S316LN与2205双相不锈钢间的异种不锈钢焊接工艺研究及应用

 摘要在“波维特”LPG船修理中，由于应力及化学腐蚀，导致不锈钢舱体出现裂纹，需要换新和修理。而舱体采用S316LN奥氏体不锈钢，国内暂无此类材料供货。船东为了缩短修理周期，要求采用各项性能优于S316LN的2205双相不锈钢进行换新修理。在异种不锈钢焊接中，为了防止出现裂纹或力学性能不能满足要求的情况，故主要从耐蚀性、焊接性及焊材、焊接工艺方面对S316LN奥氏体不锈钢与2205双相不锈钢进行试验分析。在实船应用中，焊缝的UT和MT检测合格率达到了100%，取得较好效果，为今后船舶建造、修理及改装积累了经验。

 近年来，奥氏体不锈钢、复合不锈钢和双相不锈钢在化学品船、LPG船、LNG船，以及海工产品的建造中大量应用。但随着造船技术经验的积累和提高，2205双相不锈钢因具有优良的耐蚀性和焊接性能，在新造化学品船和LPG船中，逐渐替代了奥氏体不锈钢和复合不锈钢。

 在“波维特”LPG轮修理中，修理工程涉及舱体S316LN的裂纹修补或换新，主甲板普通船板与不锈钢舱体换新修理，如图所示。船东要求采用2205双相不锈钢进行换新，由于老船主要采用S316LN不锈钢材料，因此更换的2205双相不锈钢与S316LN不锈钢需进行焊接，而公司又是第一次遇到异种不锈钢焊接，故2205双相不锈钢与S316LN焊接必须进行试验研究，从而确定施工中的焊接工艺参数和要领，以确保实船施工达到预期质量要求。

一、S316LN和2205双相不锈钢焊接性

  1. S316LN奥氏体不锈钢的焊接性

  S316LN是奥氏体不锈钢系列中的一种材料，其性能和S316L奥氏体不锈钢相似，就是在它的基体上添加了氮元素，并减少了碳含量。又因S316L具有较好地抗氯化物腐蚀性能，故S316LN不锈钢抗晶间腐蚀性能、耐点蚀、抗孔洞腐蚀和高强度的力学性能等优于S3161奥氏体不锈钢及普通不锈钢。因而S316LN不锈钢在化学品船、海洋工程和化学容器中得到了广泛应用，甚至可以使用在核能源工业中。奥氏体不锈钢焊接主要存在热裂纹、晶间腐蚀和应力腐蚀等问题，单相奥氏体不锈钢的热烈纹倾向较大。奥氏体不锈钢具有高的电阻率、较高的线膨胀系数、较低的热导率，焊接过程中容易产生拉应力。另外奥氏体钢焊缝结晶时容易形成方向性强的柱状晶，有利于杂质偏析，形成易熔共晶夹层，引起热裂纹。

  2. 2205双相不锈钢的焊接性

  2205高合金钢（UNSS32305/S31803）是由铬：21%~23%、钼：2.5%~3.5%和镍：5%~6.5%等合金元素复合而成的不锈钢，又被称为铁素体+奥氏体不锈钢（双相不锈钢），是一种节镍的不锈钢，同时兼具铁素体和奥氏体不锈钢的冶金特点。与铁素体不锈钢相比，无室温脆性转变，塑性、韧性更高，焊接性和抗晶间腐蚀性能均显著提高。同时又具有铁素体不锈钢的一部分特性，如线膨胀系数小、475℃脆性、导热系数高、具有超塑性等特点。与奥体不锈钢相比，2205双相不锈钢抗拉强度高，其中屈服强度得到显著提高，并抗应力腐蚀、抗晶间腐蚀和抗氯化物等性能都有显著的改善，2205双相不锈钢还具有优良的耐孔蚀性能、良好的低温冲击韧性，高钼含量具有较好的抗点蚀性能，但冷、热加工性能不及奥氏体不锈钢。

  2205双相不锈钢在大多数不锈钢系列中具有较好的焊接性，它既不像奥氏体不锈钢对焊接热裂纹比较敏感，也不像铁素体不锈钢因晶粒严重粗化而使接头脆化，塑性及韧性大幅下降。2205双相不锈钢焊前不需要预热，因其焊接冷裂纹及热裂纹的敏感性都比较小，因而焊后不需要热处理。但应选择合理的焊接热输入并严格控制层间温度，这是为了获得合理的相比例及防止脆化相的析出。

  3. S316LN与2205双相不锈钢的焊接性

  2205双相不锈钢与S316LN奥氏体不锈钢相比，由于铬、钼及氮的含量较高，其抗腐蚀特性在大多数环境下，热膨胀系数更低，导热性更高。在异种金属焊接中，由于物理、化学性能和合金元素等差异较大，故而异种不锈钢焊接比同类材料焊接困难。2205双相不锈钢与S316LN奥氏体不锈钢的焊接存在散热性、熔化比、合金元素迁移和残余应力引起焊接变形等问题，在焊接工艺控制中，如热输入量大小、焊接方法选择、焊材配比和稀释率大小等，都可能使焊缝接头产生未熔合、热裂纹、夹渣等缺陷，严重还会使接头力学性能下降。

  异种不锈钢焊接存在熔深不同及稀释作用，必须注意几点：选择高配的焊材钼和镍含量，防止奥氏体把合金元素镍稀释。一般这类接头无腐蚀问题，主要是避免热裂纹或熔合区的裂纹。其次为了防止晶间裂纹，应选择含碳小于0.03%的焊材，最后还要考虑因焊缝熔合比及热膨胀系数不同，所引起热裂纹、残余应力和焊接变形，固需要进行焊接工艺试验。

二、焊接材料、方法和工艺

 1. 焊接材料和方法

 焊接试验材料为2205双相不锈钢和S316LN奥氏体不锈钢，其试板规格为：380mm×280mm×22.5mm和380mm×280mm×20mm的板材。

 具体的焊接材料、方法如表3所示，材料的化学成分如表4所示。焊接设备采用杭州凯尔达电焊机有限公司生产的ZX7-400逆变直流弧焊机。

 2. 接头形式设计

 为了保证焊透，并考虑到焊接热输入对焊接接头组织的影响，尽量减少母材金属稀释到熔敷金属中的比例，坡口的加工方法应尽量采用机加工，也可以采用等离子切割。由于双相不锈钢的热导系数只有碳一锰钢的1/3，因此在设计单面焊接接头时应适当增加钝边的厚度，防止焊趾处烧穿或咬边。接头坡口制备使用手工等离子切割机、自动等离子切割机和机加工，接头形式为X型。切割完成后，对影响焊接质量的氧化膜、锯齿及熔渣进行清理，表面清理应使用不锈钢专用砂轮片和钢丝刷，必要时可采用丙酮或酒精进行擦洗。设计接头形式、坡口形式及尺寸如表所示。

 3. 焊接工艺要点

  a. 坡口及坡口边缘20mm~30mm区域必须清洁干燥，不应有油污、油漆、油及水等杂质。

  b. 焊前不需要预热，但可作除湿处理（温度≤40℃）。尽量不要用火焰加热，避免焊缝碳含量增加。

  c. 控制层间温度在100℃以内，快速冷却，尽量减少在450℃~850℃的停留时间（避开脆性温度区间），防止析出一种脆硬的金属间化合物，从而降低塑性、韧性和抗晶间腐蚀能力。

  d. 定位焊长度为80mm~100mm，间距150mm~220mm，尽量避免在材料表面引弧，以造成点蚀。

  e. 在焊接操作过程中，采取窄焊道，多层多道以及回火焊道。这样可以对上一层焊道起到后热作用，促进接头熔合区中的铁素体向奥氏体转变，从而部分改善焊接接头组织和力学性能，并注意填满弧坑。

  f. 焊条不摆动，焊道宽度不超过16mm，厚度为3mm~4mm。焊接热输入需控制适当，一般在0.5kJ/mm~2.5kJ/mm之间。

  g. 控制焊接变形，使用反变形和分段退焊的焊接顺序。尽量采用2人对称焊接，焊接过程中若发现有变形，则调整焊接顺序，如角变形凹一侧停止焊接，待凸一侧焊接没有发现变形再焊。

   h. 2205双相不锈钢与S316LN奥氏体不锈钢焊接参数如表所示。

三、试验结果及分析

 1. 无损检测

 对本次试验横、立对接缝进行无损检测。按照CB/T3558-2011射线检测标准进行100%RT检测，并按照CB/T3958-2004标准进行100%着色渗透（PT）检测，试件无裂纹、夹渣、未焊透、咬边、气孔等缺陷，RT检测为I级合格，PT检测为Ⅱ级合格，均满足规范合格要求。

 2. 接头力学性能试验

  a. 拉伸试验 

   按照DNV规范要求，在2块焊制试板上分别取两组4根拉伸试样进行拉伸试验，横向抗拉强度结果如表8所示。其焊接试板接头拉伸试样的断裂位置均在强度较低的S316LN母材上，两组焊接接头都满足DNV焊接规范的强度要求，说明焊接接头力学性能优于原母材。

  b. 弯曲试验

   根据DNV规范规定进行了力学性能试验，弯曲性能检测结果表明，焊接接头强度比原母材的强度略高。横向侧弯8组，试验厚度20mm，弯轴直径D=100mm，弯角180°，试验弯曲到规定的角度后，没有开口缺陷。拉伸性能、横向弯曲试验均满足DNV标准要求。

 3. 宏观金相

 满足DNV规范要求，如图所示。经过以上试验，试验数值均满足试验前的预期结果，焊接工艺试验获得DNV船级社认可。

四、实船应用

 焊接工艺试验取得了DNV船级社认可，在“波维特”轮修理中，不锈钢舱体换新取得了满意效果。通过“波维特”轮异种不锈钢间的焊接成功实践，使我们掌握了S316LN与2205双相不锈钢间的焊接，积累了经验数据，对今后船舶建造、修理及改装结构制造及此类材料的应用提供了宝贵经验。

五、结束语

 S316LN和2205双相不锈钢抗腐蚀、耐低温性能良好，但用在不同产品上要求不同，所以不能教条照搬，必须要进行焊材、焊接工艺方法选择和试验研究。虽然S316LN和2205双相不锈钢焊接工艺性能优良，若异种不锈钢焊接处理不当，仍会产生热裂纹，冲击韧性也会不理想。

 异种不锈钢间焊接可能发生的质量问题，对焊工来说并不是显而易见的，故在焊接过程中需加强自检。焊工必须认识到焊缝质量取决于是否严格地执行焊接工艺，高质量焊缝不是偶然产生的，必须依靠可靠的质量体系。焊接操作人员应该牢记异种不锈钢的焊接特征，摒弃焊接碳钢的不良习惯，才能做好不锈钢的焊接。