VLEC B型艙5Ni鋼免預熱焊接工藝

高米光，張梓孝，趙立剛

(江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913)

0 引 言

99 000 m3超大型乙烷運輸船(Very Large Ethane Carrier，VLEC)是公司自主研發(fā)設計的新船型，采用擁有自主知識產權的BrilliancE B型貨物維護系統(tǒng)，為全球最大運力級別乙烷運輸船。該型船B型艙設計溫度為-104 ℃，選用低溫性能優(yōu)異的5Ni鋼(牌號：X12Ni5；標準：EN 10028-4)。在公司以往產品建造中，5Ni鋼主要應用于C型罐，在焊接時以手工焊條為主，焊前需要對母材進行預熱。C型罐建造以20 mm以上厚板為主，而該型船B型艙結構以7～12 mm薄板為主，若仍采用原5Ni鋼焊條進行焊接，則需要增加焊前預熱工序，且薄板預熱溫度稍高易產生波浪變形，影響裝配和焊接。為便于現(xiàn)場施工和提升焊接效率，根據(jù)該型船B型艙的結構特點、建造方案及焊接工藝要求，開展OK 92.55焊條和NI-C70S焊條免預熱焊接的工藝試驗研究。

1 焊條性能

OK 92.55焊條和NI-C70S焊條均為Ni基焊條，分別對應AWS A5.11E NiCrMo-6牌號和NiCrFe-9牌號[1]，可滿足-196 ℃低溫夏比V型沖擊性能要求。兩種焊條在焊接時，熔池流動性相對較好，適用于全位置焊接。

對兩種焊條的化學成分(質量分數(shù))和力學性能進行試驗分析。檢驗依據(jù)為美國焊接學會(American Welding Society，AWS)的AWS A5.11/A5.11M-2018標準和美國船級社(ABS)規(guī)范。分別取兩種焊條直徑為3.2 mm和4.0 mm的樣品進行熔敷金屬試驗檢驗，檢驗項目如下：

(1)化學成分(質量分數(shù))分析：C、Mn、Si、S、P、Cr、Ni、Mo、Fe化學元素復驗。

(2)力學性能檢驗：圓棒拉伸試樣1個；-196 ℃夏比V型沖擊1組。

4付熔敷金屬試板焊后的化學成分(質量分數(shù))如表1和表2所示，力學性能如表3和表4所示。由表1和表2可知：兩種焊條的各項合金元素質量分數(shù)雖有所不同，但均滿足AWS相關標準要求。由表3和表4可知：兩種焊條的力學性能均滿足AWS相關標準要求，屈服強度及-196 ℃夏比V型沖擊功均滿足ABS規(guī)范要求。

表1 OK 92.55焊條化學成分(質量分數(shù)) %

表2 NI-C70S焊條化學成分(質量分數(shù)) %

表3 OK 92.55焊條力學性能

表4 NI-C70S焊條力學性能

2 抗裂性對比試驗

5Ni鋼供貨狀態(tài)為經淬火加回火處理的調質狀態(tài)，Ni質量分數(shù)為4.750%～5.250%，較高的Ni質量分數(shù)大幅提高鋼的韌性，但使5Ni鋼在焊接時對液化裂紋等熱裂紋較為敏感[2]。在采用Ni基或Ni-Cr-Mo系焊材焊接時，焊縫金屬含有較高質量分數(shù)的Ni。Ni與S、P和B等元素均可形成低熔點共晶體，在焊縫結晶過程中形成低熔點雜質的液態(tài)薄膜。焊縫一次結晶為單向奧氏體柱狀晶，易產生低熔點雜質偏析，且奧氏體線脹系數(shù)大，導致焊接內應力和焊接變形大而產生熱裂紋，尤其是弧坑裂紋[3]。需要對OK 92.55焊條和NI-C70S焊條進行現(xiàn)場總線本質安全概念(Fieldbus Intrinsically Safe Concept，F(xiàn)ISCO)抗裂性試驗，以驗證其抗熱裂紋性能。按文獻[4]要求進行兩種焊條的FISCO抗裂性試驗。在同等焊接試驗條件下，兩種焊條的試樣均無裂紋產生，抗熱裂性良好。

3 焊接工藝試驗

根據(jù)該型船B型艙的結構、分段劃分、建造流程和建造場地等因素，對B型艙5Ni鋼手工焊接主要應用位置進行梳理，根據(jù)實船建造需求并結合ABS規(guī)范[5]和國際海事組織(IMO)標準[6]要求，采用5Ni鋼OK 92.55焊條和NI-C70S焊條進行對接焊和角接焊工藝試驗，對接焊后對試板進行滲透探傷(Penetrant Testing，PT)和射線探傷(Radiography Testing，RT)，角接焊后對試板進行PT。

3.1 對接焊工藝試驗

兩種焊條在用于5Ni鋼對接焊時，均為雙面焊接，反面焊前需要碳刨清根，分別進行平、橫、立、仰位置的焊接，試板規(guī)格(長×寬×厚)為1 000 mm×150 mm×8 mm。對接焊工藝試驗項目及要求如表5所示。

表5 對接焊工藝試驗項目及要求

3.1.1 試板焊接

試板焊接使用交流焊機，母材焊前不預熱，在焊接時層間溫度控制在200 ℃以下，雙面焊接，V型坡口，各位置的焊接工藝參數(shù)參照焊材廠家的推薦參數(shù)，并根據(jù)實際焊接情況進行試驗摸索。3G位置OK-7試板和NI-7試板焊接工藝參數(shù)如表6所示。據(jù)焊工反饋，兩種焊條工藝操作性均較好，引弧容易，熔池流動性較好，手勢容易掌控。

表6 3G位置OK-7試板和NI-7試板焊接工藝參數(shù)

3.1.2 試板探傷

OK 92.55焊條對接焊試板探傷均一次合格。在NI-C70S焊條對接焊試板探傷中，平、橫和立等3個位置探傷一次合格；仰焊位置第1次試驗的探傷結果為氣孔超標，進行1次補焊，探傷合格。

3.1.3 力學性能檢驗

根據(jù)IMO標準和ABS規(guī)范要求，對試板焊接接頭進行相應力學性能檢驗。3G位置OK-7試板和NI-7試板焊接接頭力學性能如表7所示。試板焊接接頭的抗拉強度、冷彎和低溫沖擊等力學性能均滿足上述規(guī)范要求，但焊縫中心及熔合線處低溫夏比V型沖擊功較低，在工藝評定試驗及實船應用時應嚴格控制焊接線能量與層間溫度，進一步提高低溫夏比V型沖擊功。

表7 3G位置OK-7試板和NI-7試板焊接接頭力學性能

3.1.4 金相硬度檢驗

對試板焊接接頭進行宏觀金相和硬度(HV10)檢驗。3G位置OK-7試板和NI-7試板宏觀金相如圖1所示。由圖1可知：焊縫及熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)裂紋和未熔合等缺陷。焊縫、熱影響區(qū)及母材部位經硬度(HV10)檢驗，OK 92.55焊條對接焊試板硬度值為173～290，NI-C70S焊條對接焊試板硬度值為170～299，均小于規(guī)范要求的350，檢驗合格。

圖1 3G位置OK-7試板和NI-7試板宏觀金相

3.2 角接焊工藝試驗

兩種焊條分別進行單道平角焊、立角焊及仰角焊，試板規(guī)格(長×寬×厚)為700 mm×150 mm×10 mm。角接焊工藝試驗項目及要求如表8所示。

表8 角接焊工藝試驗項目及要求

3.2.1 試板焊接

試板焊接使用交流焊機。3F位置OK-10試板和NI-10試板焊接工藝參數(shù)如表9所示。

表9 3F位置OK-10試板和NI-10試板焊接工藝參數(shù)

3.2.2 試板探傷

焊縫表面未發(fā)現(xiàn)氣孔和裂紋等缺陷，探傷合格。

3.2.3 折斷檢驗

對試板焊接接頭進行折斷檢驗，折斷后的斷口表面均無缺陷，檢驗合格。

3.2.4 金相硬度檢驗

對角焊縫進行宏觀金相檢驗。3F位置OK-10試板和NI-10試板宏觀金相如圖2所示。由圖2可知：試板焊縫及熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)裂紋和未熔合等缺陷，檢驗合格。經硬度(HV10)檢驗，OK 92.55焊條角接焊試板硬度值為171～327，NI-C70S焊條角接焊試板硬度值為165～315，均小于規(guī)范要求的350，檢驗合格。

圖2 3F位置OK-10試板和NI-10試板宏觀金相

4 結 語

通過OK 92.55焊條和NI-C70S焊條的性能、抗裂性和焊接工藝試驗研究，兩種焊條本身化學成分(質量分數(shù))和力學性能均滿足AWS相關標準要求，抗裂性能良好且其工藝操作性良好，焊接接頭力學性能均滿足IMO標準和ABS規(guī)范要求，在合理參數(shù)條件下，兩種焊條均可實現(xiàn)5Ni鋼薄板結構免預熱焊接。在選型試驗后，已完成30余項工藝評定試驗，均取得ABS認可。在控制線能量輸入和層間溫度的條件下，兩種焊條均可應用于該型船B型艙5Ni鋼薄板結構免預熱焊接的實船建造。