VLEC B型舱5Ni钢免预热焊接工艺

高米光，张梓孝，赵立刚

(江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913)

0 引 言

99 000 m3超大型乙烷运输船(Very Large Ethane Carrier，VLEC)是公司自主研发设计的新船型，采用拥有自主知识产权的BrilliancE B型货物维护系统，为全球最大运力级别乙烷运输船。该型船B型舱设计温度为-104 ℃，选用低温性能优异的5Ni钢(牌号：X12Ni5；标准：EN 10028-4)。在公司以往产品建造中，5Ni钢主要应用于C型罐，在焊接时以手工焊条为主，焊前需要对母材进行预热。C型罐建造以20 mm以上厚板为主，而该型船B型舱结构以7～12 mm薄板为主，若仍采用原5Ni钢焊条进行焊接，则需要增加焊前预热工序，且薄板预热温度稍高易产生波浪变形，影响装配和焊接。为便于现场施工和提升焊接效率，根据该型船B型舱的结构特点、建造方案及焊接工艺要求，开展OK 92.55焊条和NI-C70S焊条免预热焊接的工艺试验研究。

1 焊条性能

OK 92.55焊条和NI-C70S焊条均为Ni基焊条，分别对应AWS A5.11E NiCrMo-6牌号和NiCrFe-9牌号[1]，可满足-196 ℃低温夏比V型冲击性能要求。两种焊条在焊接时，熔池流动性相对较好，适用于全位置焊接。

对两种焊条的化学成分(质量分数)和力学性能进行试验分析。检验依据为美国焊接学会(American Welding Society，AWS)的AWS A5.11/A5.11M-2018标准和美国船级社(ABS)规范。分别取两种焊条直径为3.2 mm和4.0 mm的样品进行熔敷金属试验检验，检验项目如下：

(1)化学成分(质量分数)分析：C、Mn、Si、S、P、Cr、Ni、Mo、Fe化学元素复验。

(2)力学性能检验：圆棒拉伸试样1个；-196 ℃夏比V型冲击1组。

4付熔敷金属试板焊后的化学成分(质量分数)如表1和表2所示，力学性能如表3和表4所示。由表1和表2可知：两种焊条的各项合金元素质量分数虽有所不同，但均满足AWS相关标准要求。由表3和表4可知：两种焊条的力学性能均满足AWS相关标准要求，屈服强度及-196 ℃夏比V型冲击功均满足ABS规范要求。

表1 OK 92.55焊条化学成分(质量分数) %

表2 NI-C70S焊条化学成分(质量分数) %

表3 OK 92.55焊条力学性能

表4 NI-C70S焊条力学性能

2 抗裂性对比试验

5Ni钢供货状态为经淬火加回火处理的调质状态，Ni质量分数为4.750%～5.250%，较高的Ni质量分数大幅提高钢的韧性，但使5Ni钢在焊接时对液化裂纹等热裂纹较为敏感[2]。在采用Ni基或Ni-Cr-Mo系焊材焊接时，焊缝金属含有较高质量分数的Ni。Ni与S、P和B等元素均可形成低熔点共晶体，在焊缝结晶过程中形成低熔点杂质的液态薄膜。焊缝一次结晶为单向奥氏体柱状晶，易产生低熔点杂质偏析，且奥氏体线胀系数大，导致焊接内应力和焊接变形大而产生热裂纹，尤其是弧坑裂纹[3]。需要对OK 92.55焊条和NI-C70S焊条进行现场总线本质安全概念(Fieldbus Intrinsically Safe Concept，FISCO)抗裂性试验，以验证其抗热裂纹性能。按文献[4]要求进行两种焊条的FISCO抗裂性试验。在同等焊接试验条件下，两种焊条的试样均无裂纹产生，抗热裂性良好。

3 焊接工艺试验

根据该型船B型舱的结构、分段划分、建造流程和建造场地等因素，对B型舱5Ni钢手工焊接主要应用位置进行梳理，根据实船建造需求并结合ABS规范[5]和国际海事组织(IMO)标准[6]要求，采用5Ni钢OK 92.55焊条和NI-C70S焊条进行对接焊和角接焊工艺试验，对接焊后对试板进行渗透探伤(Penetrant Testing，PT)和射线探伤(Radiography Testing，RT)，角接焊后对试板进行PT。

3.1 对接焊工艺试验

两种焊条在用于5Ni钢对接焊时，均为双面焊接，反面焊前需要碳刨清根，分别进行平、横、立、仰位置的焊接，试板规格(长×宽×厚)为1 000 mm×150 mm×8 mm。对接焊工艺试验项目及要求如表5所示。

表5 对接焊工艺试验项目及要求

3.1.1 试板焊接

试板焊接使用交流焊机，母材焊前不预热，在焊接时层间温度控制在200 ℃以下，双面焊接，V型坡口，各位置的焊接工艺参数参照焊材厂家的推荐参数，并根据实际焊接情况进行试验摸索。3G位置OK-7试板和NI-7试板焊接工艺参数如表6所示。据焊工反馈，两种焊条工艺操作性均较好，引弧容易，熔池流动性较好，手势容易掌控。

表6 3G位置OK-7试板和NI-7试板焊接工艺参数

3.1.2 试板探伤

OK 92.55焊条对接焊试板探伤均一次合格。在NI-C70S焊条对接焊试板探伤中，平、横和立等3个位置探伤一次合格；仰焊位置第1次试验的探伤结果为气孔超标，进行1次补焊，探伤合格。

3.1.3 力学性能检验

根据IMO标准和ABS规范要求，对试板焊接接头进行相应力学性能检验。3G位置OK-7试板和NI-7试板焊接接头力学性能如表7所示。试板焊接接头的抗拉强度、冷弯和低温冲击等力学性能均满足上述规范要求，但焊缝中心及熔合线处低温夏比V型冲击功较低，在工艺评定试验及实船应用时应严格控制焊接线能量与层间温度，进一步提高低温夏比V型冲击功。

表7 3G位置OK-7试板和NI-7试板焊接接头力学性能

3.1.4 金相硬度检验

对试板焊接接头进行宏观金相和硬度(HV10)检验。3G位置OK-7试板和NI-7试板宏观金相如图1所示。由图1可知：焊缝及热影响区均未发现裂纹和未熔合等缺陷。焊缝、热影响区及母材部位经硬度(HV10)检验，OK 92.55焊条对接焊试板硬度值为173～290，NI-C70S焊条对接焊试板硬度值为170～299，均小于规范要求的350，检验合格。

图1 3G位置OK-7试板和NI-7试板宏观金相

3.2 角接焊工艺试验

两种焊条分别进行单道平角焊、立角焊及仰角焊，试板规格(长×宽×厚)为700 mm×150 mm×10 mm。角接焊工艺试验项目及要求如表8所示。

表8 角接焊工艺试验项目及要求

3.2.1 试板焊接

试板焊接使用交流焊机。3F位置OK-10试板和NI-10试板焊接工艺参数如表9所示。

表9 3F位置OK-10试板和NI-10试板焊接工艺参数

3.2.2 试板探伤

焊缝表面未发现气孔和裂纹等缺陷，探伤合格。

3.2.3 折断检验

对试板焊接接头进行折断检验，折断后的断口表面均无缺陷，检验合格。

3.2.4 金相硬度检验

对角焊缝进行宏观金相检验。3F位置OK-10试板和NI-10试板宏观金相如图2所示。由图2可知：试板焊缝及热影响区均未发现裂纹和未熔合等缺陷，检验合格。经硬度(HV10)检验，OK 92.55焊条角接焊试板硬度值为171～327，NI-C70S焊条角接焊试板硬度值为165～315，均小于规范要求的350，检验合格。

图2 3F位置OK-10试板和NI-10试板宏观金相

4 结 语

通过OK 92.55焊条和NI-C70S焊条的性能、抗裂性和焊接工艺试验研究，两种焊条本身化学成分(质量分数)和力学性能均满足AWS相关标准要求，抗裂性能良好且其工艺操作性良好，焊接接头力学性能均满足IMO标准和ABS规范要求，在合理参数条件下，两种焊条均可实现5Ni钢薄板结构免预热焊接。在选型试验后，已完成30余项工艺评定试验，均取得ABS认可。在控制线能量输入和层间温度的条件下，两种焊条均可应用于该型船B型舱5Ni钢薄板结构免预热焊接的实船建造。