埋弧自动焊对接接头尺寸示意图焊丝与焊剂选用1根据06Ni9进行选用焊丝与焊剂，见表2-11。表2-11 06Ni9埋弧自动焊相关焊接相关参数2.焊丝直径选择牌号ERNiCrMo-4直径中I 6；3.焊丝井表不得有油

53、、锈存在，且应在干燥室存放；4.焊剂牌号为NCOFLUX 9，使用前必须进行供焙1502002h后使用，使用剩余焊剂应重新烘焙;5.焊接电源采用直流正接;6.焊接设备：AUTO埋弧自动焊机，型号为HDCl500DX。焊缝质量要求l.焊缝质量要求；100PTI级合格，100RTII级合格。2.外表焊缝检查：所有结构焊缝全都进行检查，其焊缝外表质量要求：焊缝直线度：任何部位在100mm内直线度应2mm；焊缝过渡光顺：不能突变6mm，d0.3mm，局部d5mm，(d为咬边据度)：焊缝不允许低于工件表面技裂缝，未熔合为缺陷存在；多道焊缝表面堆叠相交姓下凹深度应1mm；全部焊接缺陷允许进行修补，修补后应

54、打磨光顺。埋弧自动焊焊接工艺参数1.正面焊完后，反面进行焊接前用气刨或砂轮机扣槽。2.焊接规范参数见表2-12,2-13。表2-12 06Ni9埋弧自动焊焊接参数备注：焊接层间温度控制在室温；*表示同一道焊缝的排焊数。表2-13 06Ni9埋弧自动焊焊接参数备注：焊接层间温度控制在室温；*表示同一道焊缝的排焊数。3起弧时应观察电流，电压值稳定在预给规范时，并合上小车离合器，开始正常焊接。4焊接过程注意焊接电流及电压变化，指针与焊缝对中变化时不断调整。5导电嘴磨损出现规范不稳定时应更换导电嘴。6多层焊接时，每焊完一道后，应将焊渣清除干净，认真检查焊缝，质量发牛问题即时处理，直到确认焊缝表面质量合

55、格后，在进行下一道焊缝实施焊。7施焊过程焊剂必须全部覆盖焊缝保护，如覆盖不良会出现各种焊接缺陷。8焊接过程不应中断，如因故中断后，应在弧坑处用气刨或砂轮机扣去100mm后再引弧焊接。2.5 9Ni钢焊接接头低温冲击试验低温冲击试验标准母材金属、热影响区以及焊接金属的夏比V型缺口冲击试验数值应符合相关要求。规定数值应为三个试件的最小平均值，允许其中一个数值小于规定数值，但不得小于规定数值的70。对于厚度小于l1mm的材料，试件可根据实际情况尽可能选用最大规格的试样。小规格试样的最小夏比V型缺口冲击试验数值应与全尺寸试件的规定值成正比。本项目夏比冲击试验按照标准ENl0028-4和EN875标准来

56、实施。如果使用镍基焊接金属，则焊接金属和热影响区的冲击韧性能量应为55J。冲击值是指10x 10x55 mm的全尺寸试样。对焊接工艺评定试板而言，如果无法制备全尺寸冲击试样，则采用75或50mm的小尺寸试样，其冲击功应按比例缩减。完成焊接工艺批准记录以及焊接产品时都要求对焊缝金属和热影响区(HAZ)进行冲击试验，并应符合下列要求：要求一套试样取自焊缝金属，另一套试样取自热影响区。每套试样应由三个试件组成。低温冲击试验方法标准尺寸冲击试样长度为55毫米，横截面为10mmx 10mm方形截面。在试样长度中间有V型缺口，如试料不够制备标准尺寸试样，可使用宽度75mm、5mm小尺寸试样。试件规格：10

57、x10x55mm，5x10x55mm试样具体加工尺寸和表面精度要求如图2.14所示。试样样坯的切取应按相关产品标准或GBT2975的规定执行，试样制备过程应使由于过热或冷加工硬化而改变材料冲击性能的影响减至最小。试验机应按GBT 3808或JJG 145进行安装及检验。本次低温冲击试验设备号为CIEM-30D-CPC，试验温度一196。下图为夏比V型缺口冲击试样加工图。图2.14 夏比V型缺口冲击试样加工图埋弧自动焊焊接接头低温冲击试验数据见表322。焊接接头冲击试验数据表2-15 06Ni9埋弧自动焊焊接接头冲击试验数据表手工电弧焊焊接接头低温冲击试验数据见表2-16。表2-16 06Ni9

58、手工电弧焊接接头冲击试验数据表由埋弧自动焊、手工电弧焊两种工艺获得的焊接接头低温冲击试验结果见表2-17,2-18。表2-17 埋弧自动焊焊接接头低温冲击数据处理结果表2-18手工电弧焊焊接接头低温冲击数据处理结果试验结果分析1从试验数据看出，试板焊接接头HAZ的196低温冲击吸收功比相应的焊缝处的-196低温冲击吸收功要高，表现出了良好的低温冲击韧性，经分析，原因为：HAZ粗晶区很窄，且与后续焊道施焊时形成的细晶交错在一起，采用了多道焊在某种程度上细化了HAZ的晶粒，使得其性能提高，相比之下，焊缝区由于组织焊接热量集中，在焊缝中心形成粗大树枝状晶粒结构，导致焊缝区的低温冲击韧性小于HAZ的低

59、温冲击韧性.2.本项目使用国产QT态9Ni钢，淬火处理后可获得晶粒细小的马氏体，其后的回火处理(最佳回火温度580C)使马氏体结构又转变为铁索体和细小的析出碳物，同时可获得少量的弥散奥氏体，因此母材可获得很高的低温韧性。在焊接条件下，由于焊接热循环的作用，9Ni钢的焊后韧性与母材相比有显著的下降。3.热输入是影响低温韧性的主要工艺参数，随着热输入的增加，冷却后的组织更加疆大，导致低温韧性下降：层间温度提高时，马氏体的自回火作用更加显著，有利于低温韧性的提高。因此在焊接严格控制焊接热输入和层间温度。4.夏比V形缺口试样断裂表面破坏均为微孔聚集和韧性撕裂的综合形式。这种破坏形式是高强度及高韧性材料

60、所特有的。多道焊试件的断口表现为韧窝形貌，且细小，低温冲击韧性很高。本项目研究的手工电弧焊焊接工艺参数中热输入量大干手工钨极氩弧焊、埋弧自动焊和气保焊2-3倍，所以对低温冲击韧性造成了很大影响。3. 国内9Ni钢焊接接头金相试验金相试验就是研究会属或合金内部结构。金相组织是反映金属金相的具体形态本项目对06Ni9焊接接头进行金相试验，研究母材、热影响区、焊缝不同区域金属的金相组织。金相试验严格按照GBT1329891金属显微组织检验方法标准执行。3.1试样的浸蚀精抛后的试样，用镊子夹持蘸有侵蚀液的医用脱脂棉进行试样精抛面腐蚀。母材和热影响区侵蚀剂选用4硝酸酒精溶液侵蚀，焊缝区浸蚀剂选用王水。浸

61、蚀时间视金属的性质、检验爿的及显微检验的放大倍数而定，以能在显微镜下清晰显出金属组织为宜，一般侵蚀时间IO一15s。试样浸蚀完毕后，须迅速用流水洗净表面，然后用无水己醇洗净，吹风机吹干。金相试验设备：NEOPHOT21型显微镜。3.2 国产9Ni钢焊接接头金相试验结果手工电弧焊试接头金相图片见图3-1,3-2,3-3.3-1手工电弧焊母材金相组织图 3-2手工电弧焊HAZ金相组织图3-3手工电弧焊焊缝金相组织图分析于工电弧焊焊接接头金相照片，母材区为明显的马氏体组织，焊缝区为奥氏件组织结构，热影响区组织结构为回火马氏体。埋弧自动焊接头金相图片见图3-4.3-5.3-6.3-4埋弧自动焊母材金相

62、组织图 3-5埋弧自动焊HAZ金相组织图3-6埋弧自动焊焊缝金相组织图分析埋弧自动焊焊接接头金相照片，母材区为明显的马氏休组织，焊缝区为奥氏体组织结构，热影响区组织结构为回火氏体。3.3试验结果及分析母材为典型的中台金低碳马氏体型低温钢，供货状态为淬火十回火(简称QT)。焊缝金属为奥氏体组织，热影响区的熔台区和粗晶区的组织丰要以回火马氏体主，细品区组织为回火马氏体+回火贝氏体+奥氏体。4. 用ANSYS12.0对9Ni钢焊缝热应力分析4.1 Ansys概述ANSYS作为有限元分析领域的大型通用程序，以其多物理场藕合分析的先进技术和理念，在工业领域和研究方向都有广泛而深入的应用。ANSYS具有结构、流体、热、电磁及其相互藕合分析的功能。本文所进行的焊接温度场、焊接应力场的模拟就是运用其热结构的藕合分析功能进行计算的。热分析是ANSYS软件的一个很重要的分析模块，主要用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数。ANSYS进行热分析主要有两种类型，稳态分析和瞬态分析，这两种分析类似于静力分析和瞬态动力分析。稳态热分析研究稳定的、不随时间变化的热载荷作用下的温度场，温度场中的各种参数，如温度、热流密度、温度梯度等都是不随时间变化的稳定数值。瞬态热分析研究随时间变化的温度场，温度场中的各种参数，如温度、热流密度、温度梯度等都是随时间变化的数值。由于实际的温度场都是