LNG船舶用因瓦合金可焊性試驗(yàn)法

龔 泓， 秦 駿

(中國船級(jí)社上海分社， 上海 200135)

LNG船舶用因瓦合金可焊性試驗(yàn)法

龔 泓， 秦 駿

(中國船級(jí)社上海分社， 上海 200135)

探討LNG船舶用因瓦合金可焊性的試驗(yàn)方法。從普通的鋼材可焊性試驗(yàn)方法入手，分析用于LNG船舶隔熱保溫層的因瓦合金的可焊性試驗(yàn)方法，采用專利方的十字焊縫測試方法，分析十字焊縫試驗(yàn)的結(jié)果，討論熱裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，論證該方法的的原理和實(shí)際可行性。

LNG；因瓦合金；可焊性試驗(yàn)

0 引 言

因瓦合金是一種鎳鐵合金，它的熱膨脹系數(shù)極低，能在很寬的溫度范圍內(nèi)保持固定長度。它是1896年法國物理學(xué)家 GUIALME C E發(fā)現(xiàn)的一種合金，英文名為invar alloy，意思是體積不變。因瓦合金的特殊性質(zhì)決定了其是船舶行業(yè)中制造大型LNG船舶隔熱保溫層必不可少的材料，可用于防止船體結(jié)構(gòu)在超低溫環(huán)境下冷裂。目前，用于大型LNG船舶的因瓦合金帶材仍然由國外鋼材公司提供。國內(nèi)鋼廠寶鋼集團(tuán)有限公司、鞍鋼集團(tuán)公司正在進(jìn)行國產(chǎn)化的研制。

為進(jìn)一步研究大型LNG船舶因瓦合金帶材的焊接性能，本文采用專利方GTT公司的十字焊縫測試法對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，采用金相顯微鏡分析焊接接頭的金相組織，從理論的角度分析焊縫熱裂紋形成的原因以及該方法對(duì)因瓦合金的成分要求。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 普通鋼材和合金的可焊性試驗(yàn)方法

對(duì)于船用鋼材的可焊性，以中國船級(jí)社為例，基本采用一定的焊接接頭型式，分別采用小線能量(約15 kJ/cm)和大線能量(約50 kJ/cm)的焊接工藝制作一塊對(duì)接試板，且要求對(duì)接試板的焊縫應(yīng)垂直于鋼板軋制方向。試驗(yàn)時(shí)要求記錄所有的焊接參數(shù)(焊材牌號(hào)、焊材直徑、焊接坡口形式、預(yù)熱溫度、道間溫度、電流種類、焊接電流、焊接電壓、焊接速度、焊接熱輸入值、焊接道次記錄等)。

焊接性能試驗(yàn)包括：

(1) 兩個(gè)全厚度橫向拉伸試驗(yàn)。如果試樣的破斷力超過加載設(shè)備的能力時(shí)，可分成幾個(gè)試樣進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)。每個(gè)試樣的厚度不小于25 mm。以各試樣試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為整個(gè)接頭的試驗(yàn)結(jié)果。試樣制備時(shí)應(yīng)用機(jī)械方法去除焊縫表面余高，使之與母材原始表面齊平，要求提交抗拉強(qiáng)度值、試樣斷裂位置。

(2) 焊縫正反彎曲試樣各1個(gè)，試樣寬度為30 mm，彎心直徑為d=4a，其中a為試樣厚度，彎曲角度α=180°。板厚大于20 mm時(shí)可做2個(gè)側(cè)彎試樣。

(3) 垂直于焊縫的每組3個(gè)沖擊試樣，沖擊試樣缺口分別位于：焊縫中心、熔合線、距熔合線2 mm，5 mm，20 mm處。熔合線由腐蝕方法確定。沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為鋼材的交貨工況溫度。取樣位置距鋼板表面1～2 mm處。厚度大于50 mm時(shí)，還應(yīng)在X型(K型)坡口焊縫根部取樣，缺口位置同上。

(4) HV 5硬度分布試驗(yàn)：在距鋼材上、下表面各1 mm處的焊縫橫截面上做硬度分布試驗(yàn)，測點(diǎn)位置分別在焊縫、熔合線、兩側(cè)的熱影響區(qū)及母材處。熱影響區(qū)內(nèi)測點(diǎn)間距約0.7 mm，每側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)至少3～7點(diǎn)。

(5) 對(duì)大線能量焊接用鋼還應(yīng)測定宏觀(低倍)和微觀組織，焊縫斷面不得有裂紋、未熔合等缺陷。微觀試樣取樣位置為板厚中心線沿焊縫、熔合線和距熔合線2 mm，5 mm，10 mm，20 mm處。

(6) 焊接試板的無損探傷。

從以上船用鋼材可焊性試驗(yàn)項(xiàng)目可以看出中國船級(jí)社和船廠一般通過焊接試板的力學(xué)性能試驗(yàn)、宏觀(低倍)、微觀組織檢查以及硬度檢測和無損檢查的結(jié)果來判斷鋼材和合金的焊接性能。

1.2 因瓦合金的可焊性試驗(yàn)方法

用于大型LNG船舶隔熱保溫層的因瓦合金帶材，常規(guī)的材料厚度包括0.5 mm,0.7 mm,1.0 mm,1.5 mm,3 mm和8 mm。本文探討判斷其可焊性的試驗(yàn)方法。

是否可以沿用普通鋼材的焊接性能評(píng)定方法來測量因瓦合金帶材的可焊性，從鋼廠的鋼材生產(chǎn)的角度來看，傳統(tǒng)的方法雖然能夠測量焊接接頭的各種力學(xué)性能，但不能反映因瓦合金的特性。從船廠的角度來看，傳統(tǒng)的方法未考慮因瓦合金在LNG船舶上的實(shí)際用途[1]。

GTT公司根據(jù)實(shí)際LNG船舶上因瓦合金帶材的焊接接頭型式制定了十字焊縫測試法，通過此測試法來檢測和評(píng)價(jià)鋼廠生產(chǎn)的因瓦合金熱裂紋抵抗能力，從而評(píng)價(jià)鋼廠生產(chǎn)的因瓦合金可焊性。另外也可采用一定規(guī)格的兩個(gè)帶材的搭接焊縫宏觀斷面試驗(yàn)來補(bǔ)充評(píng)價(jià)鋼廠生產(chǎn)的因瓦合金可焊性。

GTT公司的試驗(yàn)方法：第一道焊縫為在不加載力的狀態(tài)下焊接完成，焊接方法可采用自動(dòng)鎢極氬弧焊接[2]，第二道焊縫為板材受拉伸力的作用下焊接完成，第一道焊縫與第二道焊縫交界處在受到拉應(yīng)力的作用下經(jīng)歷第二道焊接的熱循環(huán)，觀察裂紋產(chǎn)生情況來判斷抗熱裂性能。焊接電流：第一道焊縫和第二道焊縫均為60 A。焊接速度：100 mm/min。電弧長度：約1.5～1.6 mm(焊縫寬度大于5 mm時(shí))。載荷：根據(jù)120 MPa應(yīng)力進(jìn)行加載。當(dāng)試樣拉力加載后進(jìn)行第二道焊縫的試驗(yàn)。十字焊縫測試試樣如圖1所示。

圖1 十字焊縫測試試樣

具體試驗(yàn)情況：試驗(yàn)板材為寶鋼特鋼有限公司生產(chǎn)的1.5 mm厚冷軋因瓦帶材，第一道和第二道焊縫采用相同的焊接工藝，焊接方法為自動(dòng)鎢極氬弧焊接，焊接電流60 A，焊接速度100 mm/min，焊接順序?yàn)橄劝宀淖詣?dòng)鎢極氬弧自熔焊第一道焊縫，然后將板材剪裁成圖1所示試樣尺寸(為拉伸加載夾持方便，長度方向加工長度為300 mm)，第二道焊縫于試樣兩端加載至9 000 N的載荷狀態(tài)后進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

宏觀試樣未觀察到裂紋，進(jìn)一步在試樣的兩道焊縫交界處取樣，并將表面磨平拋光腐蝕，在顯微鏡下觀察，可清晰地看出第一道焊縫接近第二道焊縫的位置沒有裂紋的產(chǎn)生，如圖2所示。

圖2 焊縫交界處金相照片

2.2 試驗(yàn)結(jié)果討論

從金相照片看，焊接組織致密，沒有氣孔以及夾雜。焊接組織主要是柱狀樹枝晶體，焊縫中心存在明顯的焊縫中心線。

用于大型LNG船舶隔熱保溫層的因瓦合金化學(xué)成分[3]如表1所示。

表1 用于大型LNG船舶隔熱保溫層的因瓦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

因瓦合金主要是Fe和Ni元素單相奧氏體，它的二元相圖的固/液線在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%的相鄰區(qū)域呈基本水平，因此成分過冷可以忽略，主要是溫度過冷凝固[4]。焊接熱裂紋的形成條件為同時(shí)存在液態(tài)薄膜和拉應(yīng)力，十字焊縫試驗(yàn)人為地增加了拉應(yīng)力，加大了產(chǎn)生焊接熱裂紋的可能性[5]。

鎳基合金具有較高的焊接熱裂紋敏感性，通常認(rèn)為控制Mn和Ti等元素可控制焊接熔池中S和P含量，Mn在焊縫金屬中生成MnS,使S不能和Ni形成低熔點(diǎn)共晶體Ni-Ni3S,這可有效降低熱裂紋敏感性[6]。有資料顯示，Nb的碳化物在晶界呈塊狀析出，破壞焊接熔池液化膜的連續(xù)性，控制微量元素Nb等可提高焊縫的抗裂紋性[2]。

從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，鋼廠對(duì)焊接性能有影響的元素的控制情況可以評(píng)價(jià)鋼廠生產(chǎn)的因瓦合金的可焊性。

3 結(jié) 論

LNG船舶的制造是造船技術(shù)皇冠上的明珠。在船舶制造業(yè)走向限產(chǎn)能的今天，船廠都努力提高船舶的附加值。研究LNG船舶的制造技術(shù)，尤其是研究其核心的因瓦合金焊接技術(shù)已經(jīng)是交通運(yùn)輸部的重點(diǎn)課題項(xiàng)目。

從十字焊縫試驗(yàn)的結(jié)果以及金相分析情況來看：(1)寶鋼集團(tuán)有限公司研制的用于大型LNG船舶隔熱保溫層的因瓦合金帶材其焊接性能滿足要求。(2)專利方GTT公司的十字焊縫試驗(yàn)相比通常船級(jí)社采用的鋼材可焊性試驗(yàn)更接近LNG船舶中因瓦合金帶材的使用情況。試驗(yàn)方法也更加嚴(yán)格，更能反映鋼廠對(duì)因瓦合金焊接性能有影響的元素的控制情況。

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[6] 姚壽山，牛明安.冷卻速度對(duì)鎳基合金堆焊層焊接熱裂紋的影響[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用，1997(2)：2-6.

Method of Invar Alloy’s Weldability Test for LNG Carrier

GONG Hong， QING Jun

(Shanghai Branch， China Classification Society， Shanghai 200135， China)

The method of invar alloy's weldability test is discussed. The weldability test method of invar alloy using in heat-insulation layer of LNG carrier is analyzed from the weldability test of common iron. The cross weld test results are analyzed by the patented method and the cause of hot cracking was discussed. The principle and feasibility of this method are demonstrated.

LNG； invar alloy； weldability test

龔 泓 (1973-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榇媒饘俨牧?/p>

1000-3878(2017)04-0079-03

TG457；U671

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