S316LN與2205間的異種不銹鋼焊接工藝研究及應(yīng)用

朱　池， 吳泰峰

(中船澄西船舶修造有限公司， 江蘇 江陰 214433)

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S316LN與2205間的異種不銹鋼焊接工藝研究及應(yīng)用

朱池， 吳泰峰

(中船澄西船舶修造有限公司， 江蘇 江陰 214433)

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(lèi)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的雙相2205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)。

關(guān)鍵詞S316LN2205不銹鋼焊接性試驗(yàn)

0前言

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(見(jiàn)圖1)，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2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材料，因此更換的2205雙相不銹鋼與S316LN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。

圖1　“波維特”化學(xué)品船

圖2　裂紋位置

1S316LN和2205雙相不銹鋼焊接性

1.1S316LN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N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S316L奧氏體不銹鋼及普通不銹鋼。因而S316LN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。

1.22205雙相不銹鋼的焊接性

2205高合金鋼(UNS S32305/S31803)是由21%～23%Cr、2.5%～3.5%Mo和5%～6.5%Ni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。

1.3S316LN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(lèi)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)：(1) 選擇高配的焊材Mo和Ni含量,防止奧氏體把合金元素Ni稀釋。一般這類(lèi)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)。2205雙相不銹鋼及S316LN不銹鋼的化學(xué)成分如表1所示。鋼材化學(xué)成分如表2所示。

表1　不銹鋼化學(xué)成分

表2　鋼材化學(xué)成分

2焊接材料、方法和工藝

2.1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：380 mm×280 mm×22.5 mm和380 mm×280 mm×20 mm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)。

表3　選擇焊接方法和焊材

2.2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-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5所示。

2.3焊接工藝要點(diǎn)

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

(2) 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。

(3) 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。

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

(5) 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。

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

(7) 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。

(8) 2205雙相不銹鋼與S316LN奧氏體不銹鋼焊接參數(shù)如表6、表7所示。

表6　橫對(duì)接焊接參數(shù)

表7　立對(duì)接焊接參數(shù)

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1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。

3.2接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

(1) 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。

表8　橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

(2) 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20 mm，彎軸直徑D=100 mm,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。

3.3宏觀金相

圖3　橫對(duì)接焊縫宏觀金相試樣

圖4　立對(duì)接焊縫宏觀金相試樣　　　　　　　　[下轉(zhuǎn)第98頁(yè)]

滿足DNV規(guī)范要求，如圖3，圖4所示。

Research and Application of Welding Technology on

S316LN and 2205 Stainless Steel

ZHU Chi, WU Tai-feng

(Chengxi Shipyard Co., Ltd., Jiangyin Jiangsu 214433, China)

AbstractDue to stress and chemical corrosion, cracks are to be found on stainless steel tank shell in “BOW VICTOR ” LPG ship repair. Ship owners require to renew the stainless steel which was built by austenitic S316LN. In fact, S316LN stainless steel can’t be bought immediately.To consider the short ship repair cycle, duplex stainless steel 2205 is in lieu of austenitic S316LN. To avoid cracks and dissatisfactory mechanical properties approving in weld joints. This analysis the dissimilar stainless steel welding corrosion resistance, weldability, consumable and welding procedure. In application of actual ship repair, the eligible rate about joints is up to 100% by UT and PT. In the future to shipbuilding, ship repair and refitting has accumulated experience.

KeywordsS316LN2205 stainless steelWeldabilityTesting

中圖分類(lèi)號(hào)U671

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡(jiǎn)介：朱池(1985-)，男，助理工程師。