不銹鋼船用焊接技術及焊接材料
不銹鋼船用焊接技術及焊接材料
（選自《機械工人》（熱加工） 2007年第2期 TH2007038/2）
一、我國造船業的發展
我國造船業在建國初期伴隨共和國成長的步伐，在非常薄弱的基礎上艱難起步。經過幾代人不懈的努力，自力更生，自主創新，由只能修船到自行建造現代化船艇，記錄了我國船舶建造業成長的歷程。經過幾十年的奮斗拼搏，中國已經和韓國、日本一同躋身世界造船三甲之列。然而，進軍世界第一造船大國的目標不僅是造船總量的增長，要成為造船強國，必須要在造船技術和水平上有所突破和提高。進入21世紀以來，中國造船業在尖端領域加速了“攀高”的步伐，并且已經取得了令人矚目的成就。目前，除常規船型外，中國已經能夠建造30萬噸級巨型油輪(VLCC)、大型集裝箱船、成品油船、液化天然氣(LNG)船，雙相不銹鋼化學品船等各類高技術、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公認的高技術含量、高附加值的船型之一，與普通常規船型比較，具有獨特的優勢。例如，優異的耐腐蝕性、良好的力學性能、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、服役溫度和力學狀態。另外，由于奧氏體不銹鋼及雙相不銹鋼焊接性良好，因此在造船業得到了廣泛的應用。特別是近幾年，隨著我國不銹鋼船建造技術的日趨成熟，各種蘊含尖端技術的不銹鋼化學品船、液化天然氣船等陸續建成下水，開創了我國船舶建造事業的新局面。
造船業的發展離不開焊接，不銹鋼船的建造需要與之相適應的焊接技術及配套的焊接材料。本文將重點討論液化天然氣(LNG)及雙相不銹鋼化學品船項目中，不銹鋼結構的焊接技術及焊接材料。
二、液化天然氣(LNG)船焊接技術及焊接材料
隨著我國經濟的發展，能源消耗不斷增長。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，勢必要建造大量的LNG設施，以滿足天然氣的開采、運輸、加工及儲存等多種功能的需求。這些設施工作環境、條件各不相同，需要的材質也不盡相同。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，對于不同的母材需要選用與之相匹配的焊接材料。針對這一領域的市場需求，我國的焊接材料企業也比較重視，時刻關注著不銹鋼造船技術的發展及對焊材需求的最新動向，在開發和生產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越多，質量已接近或達到國外同類產品水平。這些品種包括藥芯焊絲、實芯焊絲、埋弧焊絲、手工電焊條等。在液化天然氣(LGN)設備中需要大量的管道系統，對于在超低溫條件下工作的系統340L、316L類低碳奧氏體不銹鋼無疑是理想的材料。這些管道系統的焊接接頭同樣要求具有和母材相當的耐腐蝕性能和足夠的低溫沖擊韌度，這就需要通過適當的焊接工藝方法和選擇專用焊材來實現。
1．超低溫韌性要求及夏比沖擊試驗
304L、316L類不銹鋼不僅具有優良的耐腐蝕性，而且同時具有優異的超低溫韌性，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溫度關系曲線對比如圖1所示。
用于焊接液化天然氣(LGN)設施的不銹鋼焊材不同于普通的不銹鋼焊材。按照慣例，只有通過了船級社認證的產品才允許用于造船。根據中國船級社(CCS)2006年版的《材料與焊接規范》中要求，當奧氏體不銹鋼用于深冷條件時，應在-196℃條件下進行沖擊試驗(見表1)。而普通的奧氏體不銹鋼焊材執行國標，一般只需要做熔敷金屬的拉伸試驗，考核項目包括抗拉強度和伸長率，而CCS船檢規范要求的試驗項目和考核指標比國標要苛刻得多。CCS對于初次認可產品的力學性能不僅要求熔敷金屬試驗(平焊位置)，考核項目包括：抗拉強度Rm，伸長率及-196℃夏比V形缺口沖擊功；而且還要進行對接試驗(平、焊、立、仰各位置)，考核項目包括：接頭抗拉強度、彎曲試驗及-196℃夏比V形缺口沖擊試驗。在所有試驗項目中-196℃夏比V形缺口沖擊試驗是最關鍵的一項試驗。表2是試樣在液氮中放置8h和24h后的沖擊試驗結果。
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到-196℃夏比V形沖擊功≥29J的規范要求，但是穩定性不理想。對于采用TIG和MIG焊的焊絲而言，由于保護條件好于需要焊劑保護的，如手工焊條、藥芯焊絲等，低溫韌性的穩定性要好一些，因此為獲得穩定的超低溫韌性，用于LNG項目的手工焊條、藥芯焊絲設計專用的配方進行生產是必要的。試驗發現配方渣系(堿性或酸性渣系)對超低溫韌性影響不大，而焊縫金屬中鐵素體含量對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與-196℃沖擊韌度之間的關系。
由圖2可見，隨著鐵素體含量增加，超過8FN后-196℃沖擊功有下降的趨勢，過高的鐵素體含量對低溫沖擊韌度不利。同時考慮到少量的鐵素體對抵抗結晶裂紋發生是有利的，保留少量鐵素體也是必要的。因此對于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。通過調整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的典型力學性能。
三、雙相不銹鋼化學品船焊接技術及焊接材料
1．雙相不銹鋼的特點
雙相不銹鋼的主要特點是耐腐蝕性強，同時又有較高的強度，這些都是由雙相不銹鋼自身的性質所決定的。雙相不銹鋼的性質主要取決于其化學成分和組織，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于奧氏體不銹鋼的一半。細晶粒強化和Cr、Mo、Ni等合金元素的固溶強化，以及冷變形強化的共同作用使得雙相不銹鋼的屈服強度和抗拉強度遠遠高于奧氏體不銹鋼。圖3是三種不同類型不銹鋼的力學性能對比。
另外，雙相不銹鋼的硬度與強度有關，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，但固溶態的雙相不銹鋼仍然有足夠高的韌性(230J)，它的脆性轉變溫度均在-60℃，因此能夠適應化學品船的使用條件。對于雙相不銹鋼的耐腐蝕性，可以通過耐點蝕當量PREN來表示，例如2205標準雙相不銹鋼的PREN為30～36，可見其耐腐蝕性能比較強。
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勢，如今雙相不銹鋼已在多個領域被廣泛的推廣和應用。尤其在化學品船舶建造行業，典型的2205雙相不銹鋼已經替代316L、317L奧氏體不銹鋼而成為海上化學品運輸船的標準用材。
近幾年，在國外海上化學品船行業是雙相不銹鋼的最大用戶，其消費量約占熱軋板的50％。由于化學品船裝載的液體貨物多種多樣，包括化學、石油產品、食品等，有些產品是對環境或安全有相當危害的有毒、可燃液態化學品，所以要求船艙材料既有耐腐蝕性，又要有較高的強度，這樣才能保證裝載貨物的化學穩定性及運輸安全。
2．雙相不銹鋼化學品船焊接技術
雙相不銹鋼化學品船的焊接關鍵是獲得與母材相當的焊接接頭，因此需要采用相應的焊材和相適應的焊接技術來實現。對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，簡便易操作，通用性強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做為保護氣體，由于保護條件良好，因此焊縫的力學性能優越，尤其是低溫沖擊韌度，但其熔敷效率較低。對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，通過采取合適的坡口形式，正確的熱輸入量及嚴格控制層間溫度，可以對稀釋率加以控制。
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，一般焊前不需預熱焊后也無需熱處理。為使焊縫和焊接HAZ能有合適的奧氏體數量，以保證焊縫和接頭有滿意的力學與耐腐蝕綜合性能，焊接時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℃。在焊接過程中，隨時檢測鐵素體含量，采用多層焊能使整個焊接接頭的組織和性能得到顯著改善，因為在進行多層多道焊時，后續焊道對前層焊道有熱處理作用，焊縫金屬和HAZ中的鐵素體可以進一步轉變成奧氏體，成為以奧氏體占優勢的兩相組織。在附加工藝焊縫存在困難的情況下，制定焊接工藝時，要保證最后一層焊縫處于非工作介質面上。
3．雙相不銹鋼化學品船用焊接材料
對于SAF2205這種含氮的雙相不銹鋼，選用焊接材料時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鋼的化學成分。表5是SAF2205鋼焊接時使用的焊接材料。表6是大橋牌FHAF2209焊條典型的化學成分，表7是大橋牌THAF2209焊條典型的力學性能。
四、結語
雙相不銹鋼化學品船與液化天燃氣船、液化石油氣船等同屬于高技術含量、高附加值的特種船舶，市場前景十分廣闊。目前，國際上只有美國、挪威、澳大利亞、日本及韓國等少數國家可以生產。近幾年，我國的造船業已經攻克了雙相不銹鋼船舶建造的難關，成功建造了數條雙相不銹鋼化學品船