摘要在“波維特”LPG船修理中，由于應(yīng)力及化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致不銹鋼艙體出現(xiàn)裂紋，需要換新和修理。而艙體采用S316LN奧氏體不銹鋼，國(guó)內(nèi)暫無(wú)此類材料供貨。船東為了縮短修理周期，要求采用各項(xiàng)性能優(yōu)于S316LN的2205雙相不銹鋼進(jìn)行換新修理。在異種不銹鋼焊接中，為了防止出現(xiàn)裂紋或力學(xué)性能不能滿足要求的情況，故主要從耐蝕性、焊接性及焊材、焊接工藝方面對(duì)S316LN奧氏體不銹鋼與2205雙相不銹鋼進(jìn)行試驗(yàn)分析。在實(shí)船應(yīng)用中，焊縫的UT和MT檢測(cè)合格率達(dá)到了100%，取得較好效果，為今后船舶建造、修理及改裝積累了經(jīng)驗(yàn)。

 近年來(lái)，奧氏體不銹鋼、復(fù)合不銹鋼和雙相不銹鋼在化學(xué)品船、LPG船、LNG船，以及海工產(chǎn)品的建造中大量應(yīng)用。但隨著造船技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累和提高，2205雙相不銹鋼因具有優(yōu)良的耐蝕性和焊接性能，在新造化學(xué)品船和LPG船中，逐漸替代了奧氏體不銹鋼和復(fù)合不銹鋼。

 在“波維特”LPG輪修理中，修理工程涉及艙體S316LN的裂紋修補(bǔ)或換新，主甲板普通船板與不銹鋼艙體換新修理，如圖所示。船東要求采用2205雙相不銹鋼進(jìn)行換新，由于老船主要采用S316LN不銹鋼材料，因此更換的2205雙相不銹鋼與S316LN不銹鋼需進(jìn)行焊接，而公司又是第一次遇到異種不銹鋼焊接，故2205雙相不銹鋼與S316LN焊接必須進(jìn)行試驗(yàn)研究，從而確定施工中的焊接工藝參數(shù)和要領(lǐng)，以確保實(shí)船施工達(dá)到預(yù)期質(zhì)量要求。

一、S316LN和2205雙相不銹鋼焊接性

  1. S316LN奧氏體不銹鋼的焊接性

  S316LN是奧氏體不銹鋼系列中的一種材料，其性能和S316L奧氏體不銹鋼相似，就是在它的基體上添加了氮元素，并減少了碳含量。又因S316L具有較好地抗氯化物腐蝕性能，故S316LN不銹鋼抗晶間腐蝕性能、耐點(diǎn)蝕、抗孔洞腐蝕和高強(qiáng)度的力學(xué)性能等優(yōu)于S3161奧氏體不銹鋼及普通不銹鋼。因而S316LN不銹鋼在化學(xué)品船、海洋工程和化學(xué)容器中得到了廣泛應(yīng)用，甚至可以使用在核能源工業(yè)中。奧氏體不銹鋼焊接主要存在熱裂紋、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等問(wèn)題，單相奧氏體不銹鋼的熱烈紋傾向較大。奧氏體不銹鋼具有高的電阻率、較高的線膨脹系數(shù)、較低的熱導(dǎo)率，焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生拉應(yīng)力。另外奧氏體鋼焊縫結(jié)晶時(shí)容易形成方向性強(qiáng)的柱狀晶，有利于雜質(zhì)偏析，形成易熔共晶夾層，引起熱裂紋。

  2. 2205雙相不銹鋼的焊接性

  2205高合金鋼（UNSS32305/S31803）是由鉻：21%~23%、鉬：2.5%~3.5%和鎳：5%~6.5%等合金元素復(fù)合而成的不銹鋼，又被稱為鐵素體+奧氏體不銹鋼（雙相不銹鋼），是一種節(jié)鎳的不銹鋼，同時(shí)兼具鐵素體和奧氏體不銹鋼的冶金特點(diǎn)。與鐵素體不銹鋼相比，無(wú)室溫脆性轉(zhuǎn)變，塑性、韌性更高，焊接性和抗晶間腐蝕性能均顯著提高。同時(shí)又具有鐵素體不銹鋼的一部分特性，如線膨脹系數(shù)小、475℃脆性、導(dǎo)熱系數(shù)高、具有超塑性等特點(diǎn)。與奧體不銹鋼相比，2205雙相不銹鋼抗拉強(qiáng)度高，其中屈服強(qiáng)度得到顯著提高，并抗應(yīng)力腐蝕、抗晶間腐蝕和抗氯化物等性能都有顯著的改善，2205雙相不銹鋼還具有優(yōu)良的耐孔蝕性能、良好的低溫沖擊韌性，高鉬含量具有較好的抗點(diǎn)蝕性能，但冷、熱加工性能不及奧氏體不銹鋼。

  2205雙相不銹鋼在大多數(shù)不銹鋼系列中具有較好的焊接性，它既不像奧氏體不銹鋼對(duì)焊接熱裂紋比較敏感，也不像鐵素體不銹鋼因晶粒嚴(yán)重粗化而使接頭脆化，塑性及韌性大幅下降。2205雙相不銹鋼焊前不需要預(yù)熱，因其焊接冷裂紋及熱裂紋的敏感性都比較小，因而焊后不需要熱處理。但應(yīng)選擇合理的焊接熱輸入并嚴(yán)格控制層間溫度，這是為了獲得合理的相比例及防止脆化相的析出。

  3. S316LN與2205雙相不銹鋼的焊接性

  2205雙相不銹鋼與S316LN奧氏體不銹鋼相比，由于鉻、鉬及氮的含量較高，其抗腐蝕特性在大多數(shù)環(huán)境下，熱膨脹系數(shù)更低，導(dǎo)熱性更高。在異種金屬焊接中，由于物理、化學(xué)性能和合金元素等差異較大，故而異種不銹鋼焊接比同類材料焊接困難。2205雙相不銹鋼與S316LN奧氏體不銹鋼的焊接存在散熱性、熔化比、合金元素遷移和殘余應(yīng)力引起焊接變形等問(wèn)題，在焊接工藝控制中，如熱輸入量大小、焊接方法選擇、焊材配比和稀釋率大小等，都可能使焊縫接頭產(chǎn)生未熔合、熱裂紋、夾渣等缺陷，嚴(yán)重還會(huì)使接頭力學(xué)性能下降。

  異種不銹鋼焊接存在熔深不同及稀釋作用，必須注意幾點(diǎn)：選擇高配的焊材鉬和鎳含量，防止奧氏體把合金元素鎳稀釋。一般這類接頭無(wú)腐蝕問(wèn)題，主要是避免熱裂紋或熔合區(qū)的裂紋。其次為了防止晶間裂紋，應(yīng)選擇含碳小于0.03%的焊材，最后還要考慮因焊縫熔合比及熱膨脹系數(shù)不同，所引起熱裂紋、殘余應(yīng)力和焊接變形，固需要進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。

二、焊接材料、方法和工藝

 1. 焊接材料和方法

 焊接試驗(yàn)材料為2205雙相不銹鋼和S316LN奧氏體不銹鋼，其試板規(guī)格為：380mm×280mm×22.5mm和380mm×280mm×20mm的板材。

 具體的焊接材料、方法如表3所示，材料的化學(xué)成分如表4所示。焊接設(shè)備采用杭州凱爾達(dá)電焊機(jī)有限公司生產(chǎn)的ZX7-400逆變直流弧焊機(jī)。

 2. 接頭形式設(shè)計(jì)

 為了保證焊透，并考慮到焊接熱輸入對(duì)焊接接頭組織的影響，盡量減少母材金屬稀釋到熔敷金屬中的比例，坡口的加工方法應(yīng)盡量采用機(jī)加工，也可以采用等離子切割。由于雙相不銹鋼的熱導(dǎo)系數(shù)只有碳一錳鋼的1/3，因此在設(shè)計(jì)單面焊接接頭時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加鈍邊的厚度，防止焊趾處燒穿或咬邊。接頭坡口制備使用手工等離子切割機(jī)、自動(dòng)等離子切割機(jī)和機(jī)加工，接頭形式為X型。切割完成后，對(duì)影響焊接質(zhì)量的氧化膜、鋸齒及熔渣進(jìn)行清理，表面清理應(yīng)使用不銹鋼專用砂輪片和鋼絲刷，必要時(shí)可采用丙酮或酒精進(jìn)行擦洗。設(shè)計(jì)接頭形式、坡口形式及尺寸如表所示。

 3. 焊接工藝要點(diǎn)

  a. 坡口及坡口邊緣20mm~30mm區(qū)域必須清潔干燥，不應(yīng)有油污、油漆、油及水等雜質(zhì)。

  b. 焊前不需要預(yù)熱，但可作除濕處理（溫度≤40℃）。盡量不要用火焰加熱，避免焊縫碳含量增加。

  c. 控制層間溫度在100℃以內(nèi)，快速冷卻，盡量減少在450℃~850℃的停留時(shí)間（避開(kāi)脆性溫度區(qū)間），防止析出一種脆硬的金屬間化合物，從而降低塑性、韌性和抗晶間腐蝕能力。

  d. 定位焊長(zhǎng)度為80mm~100mm，間距150mm~220mm，盡量避免在材料表面引弧，以造成點(diǎn)蝕。

  e. 在焊接操作過(guò)程中，采取窄焊道，多層多道以及回火焊道。這樣可以對(duì)上一層焊道起到后熱作用，促進(jìn)接頭熔合區(qū)中的鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，從而部分改善焊接接頭組織和力學(xué)性能，并注意填滿弧坑。

  f. 焊條不擺動(dòng)，焊道寬度不超過(guò)16mm，厚度為3mm~4mm。焊接熱輸入需控制適當(dāng)，一般在0.5kJ/mm~2.5kJ/mm之間。

  g. 控制焊接變形，使用反變形和分段退焊的焊接順序。盡量采用2人對(duì)稱焊接，焊接過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)有變形，則調(diào)整焊接順序，如角變形凹一側(cè)停止焊接，待凸一側(cè)焊接沒(méi)有發(fā)現(xiàn)變形再焊。

   h. 2205雙相不銹鋼與S316LN奧氏體不銹鋼焊接參數(shù)如表所示。

三、試驗(yàn)結(jié)果及分析

 1. 無(wú)損檢測(cè)

 對(duì)本次試驗(yàn)橫、立對(duì)接縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。按照CB/T3558-2011射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%RT檢測(cè)，并按照CB/T3958-2004標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%著色滲透（PT）檢測(cè)，試件無(wú)裂紋、夾渣、未焊透、咬邊、氣孔等缺陷，RT檢測(cè)為I級(jí)合格，PT檢測(cè)為Ⅱ級(jí)合格，均滿足規(guī)范合格要求。

 2. 接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

  a. 拉伸試驗(yàn) 

   按照DNV規(guī)范要求，在2塊焊制試板上分別取兩組4根拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，橫向抗拉強(qiáng)度結(jié)果如表8所示。其焊接試板接頭拉伸試樣的斷裂位置均在強(qiáng)度較低的S316LN母材上，兩組焊接接頭都滿足DNV焊接規(guī)范的強(qiáng)度要求，說(shuō)明焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)于原母材。

  b. 彎曲試驗(yàn)

   根據(jù)DNV規(guī)范規(guī)定進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，彎曲性能檢測(cè)結(jié)果表明，焊接接頭強(qiáng)度比原母材的強(qiáng)度略高。橫向側(cè)彎8組，試驗(yàn)厚度20mm，彎軸直徑D=100mm，彎角180°，試驗(yàn)彎曲到規(guī)定的角度后，沒(méi)有開(kāi)口缺陷。拉伸性能、橫向彎曲試驗(yàn)均滿足DNV標(biāo)準(zhǔn)要求。

 3. 宏觀金相

 滿足DNV規(guī)范要求，如圖所示。經(jīng)過(guò)以上試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)值均滿足試驗(yàn)前的預(yù)期結(jié)果，焊接工藝試驗(yàn)獲得DNV船級(jí)社認(rèn)可。

四、實(shí)船應(yīng)用

 焊接工藝試驗(yàn)取得了DNV船級(jí)社認(rèn)可，在“波維特”輪修理中，不銹鋼艙體換新取得了滿意效果。通過(guò)“波維特”輪異種不銹鋼間的焊接成功實(shí)踐，使我們掌握了S316LN與2205雙相不銹鋼間的焊接，積累了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)今后船舶建造、修理及改裝結(jié)構(gòu)制造及此類材料的應(yīng)用提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

五、結(jié)束語(yǔ)

 S316LN和2205雙相不銹鋼抗腐蝕、耐低溫性能良好，但用在不同產(chǎn)品上要求不同，所以不能教條照搬，必須要進(jìn)行焊材、焊接工藝方法選擇和試驗(yàn)研究。雖然S316LN和2205雙相不銹鋼焊接工藝性能優(yōu)良，若異種不銹鋼焊接處理不當(dāng)，仍會(huì)產(chǎn)生熱裂紋，沖擊韌性也會(huì)不理想。

 異種不銹鋼間焊接可能發(fā)生的質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)焊工來(lái)說(shuō)并不是顯而易見(jiàn)的，故在焊接過(guò)程中需加強(qiáng)自檢。焊工必須認(rèn)識(shí)到焊縫質(zhì)量取決于是否嚴(yán)格地執(zhí)行焊接工藝，高質(zhì)量焊縫不是偶然產(chǎn)生的，必須依靠可靠的質(zhì)量體系。焊接操作人員應(yīng)該牢記異種不銹鋼的焊接特征，摒棄焊接碳鋼的不良習(xí)慣，才能做好不銹鋼的焊接。