镍基焊材类型对FCAW焊接9%镍钢微观结构及-196°C超低温冲击韧性的影响研究

本研究针对液化天然气(LNG)储罐用9%镍钢在超低温工况下的焊接技术难题，系统评价了三种镍基焊材(Alloy 625/609/709)对FCAW焊缝组织和-196°C冲击韧性的影响。研究发现Alloy 625焊缝金属冲击韧性最优，而Alloy 709在热影响区(HAZ)表现卓越，EBSD分析揭示了其通过低KAM值(0.909)和高HAGB比例(38.9%)有效抑制应变局部化，为LNG关键装备焊接工艺优化提供了重要理论依据。

　　

随着全球能源结构向清洁化转型，液化天然气(LNG)作为低碳环保能源的重要性日益凸显。然而，LNG的储存和运输面临着一个极其严峻的挑战——必须长期维持在零下162摄氏度的超低温环境。在这种极端条件下，普通钢材会变得脆如玻璃，轻微冲击就可能导致灾难性断裂。为此，工程师们开发出了具有优异低温韧性的9%镍钢，这种材料已成为LNG储罐制造的关键选择。但要将这些钢板连接成庞大的储罐，焊接技术就成为决定设备安全性的关键环节。

焊接过程中，高温会使材料微观结构发生复杂变化，特别是在焊缝金属(WM)和热影响区(HAZ)形成脆性相，严重威胁设备在超低温下的安全运行。传统的焊接材料往往难以兼顾强度与韧性，导致LNG储罐存在潜在安全隐患。究竟哪种焊接材料能够在零下196摄氏度的极寒环境中保持优异的抗冲击性能？这是摆在材料科学家面前的重要课题。

针对这一难题，韩国浦项科技大学的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了创新性研究成果。他们系统比较了三种不同镍基焊材对9%镍钢焊接接头超低温性能的影响，为LNG储罐的安全制造提供了重要理论依据和实践指导。

研究人员采用药芯焊丝电弧焊(FCAW)工艺，在严格控制的相同热输入条件下，对9%镍钢进行焊接实验。通过宏观形貌观察、扫描电子显微镜(SEM)分析和电子背散射衍射(EBSD)技术，系统表征了不同焊材形成的焊缝形貌、微观结构和晶体学特征。采用显微硬度计测量焊缝区域的力学性能梯度，并通过夏比冲击试验评估零下196摄氏度条件下的韧性表现。这些方法的综合运用，使得研究人员能够从宏观到微观全面揭示焊材成分与超低温性能之间的内在联系。

3.1 三种镍基焊材BOP焊缝的焊道几何形状与微观结构比较

3.1.1 焊道几何形状

研究发现，焊材化学成分显著影响熔池流动特性，从而决定焊道形貌。Alloy 625因较高的铬含量导致熔池粘度增大，形成较高而凸起的焊道(高度3.55mm)；而Alloy 609和709则因较低粘度产生宽而平坦的焊道。特别值得注意的是，Alloy 609在相同热输入下表现出最大的熔深，这与其优异的熔池流动性直接相关。

3.1.2 焊缝金属和热影响区的微观结构

所有焊材均形成树枝晶结构，但具体特征各异。Alloy 625焊缝中观察到NbC碳化物析出相，而Alloy 609和709则主要形成M₂₃C₆、M₆C、ρ相和σ相等金属间化合物。热影响区深度也存在明显差异：Alloy 625最浅(2389μm)，Alloy 709最深(4590μm)。EBSD相图分析显示，在融合线附近存在明显的成分梯度，Alloy 625和709的奥氏体稳定元素贫化区较宽(10-13μm)，有利于γ相稳定；而Alloy 609的贫化区较窄(5μm)，促进了马氏体转变。

3.1.3 显微硬度

硬度测试表明，所有试样的热影响区硬度均显著高于焊缝金属和母材，最高达到361HV，这归因于焊接热循环中马氏体的形成。Alloy 609焊缝金属硬度最低(196HV)，而Alloy 625和709分别为212HV和201HV。

3.1.4 融合线过渡区微观结构

融合线区域的元素分布分析显示，镍、铬、钼等奥氏体稳定元素在越过融合线时急剧下降，而铁含量相应上升。这种成分梯度导致相组成发生显著变化，Alloy 625和709能够维持较宽的奥氏体稳定区，而Alloy 609则更容易形成马氏体。

3.2 多道焊的微观结构

3.2.1 焊缝金属微观结构的EBSD分析

EBSD分析揭示了不同焊材的晶体学特征差异。Alloy 625焊缝中42-47°高角度晶界(HAGB)比例最低(2.1%)，表明其相变诱发塑性(TRIP)效应较弱，奥氏体稳定性高。相反，Alloy 609的HAGB比例高达23.1%，表明广泛的γ→α′相变，容易导致应变局部化。

3.2.2 热影响区微观结构的EBSD分析

内核平均误取向(KAM)分析表明，Alloy 709热影响区的平均KAM值最低(0.909)，说明其局部应变积累较少。晶界特征分析显示，Alloy 709热影响区具有最粗大的晶粒(平均29.3μm)和较高的HAGB比例(38.9%)，这种结构有利于抑制裂纹扩展。

3.3 多道焊的超低温冲击性能

零下196摄氏度冲击试验结果显示，Alloy 625焊缝金属吸收能量最高，比Alloy 709和609分别高出8.5%和61.8%。而在热影响区，Alloy 709表现最佳，吸收能量比Alloy 625和609分别高出38.5%和45.2%。所有焊接接头均满足IACS规定的41J最低要求，证明其适用于超低温环境。

本研究通过系统比较三种镍基焊材对9%镍钢焊接接头超低温性能的影响，得出了一系列重要结论。首先，焊材化学成分不仅影响焊道成形，还通过改变熔池流动性和热传导特性，间接影响热影响区的宽度和微观结构。其次，融合线区域的成分梯度对相稳定性起决定性作用，较宽的奥氏体稳定元素贫化区有利于抑制马氏体转变。最重要的是，EBSD分析首次从晶体学角度揭示了不同焊材影响超低温韧性的微观机制：Alloy 625通过高奥氏体稳定性在焊缝金属中实现优异韧性，而Alloy 709则通过形成自回火马氏体(ATM)和稳定的晶界结构在热影响区表现卓越。

这些发现不仅深化了对镍基焊材超低温行为机理的理解，而且为LNG储罐等关键设备的焊接材料选择和工艺优化提供了直接指导。特别是在实际工程中，可以根据焊接接头的不同区域性能需求，有针对性地选择焊材——当焊缝金属韧性为主要矛盾时优选Alloy 625，而当热影响区性能至关重要时则可考虑Alloy 709。这种"按需选材"的策略有望显著提升LNG储罐的安全性和服役寿命，对促进清洁能源基础设施建设具有重要现实意义。