趙東升 竇 鈞 劉玉君

（1. 大連理工大學 船舶工程學院 大連116024； 2. 大連船舶重工集團有限公司 大連116021）

引 言

隨著對清潔能源的需求不斷增長，液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）和液化石油氣（liquefied petroleum gas，LPG）在能源工業(yè)中的地位越來越重要。天然氣的主要成分是甲烷，無色、無味、無毒且無腐蝕性，是一種清潔、高效的能源。石油氣由丙烷、丁烷和少量的烯烴組成。為了提高效率和便于長距離運輸，通常在低溫或加壓的條件下將天然氣或石油氣液化之后進行儲存和運輸。天然氣在-161℃液化，液化天然氣的體積僅為同質量氣體的1/600左右。石油氣的液化溫度一般是 -104～-45℃。

裝載液化天然氣的艙內溫度為-163℃左右，液貨艙低溫維護系統(tǒng)的安全性是設計、建造LNG船的主要難題之一。如果低溫維護系統(tǒng)損壞，輕則發(fā)生液化天然氣的泄露導致外層結構的冷脆性開裂，重則導致火災、爆炸等事故［1-2］。

液化石油氣船主要運輸以丙烯和丁烯為主要成份的石油碳氫化合物，近年來乙烯也列入了其運輸范圍。根據載運各種氣體的不同液化條件可以分為裝載量較小的全壓式液化石油氣船、裝載量較大的半冷半壓式液化石油氣船和裝載量較大的全冷式液化石油氣船。

為保證在儲存和運輸的過程中LNG和LPG不會氣化，液艙（液罐）內的溫度必須低于液態(tài)貨物的液化溫度，這就帶來了液艙（液罐）的材料選擇以及焊接的問題，液艙（液罐）材料的耐低溫性能和焊接性是保證結構安全性的關鍵，尤其是存在液體晃蕩的時候［3-4］。

LNG和LPG船的液艙（液罐）耐低溫材料包括鎳鋼（殷瓦鋼，含鎳5%的鋼，含鎳9%的鋼）、5083鋁合金和奧氏體不銹鋼（304不銹鋼、316L不銹鋼），下面分別介紹殷瓦鋼、5083鋁合金、304不銹鋼的物理性能尤其是耐低溫性能、焊接性和焊接發(fā)展狀況。

1 物理性能

1.1 殷瓦鋼

殷瓦鋼（Invar steel）是Fe-Ni36合金，常溫線膨脹系數低于1.6×10-6K-1，約為低碳鋼的十分之一，而且在較大的溫度范圍內變化很小。低膨脹特性保證了殷瓦鋼在低溫條件下不會發(fā)生冷脆，因此具有優(yōu)異的耐低溫性能，可用于精密測量裝置以及電子工業(yè)中［5-6］。表1和表2分別是殷瓦鋼的化學成分和主要物理性能。

表1 殷瓦鋼的化學成分

表2 殷瓦鋼的物理性能

韓國釜山國立大學的 PARK Woong Sup等人［7］完成了殷瓦鋼、5083鋁合金和奧氏體304不銹鋼的一系列低溫拉伸試驗，定量研究了溫度（110～293 K）和應變速率（0.000 16～0.01 s-1）對材料力學性能的影響規(guī)律。圖1是PARK Woong Sup等人實驗測量的不同溫度條件下殷瓦鋼的應力應變曲線。

從圖1的實驗結果可以得到不同溫度條件下殷瓦鋼的屈服強度、抗拉強度、斷裂延伸率以及應變速率對殷瓦鋼塑性的影響結果。

圖1 不同溫度的殷瓦鋼應力-應變曲線

1.2 5083鋁合金

鋁合金密度低、比強度高、可焊接、耐腐蝕性好、無低溫脆性、無磁性，是工業(yè)領域中應用最廣泛的材料之一，在船舶建造中鋁合金的應用已經有近百年的歷史，近年來隨著結構輕量化要求的不斷提高鋁合金作為船舶結構材料的價值越發(fā)重要。

在船舶結構中應用最廣泛的是5083鋁合金，5083鋁合金是Al-Mg合金，主要化學成分見表3，主要物理性能見表4。

表3 5083鋁合金的化學成分%

表4 5083鋁合金的物理性能

圖2 不同溫度條件下的5083鋁合金應力-應變曲線

5083 鋁合金塑性、耐腐蝕性和焊接性能較好，屬于非熱處理強化鋁合金，利用加工硬化和微合金化來提高其綜合性能。由于沒有低溫冷脆的問題，5083 鋁合金在低溫條件下仍保持優(yōu)異的力學性能，可以用于小型LNG船的儲罐，也可以用于三體船等快速船、船舶的上層建筑等。

圖 2是 PARK Woong Sup等人［7］實驗測量的5083鋁合金的應力應變曲線，實驗溫度范圍為110～393 K。從實驗結果可以得到不同溫度條件下5083鋁合金的屈服強度、抗拉強度和斷裂延伸率，以及應變速率對其塑性的影響結果。

1.3 304不銹鋼

不銹鋼是指能耐空氣、水、酸、堿、鹽及其溶液和其他腐蝕性的、具有高度化學穩(wěn)定性的合金鋼的總稱。在船舶與海洋結構物中應用較多的是奧氏體不銹鋼。

奧氏體不銹鋼大量應用于薄膜型LNG船。在低溫下，奧氏體不銹鋼具有高的耐腐蝕性以及優(yōu)異的延展性和強度。為確?？咕чg腐蝕（在焊接結構的熱影響區(qū)或在海洋環(huán)境中發(fā)生的點蝕和應力腐蝕開裂），通常選擇四種奧氏體不銹鋼（304、316L、321和347）作為結構材料，在這里主要介紹 304不銹鋼的物理性能和焊接性。表5是304不銹鋼的主要化學成分，下頁表6是304不銹鋼的主要物理性能。

表5 304不銹鋼的化學成分%

表6 304不銹鋼的物理性能

圖 3是 PARK Woong Sup等人［7］實驗測量的304不銹鋼的應力應變曲線，實驗溫度范圍為110～393 K。從實驗結果可以得到不同溫度條件下304不銹鋼的屈服強度、抗拉強度和斷裂延伸率，以及應變速率對其塑性的影響結果。

圖3 不同溫度的304不銹鋼應力-應變曲線

由實驗結果可知，在低溫下304不銹鋼在拉伸試驗中表現出S形和非線性行為。這種現象被認為是由相變誘發(fā)的塑性硬化，它發(fā)生在從奧氏體到馬氏體或鐵素體的低溫相變過程中。

2 焊接性分析

焊接性是指材料在規(guī)定的施焊條件下，焊接成設計要求所規(guī)定的構件并滿足預定服役要求的能力。通?？梢杂煤附咏宇^產生裂紋、氣孔和夾渣等焊接缺陷的傾向來評價材料的焊接性。

2.1 殷瓦鋼

殷瓦鋼焊接時最主要的問題是熱裂紋［8］。目前殷瓦鋼一般采用鎢極氬弧焊方法進行焊接，熱裂紋問題難以徹底解決，對操作者的焊接技術水平要求非常高，而且板厚很小容易產生焊接變形。LNG船液艙屏蔽層一旦開裂將導致液化天然氣泄漏，輕則導致外部船體結構冷脆，重則發(fā)生火災甚至爆炸，因此要求保證殷瓦鋼焊接時100%無漏點，而這就要求必須解決殷瓦鋼的焊接熱裂紋問題。

殷瓦鋼焊接熱裂傾向高是由其晶體結構和化學成分決定的，殷瓦鋼是單相奧氏體結構，而且Ni元素含量較高。焊接熱裂紋是焊縫金屬冷卻結晶時在焊接應力作用下導致的開裂，因此降低熱裂傾向一般從兩個方面入手：

（1）改善焊縫金屬塑性；

（2）降低焊接應力。

2.2 5083鋁合金

5083鋁合金焊接時的問題主要有：

（1）焊接變形；

（2）接頭軟化；

（3）氣孔。

5083鋁合金的熱膨脹系數23.4×10-6K-1，304不銹鋼的熱膨脹系數17.3×10-6K-1，低碳鋼的熱膨脹系數（10.6-12.2）×10-6K-1。5083鋁合金的線膨脹系數約是低碳鋼的兩倍，因此焊接時焊接變形的問題比較嚴重，特別是薄板焊接時，焊接裂紋（尤其是凝固裂紋）的傾向較高。

5083鋁合金是Al-Mg合金，其中Mg元素對合金的強度有重要作用。Al和Mg雖然熔點相差不大，但是Mg的沸點1 107℃，而Al的沸點是2 327℃，因此焊接時焊縫中的Mg元素更易燒損，導致焊接接頭的強度降低，出現接頭軟化的現象。

氣孔是鋁合金焊接時的常見問題。鋁合金氣孔一般包括兩種：焊接氫氣孔和工藝氣孔。焊接氫氣孔是由于溶解于液態(tài)熔池中的氫在熔池冷卻過程中溶解度急劇降低，造成氫大量析出，焊接熔池的凝固速度極快，因此氫被留在焊縫中，并最終形成氫氣孔。此外，合金元素Mg 等能夠增加鋁合金表面對氫的吸附以及增大液態(tài)鋁中氫的溶解度，從而使氫氣孔產生的傾向增大。焊接氫氣孔一般多為球形，且內壁光滑。

2.3 304不銹鋼

雖然一般認為奧氏體不銹鋼焊接性較好，但是如果不采取正確的預防措施，也會出現很多焊接性問題。焊接時可能會出現凝固裂紋和液化裂紋，這取決于母材和填充材料的成分以及雜質的含量，特別是硫和磷的含量。在這種鋼中也可能出現固態(tài)裂紋，包括失延裂紋、再熱裂紋和銅污染裂紋等。

奧氏體不銹鋼盡管綜合耐腐蝕能力較好，但是也可能在熱影響區(qū)的晶粒邊界受到局部腐蝕，或在焊縫中及其周圍應力集中處受到局部的腐蝕。由于焊縫中可能含有鐵素體，有可能形成σ相和碳化物而產生中溫脆化。和鐵素體鋼相似，由于σ相析出反應相對緩慢，所以σ相脆化經常和工作期限相關，而不是制造時的問題。但是，在厚板或大型構件焊后熱處理時也可能發(fā)生中溫脆化。

凝固裂紋是奧氏體不銹鋼焊接時最主要的問題，焊縫金屬的凝固模式對裂紋敏感性有重要的影響。當不銹鋼以全奧氏體凝固的方式冷卻凝固時，對凝固裂紋最敏感。所謂全奧氏體凝固指的是凝固時初始析出相是奧氏體，凝固結束時仍然全是奧氏體，即冷卻到室溫時仍然保持奧氏體組織。焊接拘束條件和焊縫形狀也是凝固裂紋的影響因素。高熱輸入產生大的焊道，或過快的焊接速度形成淚滴狀的焊接熔池會增大裂紋傾向。凹陷的焊道形狀和焊道末端未填滿的弧坑也會促進凝固裂紋的形成。

3 焊接研究進展

目前殷瓦鋼、5083鋁和304不銹鋼的焊接方法仍然以電弧焊為主，但是隨著對焊接精度和焊接質量的要求不斷提高，激光-電弧復合焊、激光焊、電子束焊以及攪拌摩擦焊等方法的研究越來越多。

3.1 殷瓦鋼

實際生產中，殷瓦鋼焊接時常采用鎢極氬弧焊（TIG焊）方法。徐培全等人［9］通過實驗得到了的殷瓦鋼TIG焊接的優(yōu)化工藝參數。王希靖等人［10］采用等離子弧焊對4J36 因瓦合金板材進行焊接工藝試驗，接頭抗拉強度可達母材的93.6%。焊縫處為樹枝狀結晶且晶粒粗大，焊接接頭拉伸斷口表現為韌性斷裂。

采用鎢極氬弧焊等電弧焊方法時，熱裂紋的問題仍難以徹底解決。降低熱裂傾向一般從材料和工藝兩個方面入手：

（1）改善焊縫金屬塑性或者去除材料中的S、P雜質；

（2）降低焊接應力，降低焊接熱輸入量或者改善焊接熱輸入的分布。

研究表明：加入Ti、Mn和Mo等元素能夠降低殷瓦鋼的焊接熱裂傾向，但加入的合金元素會使焊縫的線膨脹系數增大［11］，低膨脹性能的破壞會導致低溫力學性能變差，因此降低焊接應力是解決殷瓦鋼焊接熱裂問題的主要途徑。

圖4 殷瓦鋼攪拌摩擦焊的焊縫微觀組織

研究者嘗試采用熱輸入量低的固相連接方法和高能束焊接方法。趙悅、吳愛萍等人［12］采用攪拌摩擦焊實現了2 mm厚殷瓦鋼的焊接（如圖4所示），焊縫表面成型良好，焊縫金相分析表明未形成熱裂紋，但該方法用于連接厚度僅0.7 mm的LNG船用殷瓦鋼則較為困難。吳東江［13］采用連續(xù)Nd ： YAG激光焊接殷瓦鋼時發(fā)現氣孔很嚴重，采用脈沖Nd ： YAG激光焊接時能夠獲得無裂紋的焊接接頭，但是焊縫成形差且焊接速度低，僅為120 mm/min。為提高焊接速度，倪加明等人［14］采用4～5 kW的連續(xù)激光進行殷瓦鋼的焊接，實驗表明在焊縫中心形成了熱裂紋。陳潔等人［15］采用激光-MIG復合焊方法，采用Invar M93 焊絲對厚度為19.05 mm 的Invar 合金板材進行多層對接焊實驗，分析了工藝參數對焊縫熔深、熔寬及深寬比等宏觀形貌參數的影響，并研究Invar 合金復合焊接頭不同區(qū)域的顯微組織特點及形成原因，殷瓦鋼激光-MIG復合焊焊縫微觀組織如圖5所示。

圖5 殷瓦鋼激光-MIG復合焊焊縫微觀組織

為改善焊接熱輸入的分布，趙東升等人［16］提出采用分層式脈沖激光焊進行殷瓦鋼的焊接。結果表明預熱能夠有效降低焊接溫度梯度，后熱能夠明顯降低冷卻速率，適當的預熱或后熱脈沖有利于降低焊接熱裂傾向，但當冷卻速率過低時熱裂敏感性反而增大。焊接熱輸入的量和分布對焊接熱裂敏感性的影響規(guī)律是復雜的，需要對熱裂紋的微觀過程及形成機理進行深入分析和研究。

3.2 5083鋁合金

為解決接頭軟化的問題，研究者進行了一定的研究。LIU Yao等人［17］采用氣體保護鎢極氬弧焊和氣體保護金屬極電弧焊完成了5083鋁的焊接，結果表明，鎢極氬弧焊的5083焊件更可靠。前者具有更高的強度和更大的延展性，并且沒有明顯的微觀結構缺陷。鄒宇峰等［18］發(fā)現在激光焊接時添加Mg粉能有效提高焊接接頭的抗拉強度，并得出當Mg元素的質量分數大約是0.026時，其強度達到峰值。

為減小焊接變形、提高焊接效率，激光焊等高能束方法在鋁合金焊接時取得了較好的應用，但常溫下鋁合金對激光的反射率較高，尤其是對CO2激光的反射率高達98%，對激光器的功率和光束質量要求較高。另外，鋁合金激光焊接時氣孔和裂紋的問題比較嚴重。

KIM Y P等人［19］采用YAG激光+MIG電弧復合焊方法焊接厚度5 mm的5083鋁合金，研究焊縫成形與激光、電弧、熔滴作用位置的關系，結果發(fā)現復合焊縫的成形與間隙、熱源的作用效率、預熱以及熔融金屬行為有關系。

MATSUNAWA A等人［20］研究發(fā)現引起孔洞的主要原因是深熔小孔中金屬蒸汽的蒸發(fā)增加了深熔小孔以及熔池的不穩(wěn)定性。KUK J M等人［21］在對5083鋁合金疲勞強度研究時，發(fā)現焊接金屬試樣的疲勞壽命隨氬氣比的升高而降低，疲勞壽命在較低溫度下升高。李飛等人［22］對5083鋁合金進行了光纖激光-TIG復合焊接，接頭抗拉強度為318 MPa，達到母材強度的93%，焊縫成形良好，沒有表面下凹等缺陷，圖6是焊縫橫截面的金相圖片。

圖6 5083鋁合金激光-TIG復合填絲焊的焊縫截面形狀

KUTSUNA M等人［23］對焊縫中形成的不規(guī)則氣孔進行觀察和分析，結果表明孔內壁鎂的含量是焊縫附近的8倍，這種不規(guī)則氣孔與鎂元素的蒸發(fā)燒損有較大關系。MATSUNAW等人［24］使用X射線和高速攝像觀察到深熔小孔不穩(wěn)定致使氣孔產生的過程，形成氣孔的根本原因是激光焊接過程中小孔的瞬間失穩(wěn)。雙光束焊接和激光電弧復合焊接能夠調整焊接溫度場的分布，改變匙孔的存在形式和熔池中液態(tài)金屬的流動方式，可能是解決氣孔問題的有效途徑。

3.3 304不銹鋼

304不銹鋼的焊接目前仍以電弧焊為主［25-26］。為降低焊接變形、減少合金元素的燒損，高能束焊接方法（如激光焊）以及固相連接方法（如攪拌摩擦焊）的研究逐漸增多。

3.3.1 304不銹鋼的電弧焊

KUMAR S等人［27］采用3組焊接熱輸入（25.6 kJ/cm、27.825.6 kJ/cm、30.225.6 kJ/cm）對6 mm厚304不銹鋼的氬弧焊試驗表明，焊縫及熱影響區(qū)晶粒有明顯的粗化現象，焊縫枝晶長度及枝晶間距隨熱輸入的增加而增加。MIRSHEKARI G R等人［28］對6 mm厚304不銹鋼的單道及多道氬弧焊研究指出，焊縫存在板條狀及骨架狀的鐵素體，且鐵素體含量、顯微硬度及耐蝕性隨焊道數量的增加而增加。范陽陽等人［29］把超聲振動通過機械耦合方式引入到304不銹鋼的TIG焊中，實驗表明施加超聲能夠增大熔深和深寬比，晶粒度減小，熔合區(qū)的組織更均勻，焊縫由粗大柱狀晶變?yōu)榧毿〉臉渲Ш偷容S晶。丁成剛等人［30］完成了不銹鋼MAG焊接實驗，焊接接頭的抗拉強度不低于母材而且塑性良好。焊縫為奧氏體組織，呈較為粗大的柱狀晶形態(tài)。LIN Y C等人［31］提出了一種改進焊接方法，即在焊槍兩旁安裝兩個附加焊槍頭以減小熱應力，實驗表明該方法能有效降低熱應力。LIAO M T等人［32］發(fā)現保護氣體中CO2的含量增加時，焊接飛濺嚴重，而且焊縫中會出現鐵素體。

3.3.2 304不銹鋼的水下焊接

朱加雷等人［33］組建了局部干法自動水下焊接試驗系統(tǒng)并完成了焊接實驗。隨著焊接水深的增加，電壓增加而電流減小，熔滴過渡形態(tài)逐漸惡化。在干式環(huán)境和水深5 m時熔滴過渡形式為噴射過渡，水深15 m時為爆炸過渡和渣壁過渡的混合過渡。李洪亮等人［34］利用自保護鎳帶藥芯焊絲，完成了304不銹鋼的水下濕法焊接試驗，焊接過程穩(wěn)定、飛濺少、成形良好。圖7是除渣前和除渣后的焊縫表面形貌照片，焊縫成形良好，無咬邊、夾渣等缺陷，飛濺也較少。焊接電流增大會顯著增加熔寬，而熔深的變化較小。增加焊接電壓時熔寬會增大，焊縫成形變差而且飛濺嚴重。接頭平均抗拉強度值可達450 MPa，斷裂特征為脆性斷裂。

圖7 水下濕法焊接的304不銹鋼焊縫表面形貌

3.3.3 304不銹鋼的激光焊

楊武雄等人［35］采用超窄間隙激光焊方法焊接了100 mm厚的304 奧氏體不銹鋼，結果表明焊縫的成形良好，接頭的拉伸強度可達658 MPa，斷裂形式為典型的延性斷裂。張國偉等人［36］利用超窄間隙激光焊焊接了厚度60 mm的304不銹鋼板，焊接接頭成形良好沒有明顯缺陷。圖8是焊縫微觀組織照片，焊縫組織為柱狀奧氏體與均勻分布的骨架狀和板條狀鐵素體。接頭拉伸強度可達651 MPa，試樣彎曲至180°無裂紋及其他缺陷。

圖8 超窄間隙激光焊的焊縫微觀組織

3.3.4 304不銹鋼的攪拌摩擦焊

PARK Seung Hwan C 等人［37］研究了 304 不銹鋼攪拌摩擦焊焊接接頭的抗腐蝕性，接頭耐腐蝕性降低，在攪拌區(qū)出現了嚴重腐蝕，而熱影響區(qū)的腐蝕程度較低。REYONLDS A P等人［38］研究了攪拌頭的旋轉速度對殘余應力的影響，焊接時橫向殘余應力由頂部的壓應力轉變?yōu)榈撞康膲簯?，焊件沿縱向軸彎曲。

4 結 語

從殷瓦鋼、5083鋁和304不銹鋼的焊接技術研究現狀來看，目前生產中應用較多的焊接方法主要是電弧焊方法-鎢極氬弧焊。為提高焊接質量和精度，降低焊接熱輸入量成為可行的辦法，因此對于激光焊、激光-電弧復合焊、電子束焊等高能束焊接方法或者是固相焊接方法如攪拌摩擦焊的研究越來越多。提高焊接質量主要是提高焊縫及熱影響區(qū)的塑性、韌性和抗疲勞性能，提高焊接精度主要是減小焊接變形，這都需要降低焊接熱輸入量、改善焊接熱輸入的分布。但是目前激光焊等高能束焊接方法仍然成本很高，而且設備復雜、對焊接環(huán)境和試件加工質量要求高，氣孔、裂紋等缺陷限制了接頭力學性能的進一步提高，而攪拌摩擦焊對于試件的結構形式和尺寸都有限制，降低成本并提高對于結構的適應能力是上述焊接方法在實際生產應用中必須解決的問題。

對于焊縫性能的研究主要集中于常溫條件下的力學性能和耐腐蝕性能，但是液化天然氣以及液化石油氣是在低溫條件下運輸的，而且運輸過程中會產生液體晃蕩，目前缺乏低溫或液體晃蕩作用下的焊縫承載能力的研究結果。模擬液化天然氣、液化石油氣的運輸環(huán)境，研究液體晃蕩對于焊縫力學性能的影響對于結構安全性評估十分重要。