不銹鋼船用焊接技術(shù)及焊接材料
不銹鋼船用焊接技術(shù)及焊接材料
（選自《機(jī)械工人》（熱加工） 2007年第2期 TH2007038/2）
一、我國(guó)造船業(yè)的發(fā)展
我國(guó)造船業(yè)在建國(guó)初期伴隨共和國(guó)成長(zhǎng)的步伐，在非常薄弱的基礎(chǔ)上艱難起步。經(jīng)過(guò)幾代人不懈的努力，自力更生，自主創(chuàng)新，由只能修船到自行建造現(xiàn)代化船艇，記錄了我國(guó)船舶建造業(yè)成長(zhǎng)的歷程。經(jīng)過(guò)幾十年的奮斗拼搏，中國(guó)已經(jīng)和韓國(guó)、日本一同躋身世界造船三甲之列。然而，進(jìn)軍世界第一造船大國(guó)的目標(biāo)不僅是造船總量的增長(zhǎng)，要成為造船強(qiáng)國(guó)，必須要在造船技術(shù)和水平上有所突破和提高。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)造船業(yè)在尖端領(lǐng)域加速了“攀高”的步伐，并且已經(jīng)取得了令人矚目的成就。目前，除常規(guī)船型外，中國(guó)已經(jīng)能夠建造30萬(wàn)噸級(jí)巨型油輪(VLCC)、大型集裝箱船、成品油船、液化天然氣(LNG)船，雙相不銹鋼化學(xué)品船等各類高技術(shù)、高附加值船舶，具備了多種船型的建造能力。
不銹鋼船是目前世界造船業(yè)公認(rèn)的高技術(shù)含量、高附加值的船型之一，與普通常規(guī)船型比較，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的力學(xué)性能、在超低溫深冷條件下仍能保持足夠的韌性，這些都是其他常規(guī)船型所不具備的，因此不銹鋼船能夠在各種惡劣的特殊條件下使用，包括不同的腐蝕介質(zhì)、服役溫度和力學(xué)狀態(tài)。另外，由于奧氏體不銹鋼及雙相不銹鋼焊接性良好，因此在造船業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。特別是近幾年，隨著我國(guó)不銹鋼船建造技術(shù)的日趨成熟，各種蘊(yùn)含尖端技術(shù)的不銹鋼化學(xué)品船、液化天然氣船等陸續(xù)建成下水，開創(chuàng)了我國(guó)船舶建造事業(yè)的新局面。
造船業(yè)的發(fā)展離不開焊接，不銹鋼船的建造需要與之相適應(yīng)的焊接技術(shù)及配套的焊接材料。本文將重點(diǎn)討論液化天然氣(LNG)及雙相不銹鋼化學(xué)品船項(xiàng)目中，不銹鋼結(jié)構(gòu)的焊接技術(shù)及焊接材料。
二、液化天然氣(LNG)船焊接技術(shù)及焊接材料
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源消耗不斷增長(zhǎng)。液化天然氣作為一種重要的能源之一，其需求量也隨之增加，勢(shì)必要建造大量的LNG設(shè)施，以滿足天然氣的開采、運(yùn)輸、加工及儲(chǔ)存等多種功能的需求。這些設(shè)施工作環(huán)境、條件各不相同，需要的材質(zhì)也不盡相同。例如，超低碳奧氏體不銹鋼、9％Ni鋼、C-Mn低合金鋼及各種不同Ni含量的低合金鋼等，對(duì)于不同的母材需要選用與之相匹配的焊接材料。針對(duì)這一領(lǐng)域的市場(chǎng)需求，我國(guó)的焊接材料企業(yè)也比較重視，時(shí)刻關(guān)注著不銹鋼造船技術(shù)的發(fā)展及對(duì)焊材需求的最新動(dòng)向，在開發(fā)和生產(chǎn)不銹鋼船用焊接材料方面做了大量的工作。目前能夠提供用于LNG船焊接的配套焊材品種越來(lái)越多，質(zhì)量已接近或達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平。這些品種包括藥芯焊絲、實(shí)芯焊絲、埋弧焊絲、手工電焊條等。在液化天然氣(LGN)設(shè)備中需要大量的管道系統(tǒng)，對(duì)于在超低溫條件下工作的系統(tǒng)340L、316L類低碳奧氏體不銹鋼無(wú)疑是理想的材料。這些管道系統(tǒng)的焊接接頭同樣要求具有和母材相當(dāng)?shù)哪透g性能和足夠的低溫沖擊韌度，這就需要通過(guò)適當(dāng)?shù)暮附庸に嚪椒ê瓦x擇專用焊材來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1．超低溫韌性要求及夏比沖擊試驗(yàn)
304L、316L類不銹鋼不僅具有優(yōu)良的耐腐蝕性，而且同時(shí)具有優(yōu)異的超低溫韌性，在-196℃甚至更低的使用溫度下仍能保持足夠的韌性。奧氏體鋼、雙相鋼及鐵素體鋼三類不銹鋼的韌性與試驗(yàn)溫度關(guān)系曲線對(duì)比如圖1所示。
用于焊接液化天然氣(LGN)設(shè)施的不銹鋼焊材不同于普通的不銹鋼焊材。按照慣例，只有通過(guò)了船級(jí)社認(rèn)證的產(chǎn)品才允許用于造船。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社(CCS)2006年版的《材料與焊接規(guī)范》中要求，當(dāng)奧氏體不銹鋼用于深冷條件時(shí)，應(yīng)在-196℃條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)(見表1)。而普通的奧氏體不銹鋼焊材執(zhí)行國(guó)標(biāo)，一般只需要做熔敷金屬的拉伸試驗(yàn)，考核項(xiàng)目包括抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，而CCS船檢規(guī)范要求的試驗(yàn)項(xiàng)目和考核指標(biāo)比國(guó)標(biāo)要苛刻得多。CCS對(duì)于初次認(rèn)可產(chǎn)品的力學(xué)性能不僅要求熔敷金屬試驗(yàn)(平焊位置)，考核項(xiàng)目包括：抗拉強(qiáng)度Rm，伸長(zhǎng)率及-196℃夏比V形缺口沖擊功；而且還要進(jìn)行對(duì)接試驗(yàn)(平、焊、立、仰各位置)，考核項(xiàng)目包括：接頭抗拉強(qiáng)度、彎曲試驗(yàn)及-196℃夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)。在所有試驗(yàn)項(xiàng)目中-196℃夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)是最關(guān)鍵的一項(xiàng)試驗(yàn)。表2是試樣在液氮中放置8h和24h后的沖擊試驗(yàn)結(jié)果。
2．LNG船用焊接材料
普通的奧氏體不銹鋼焊材一般也可以達(dá)到-196℃夏比V形沖擊功≥29J的規(guī)范要求，但是穩(wěn)定性不理想。對(duì)于采用TIG和MIG焊的焊絲而言，由于保護(hù)條件好于需要焊劑保護(hù)的，如手工焊條、藥芯焊絲等，低溫韌性的穩(wěn)定性要好一些，因此為獲得穩(wěn)定的超低溫韌性，用于LNG項(xiàng)目的手工焊條、藥芯焊絲設(shè)計(jì)專用的配方進(jìn)行生產(chǎn)是必要的。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)配方渣系(堿性或酸性渣系)對(duì)超低溫韌性影響不大，而焊縫金屬中鐵素體含量對(duì)超低溫沖擊韌度有一定的影響。圖2是大橋牌THA022和THAl02焊條熔敷金屬鐵素體數(shù)與-196℃沖擊韌度之間的關(guān)系。
由圖2可見，隨著鐵素體含量增加，超過(guò)8FN后-196℃沖擊功有下降的趨勢(shì)，過(guò)高的鐵素體含量對(duì)低溫沖擊韌度不利。同時(shí)考慮到少量的鐵素體對(duì)抵抗結(jié)晶裂紋發(fā)生是有利的，保留少量鐵素體也是必要的。因此對(duì)于LGN船用不銹鋼焊接材料焊縫金屬中鐵素體可以控制在5FN左右。通過(guò)調(diào)整Creq、Nieq可以控制焊縫金屬中的鐵素體含量。表3為大橋牌LNG專用焊材THAl02、THA022的典型力學(xué)性能。
三、雙相不銹鋼化學(xué)品船焊接技術(shù)及焊接材料
1．雙相不銹鋼的特點(diǎn)
雙相不銹鋼的主要特點(diǎn)是耐腐蝕性強(qiáng)，同時(shí)又有較高的強(qiáng)度，這些都是由雙相不銹鋼自身的性質(zhì)所決定的。雙相不銹鋼的性質(zhì)主要取決于其化學(xué)成分和組織，雙相不銹鋼的組織是由鐵素體和奧氏體兩相組成，二者各占約50％。由于兩相組織互相制約阻止了雙相不銹鋼的晶粒長(zhǎng)大，所以同樣的加工方式，同尺寸的鋼材雙相不銹鋼晶粒只相當(dāng)于奧氏體不銹鋼的一半。細(xì)晶粒強(qiáng)化和Cr、Mo、Ni等合金元素的固溶強(qiáng)化，以及冷變形強(qiáng)化的共同作用使得雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奧氏體不銹鋼。圖3是三種不同類型不銹鋼的力學(xué)性能對(duì)比。
另外，雙相不銹鋼的硬度與強(qiáng)度有關(guān)，較高的硬度有助于提高鋼的耐磨損腐蝕性能。雙相不銹鋼的韌性雖然隨鋼中合金元素的增加略有下降，但固溶態(tài)的雙相不銹鋼仍然有足夠高的韌性(230J)，它的脆性轉(zhuǎn)變溫度均在-60℃，因此能夠適應(yīng)化學(xué)品船的使用條件。對(duì)于雙相不銹鋼的耐腐蝕性，可以通過(guò)耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN來(lái)表示，例如2205標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼的PREN為30～36，可見其耐腐蝕性能比較強(qiáng)。
由于雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼比較具備了上述的性能優(yōu)勢(shì)，如今雙相不銹鋼已在多個(gè)領(lǐng)域被廣泛的推廣和應(yīng)用。尤其在化學(xué)品船舶建造行業(yè)，典型的2205雙相不銹鋼已經(jīng)替代316L、317L奧氏體不銹鋼而成為海上化學(xué)品運(yùn)輸船的標(biāo)準(zhǔn)用材。
近幾年，在國(guó)外海上化學(xué)品船行業(yè)是雙相不銹鋼的最大用戶，其消費(fèi)量約占熱軋板的50％。由于化學(xué)品船裝載的液體貨物多種多樣，包括化學(xué)、石油產(chǎn)品、食品等，有些產(chǎn)品是對(duì)環(huán)境或安全有相當(dāng)危害的有毒、可燃液態(tài)化學(xué)品，所以要求船艙材料既有耐腐蝕性，又要有較高的強(qiáng)度，這樣才能保證裝載貨物的化學(xué)穩(wěn)定性及運(yùn)輸安全。
2．雙相不銹鋼化學(xué)品船焊接技術(shù)
雙相不銹鋼化學(xué)品船的焊接關(guān)鍵是獲得與母材相當(dāng)?shù)暮附咏宇^，因此需要采用相應(yīng)的焊材和相適應(yīng)的焊接技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于雙相不銹鋼常用的焊接方法有焊條電弧焊和鎢極氬弧焊。焊條電弧焊適用于全位置焊接，簡(jiǎn)便易操作，通用性強(qiáng)是被大量使用的一種焊接方法。鎢極氬弧焊通常用于薄板或管和管板接頭的焊接，這種方法采用純Ar或Ar 2％N2做為保護(hù)氣體，由于保護(hù)條件良好，因此焊縫的力學(xué)性能優(yōu)越，尤其是低溫沖擊韌度，但其熔敷效率較低。對(duì)于雙相不銹鋼的厚板焊接也可以采用埋弧焊，這種方法熔敷效率高，但稀釋率也較大，通過(guò)采取合適的坡口形式，正確的熱輸入量及嚴(yán)格控制層間溫度，可以對(duì)稀釋率加以控制。
由于2205雙相不銹鋼的焊接性良好，熱裂紋傾向低，脆化傾向小，一般焊前不需預(yù)熱焊后也無(wú)需熱處理。為使焊縫和焊接HAZ能有合適的奧氏體數(shù)量，以保證焊縫和接頭有滿意的力學(xué)與耐腐蝕綜合性能，焊接時(shí)必須注意熱輸入量和層間溫度，建議使用的熱輸入量0.5～2.5kJ／mm，最高層間溫度150℃。在焊接過(guò)程中，隨時(shí)檢測(cè)鐵素體含量，采用多層焊能使整個(gè)焊接接頭的組織和性能得到顯著改善，因?yàn)樵谶M(jìn)行多層多道焊時(shí)，后續(xù)焊道對(duì)前層焊道有熱處理作用，焊縫金屬和HAZ中的鐵素體可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成奧氏體，成為以?shī)W氏體占優(yōu)勢(shì)的兩相組織。在附加工藝焊縫存在困難的情況下，制定焊接工藝時(shí)，要保證最后一層焊縫處于非工作介質(zhì)面上。
3．雙相不銹鋼化學(xué)品船用焊接材料
對(duì)于SAF2205這種含氮的雙相不銹鋼，選用焊接材料時(shí)通常是填充材料的鎳含量高于母材，氮含量與母材相同，目的仍然是保證焊縫金屬獲得足夠的奧氏體組織，保留鐵素體含量在30％～40％。鎢極氬弧焊用焊絲如H00Cr22Ni8Mo3N、309MoL，手工焊用焊條如E2209、E309MoL等。表4是SAF2205鋼的化學(xué)成分。表5是SAF2205鋼焊接時(shí)使用的焊接材料。表6是大橋牌FHAF2209焊條典型的化學(xué)成分，表7是大橋牌THAF2209焊條典型的力學(xué)性能。
四、結(jié)語(yǔ)
雙相不銹鋼化學(xué)品船與液化天燃?xì)獯?、液化石油氣船等同屬于高技術(shù)含量、高附加值的特種船舶，市場(chǎng)前景十分廣闊。目前，國(guó)際上只有美國(guó)、挪威、澳大利亞、日本及韓國(guó)等少數(shù)國(guó)家可以生產(chǎn)。近幾年，我國(guó)的造船業(yè)已經(jīng)攻克了雙相不銹鋼船舶建造的難關(guān)，成功建造了數(shù)條雙相不銹鋼化學(xué)品船