S316LN與2205雙相不銹鋼間的異種不銹鋼焊接工藝研究及應用

 摘要在“波維特”LPG船修理中，由于應力及化學腐蝕，導致不銹鋼艙體出現裂紋，需要換新和修理。而艙體采用S316LN奧氏體不銹鋼，國內暫無此類材料供貨。船東為了縮短修理周期，要求采用各項性能優于S316LN的2205雙相不銹鋼進行換新修理。在異種不銹鋼焊接中，為了防止出現裂紋或力學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S316LN奧氏體不銹鋼與2205雙相不銹鋼進行試驗分析。在實船應用中，焊縫的UT和MT檢測合格率達到了100%，取得較好效果，為今后船舶建造、修理及改裝積累了經驗。

 近年來，奧氏體不銹鋼、復合不銹鋼和雙相不銹鋼在化學品船、LPG船、LNG船，以及海工產品的建造中大量應用。但隨著造船技術經驗的積累和提高，2205雙相不銹鋼因具有優良的耐蝕性和焊接性能，在新造化學品船和LPG船中，逐漸替代了奧氏體不銹鋼和復合不銹鋼。

 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焊接必須進行試驗研究，從而確定施工中的焊接工藝參數和要領，以確保實船施工達到預期質量要求。

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、耐點蝕、抗孔洞腐蝕和高強度的力學性能等優于S3161奧氏體不銹鋼及普通不銹鋼。因而S316LN不銹鋼在化學品船、海洋工程和化學容器中得到了廣泛應用，甚至可以使用在核能源工業中。奧氏體不銹鋼焊接主要存在熱裂紋、晶間腐蝕和應力腐蝕等問題，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、較低的熱導率，焊接過程中容易產生拉應力。另外奧氏體鋼焊縫結晶時容易形成方向性強的柱狀晶，有利于雜質偏析，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），是一種節鎳的不銹鋼，同時兼具鐵素體和奧氏體不銹鋼的冶金特點。與鐵素體不銹鋼相比，無室溫脆性轉變，塑性、韌性更高，焊接性和抗晶間腐蝕性能均顯著提高。同時又具有鐵素體不銹鋼的一部分特性，如線膨脹系數小、475℃脆性、導熱系數高、具有超塑性等特點。與奧體不銹鋼相比，2205雙相不銹鋼抗拉強度高，其中屈服強度得到顯著提高，并抗應力腐蝕、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焊接熱裂紋比較敏感，也不像鐵素體不銹鋼因晶粒嚴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。但應選擇合理的焊接熱輸入并嚴格控制層間溫度，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環境下，熱膨脹系數更低，導熱性更高。在異種金屬焊接中，由于物理、化學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力引起焊接變形等問題，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生未熔合、熱裂紋、夾渣等缺陷，嚴重還會使接頭力學性能下降。

  異種不銹鋼焊接存在熔深不同及稀釋作用，必須注意幾點：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。一般這類接頭無腐蝕問題，主要是避免熱裂紋或熔合區的裂紋。其次為了防止晶間裂紋，應選擇含碳小于0.03%的焊材，最后還要考慮因焊縫熔合比及熱膨脹系數不同，所引起熱裂紋、殘余應力和焊接變形，固需要進行焊接工藝試驗。

二、焊接材料、方法和工藝

 1. 焊接材料和方法

 焊接試驗材料為2205雙相不銹鋼和S316LN奧氏體不銹鋼，其試板規格為：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，材料的化學成分如表4所示。焊接設備采用杭州凱爾達電焊機有限公司生產的ZX7-400逆變直流弧焊機。

 2. 接頭形式設計

 為了保證焊透，并考慮到焊接熱輸入對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，坡口的加工方法應盡量采用機加工，也可以采用等離子切割。由于雙相不銹鋼的熱導系數只有碳一錳鋼的1/3，因此在設計單面焊接接頭時應適當增加鈍邊的厚度，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、自動等離子切割機和機加工，接頭形式為X型。切割完成后，對影響焊接質量的氧化膜、鋸齒及熔渣進行清理，表面清理應使用不銹鋼專用砂輪片和鋼絲刷，必要時可采用丙酮或酒精進行擦洗。設計接頭形式、坡口形式及尺寸如表所示。

 3. 焊接工藝要點

  a. 坡口及坡口邊緣20mm~30mm區域必須清潔干燥，不應有油污、油漆、油及水等雜質。

  b. 焊前不需要預熱，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，快速冷卻，盡量減少在450℃~850℃的停留時間（避開脆性溫度區間），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. 定位焊長度為80mm~100mm，間距150mm~220mm，盡量避免在材料表面引弧，以造成點蝕。

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

  f. 焊條不擺動，焊道寬度不超過16mm，厚度為3mm~4mm。焊接熱輸入需控制適當，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人對稱焊接，焊接過程中若發現有變形，則調整焊接順序，如角變形凹一側停止焊接，待凸一側焊接沒有發現變形再焊。

   h. 2205雙相不銹鋼與S316LN奧氏體不銹鋼焊接參數如表所示。

三、試驗結果及分析

 1. 無損檢測

 對本次試驗橫、立對接縫進行無損檢測。按照CB/T3558-2011射線檢測標準進行100%RT檢測，并按照CB/T3958-2004標準進行100%著色滲透（PT）檢測，試件無裂紋、夾渣、未焊透、咬邊、氣孔等缺陷，RT檢測為I級合格，PT檢測為Ⅱ級合格，均滿足規范合格要求。

 2. 接頭力學性能試驗

  a. 拉伸試驗 

   按照DNV規范要求，在2塊焊制試板上分別取兩組4根拉伸試樣進行拉伸試驗，橫向抗拉強度結果如表8所示。其焊接試板接頭拉伸試樣的斷裂位置均在強度較低的S316LN母材上，兩組焊接接頭都滿足DNV焊接規范的強度要求，說明焊接接頭力學性能優于原母材。

  b. 彎曲試驗

   根據DNV規范規定進行了力學性能試驗，彎曲性能檢測結果表明，焊接接頭強度比原母材的強度略高。橫向側彎8組，試驗厚度20mm，彎軸直徑D=100mm，彎角180°，試驗彎曲到規定的角度后，沒有開口缺陷。拉伸性能、橫向彎曲試驗均滿足DNV標準要求。

 3. 宏觀金相

 滿足DNV規范要求，如圖所示。經過以上試驗，試驗數值均滿足試驗前的預期結果，焊接工藝試驗獲得DNV船級社認可。

四、實船應用

 焊接工藝試驗取得了DNV船級社認可，在“波維特”輪修理中，不銹鋼艙體換新取得了滿意效果。通過“波維特”輪異種不銹鋼間的焊接成功實踐，使我們掌握了S316LN與2205雙相不銹鋼間的焊接，積累了經驗數據，對今后船舶建造、修理及改裝結構制造及此類材料的應用提供了寶貴經驗。

五、結束語

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

 異種不銹鋼間焊接可能發生的質量問題，對焊工來說并不是顯而易見的，故在焊接過程中需加強自檢。焊工必須認識到焊縫質量取決于是否嚴格地執行焊接工藝，高質量焊縫不是偶然產生的，必須依靠可靠的質量體系。焊接操作人員應該牢記異種不銹鋼的焊接特征，摒棄焊接碳鋼的不良習慣，才能做好不銹鋼的焊接。