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低温储槽焊接施工教育资料

第一章 4200m3LPG船液罐概述

第一节 概况
4200m3LPG船液罐与JN已建造的3000m3LPG船液罐不同，是半冷半压式，共二个。罐一为卧式圆柱体型，罐二为双胴型，由二个直径各为8.4m的圆筒体，圆心距为5.3m，中间有纵隔壁相连。见图1-1。
一、液罐主要尺度及有关技术数据：
罐体设计压力4.7bar
罐体设计温度-104℃
罐一：容积为1300m3
长度为22.75m
直径为9.00m
重量为105吨
罐二：容积为2900m3
长度为32.00m
宽度为13.70m(单筒直径为8.40m)
重量为230吨

罐一

罐二

图1-1液罐胴体图

二、储存液化气
为乙稀、丙稀、丙烷…..等。
三、质量控制
4200m3液罐是重要的压力容器，其制造过程必须在有效的质量保证体系中进行。由于该船入西德”GL”级，因此下列项目须经”GL”认可。
1.工厂制造认可
2.焊接方法认可
3.焊工资格认可
4. …………..

第二节 材料
一、罐体材料为低温钢—5镍钢，德国规格12Ni9，材料编号：1.5680。
化学成分为：%
C
Si
Mn
P
S
Ni
最高0.12
0.1~0.35
0.3~0.8
最高0.025
最高0.025
4.70~5.30

机械性能：
抗拉强度
Rm (N/mm2)
降伏点
ReH (最低) (N/mm2)
延伸率
As% (最低)
冲击值
-110℃
KV(J)(最小)
510~710
t≦35
390
＞35≦40
390
纵向
23
横向
21
纵向
41
横向
27

二、罐体板材厚度
圆胴体：罐一为14.2~16.1mm；
罐二为13.6~15.9mm。
球形端板：7~8.1mm
椭圆形端板：11.2~19.1mm
罐体材料及材料加工均由LGI公司承担，另外如气室、泵座、集水口等零配件也由该公司完整制造好交JN装配和焊接在罐体上。

第三节 规范、标准及参考数据
本液罐制造满足GL规范中七(B)第6、8节要求，焊工必须经资格考试，考试标准按DIN8560要求，取得GL合格证。为满足液罐焊接的特殊要求，经资格考试合格的焊工，还需抽15%的焊工参加程序考试。
焊接方法认可试验，项目按LGI提供的技术数据，仅满足GL规范中要求。冲击试验的要求为-110℃，27J。

第四节 制造工艺
一、罐一和罐二各分两段最后在模台上大组合。
1.胴体以小壳圈形式组合。
2.端板在膜台上组合。
3.胴体及端板均由LGI公司加工成型后来厂，包括：下料、压制、开槽加工。在端板瓣片中有一块放有50mm留料，端板上口与壳圈连接处在圆周方向上放50mm留料，其余部位都为正常下料。

二、开槽形式：

60°
A
60
2t/3
2
2
t
t/3
0~3
B
70°
0~3

35°

2
t
35°
35°
30°
B
A
B
A
0~3
0~3
2 1
0~3
30°
5
B
B
3
A
A
30°
2
35°

图1-2 主要开槽

三、焊接方法：手工电弧焊
四、焊条
品名：TN-110
规格：φ2.6、φ3.2、φ4.0和φ5.0mm。
五、焊接要领
1.要采用多道焊、窄焊道、小规范。
2.道间温度≦100℃

3.要严格控制焊接入热量，除用计算公式算出的入热量控制值的有关参数外，在施焊时，一般用每根焊条的熔敷长度来控制，按G+G参考数据规定如下：
1G(平焊)
φ3.2
AC
140~150A
9cm/根(最短)
φ4.0
AC
190~200A
15.5cm/根(最短)
φ5.0
AC
280~290A
19.5cm/根(最短)
2G(横焊)
φ3.2
AC
140~150A
8cm/根(最短)
φ4.0
AC
185~195A
14.5cm/根(最短)
3G(立焊)
φ2.6
AC
80~90A
4cm/根(最短)
φ3.2
AC
110~120A
5.5cm/根(最短)
4G(仰焊)
φ2.6
AC
95~105A
4.5cm/根(最短)
φ3.2
AC
115~125A
5.5cm/根(最短)

4.正面焊好反面漏沟，用碳棒漏沟→研磨去掉渗碳层，并清除污物→表面染色探伤检查(P.T)→背面焊完。
5.检验
(1)表面外观检查100%
(2)对接缝100%X射线拍片
焊透角焊缝100%超音波检查
(3)对接缝10%
角接缝100% 染色探伤
焊透焊缝出白处100%
第二章 低温钢的焊接

第一节 低温钢的种类和性能
一、低温钢
随着液化气体运输船的发展，造船工业开始重视了低温钢的焊接。液化气罐是一种压力容器，不少是低温工作的压力容器，JN建造的4200m3液罐的关键，就是低温钢的焊接。
通常把用于-20~-253℃低温工作的焊接结构的专用钢称为低温钢，低温钢重要的特性是在低温钢工作条件下除了具有足够的温度、塑性等性能外，对于低温冲击韧性值一般钢是达不到这个数值的。同时应具有良好的制造性能，对应变时效脆性和回火脆性的敏感性要小，以便在构件制成后，使钢材和焊接接头的脆性转变温度低于最低工作温度，具备足够的抗断能力，达到安全使用的要求。
二、低温钢的分类
低温钢通常可按使用温度，合金含量和组织以及合金系统中有无镍、铬元素进行分类。
1.按使用温度分，低温钢一般以使用温度分级，可分为-40℃、-70℃、-100℃、-196℃和-253℃等级。各种不同温度等级的低温钢，适用于各种液化气体的容器，见图2-1。
2.按合金含量和组织分，低温钢可分为三类，一是低合金肥粒铁型低温钢，其合金元素总含量不超过5%，组织是肥粒铁加少量波来铁，使用温度范围为-110℃以上，例16MnR(A537Cl.1)(-40℃) 09Mn2VR(A662Gr.C)(-70℃)。二是中合金低碳麻田散铁型低温钢，其合金元素总含量在5~10%，组织和热处理方法有关。通常淬火后的组织是低碳麻田散铁，正常化(A3，Acm上40~60℃)后的组织为低碳麻田散铁、肥粒铁以及少量沃斯田铁，回火后的组织是含镍肥粒铁和少量富碳沃斯田铁。点型的钢种市9Ni钢。9Ni钢的使用温度可达到-196℃，冲击韧性优异。三是高合金沃斯田铁型低温钢，其合金元素总含量大于10%，组织为沃斯田铁。沃斯田铁组织稳定，低温冲击韧性为优良，使用温度可达-196~-269℃。沃斯田铁不锈钢(例0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti(SUS321)等)属于此类。

27
(20)
(11)
-3
(-0.5)
乙醛
环氧乙烷
正丁烷

沃斯田铁不锈钢
0Cr18Ni9 (SUS 304)
Cr25Ni13
Cr25Ni20 (SUS 310S)
0Cr18Ni12Mo2Ti (SUS 316TiTB)
1Cr18Ni9Ti (SUS 321)
1Cr18Ni9Nb (SUS 347)
低温用钢
(-196℃)
9%Ni钢
5%Ni钢
8%Ni钢
(-170℃)
(-101℃)
3.5Ni钢
(-60℃)2.5Ni钢
低温用高强度钢
(-46℃)
铝镇静钢

(-4)
(-12)
(-14)
-33
(-33.4)
丁二烷

氯化乙烯树脂
氨

(-42.1)
丙烷

(-47.7)
丙烯

-63
(-61)
硫化氢

(-65)
(-78.5)
液氡
二氧化碳

(-84)
-93
(-88.6)
乙炔
乙烯

(-103.5)
乙烯

-123
(-108)

(-151.7
氙

氪

-153
(-161.5)
液化天然气(甲烷)

-183
(-183)
氧

(-185.3)
-196
(-195.8)
氩
氮

-213

-243
(-246.3)

氖

-253
(-249.6)
重氢

(-252.8)
-269
(-268.9)
氢
氦

-273
各种液化
气体的沸点

图2-1 不同使用温度的低温钢和各种液化气体的沸点

3.按有无镍、铬元素低温钢可分为二类。含镍、铬的低温钢，工作温度可低于-50℃，例2.5Ni钢用于-60℃，3.5Ni钢可用于-100℃，5Ni钢可用于-110℃，9Ni钢可用于-196℃，在大陆研制成的无镍、铬的低温钢，有16MnR(A537 Cl.1)(-40℃)，09Mn2V(A662Gr.C)，09MnTiCr(-70℃)，06MnNb(-90℃)，06AlNbCuN(-110℃)，15Mn26Al4(-253℃)。
常用低温钢的基本机械性能见表2-1。

第二节 低温钢用的焊条
一、对低温钢焊条的要求
除了一般焊条应具有的良好的作业性和焊接性以外由于焊条用于低温钢，同样对焊接金属的低温冲击韧性有较高的要求。焊接金属的低温韧性接近于母材低温钢的低温冲击值。一般的低温钢焊条被覆均采用低氢型，而且为了提高焊接金属的韧性，通常加入一定数量的镍。对于含镍低温钢，国外有的采用镍基焊条。使焊道拥有大量的镍，从而提高低温韧性。低温钢焊条并不要求在低温工作条件下进行焊接。
二、低温钢用焊条
选用焊条主要根据结构的使用温度，使用温度在-45℃以上的低温钢，可选用低温韧性好的Ti-B系或高韧性的普通低合金钢焊条。使用温度在-60℃以下的低温钢，可选用含镍的低温钢焊条。使用温度在-100℃左右的低温钢，通常选用含3.5%Ni或更高含镍量并含一定量钼的低温钢焊条。对于使用温度极低的沃斯田铁不锈钢，必须选用沃斯田铁型焊条，以保证焊道是具有韧性良好的沃斯田铁组织。当两种不同钢种的低温钢焊接在一起时，焊条要选用低温韧性较高的焊条。镍基焊条焊成的焊道，其塑性和韧性优良，且通用性也较强，它可以作为过渡层焊条。
目前大陆的低温钢焊条种类不多，低温钢使用温度在-70℃左右的可用W707，W707Ni焊条，天泰的为TN-38焊条，使用温度在-90℃左右的可用W907Ni焊条，使用温度在-100℃左右的可用W107Ni焊条或天泰TN-110焊条，国产低温钢焊条的应用情况见表2-2。典型低温钢的焊接材料的主要成分见表2-3。

表2-1 常用低温钢的基本机械性能
钢号
试验
温度
℃
降伏强度
N/mm2
(kgf/mm2)
抗拉强度
N/mm2
(kgf/mm2)
延伸率
%
V型缺口
冲击值
J(kgf.m)
U型缺口冲击值
J/cm2
16MnR
常温
339(34.6)
573(58.5)
30.3
-
-
-40
377(38.5)
614(62.7)
19.4
13(1.3)
47
09Mn2VR
常温
357(36.4)
494(50.4)
32.5
-
-
-70
442(45.1)
612(62.4)
25.0
54(5.5)
128
09MnTi
CuXt
常温
≧314(32)
≧441(45)
≧21
-
-
-70
372(38)
568(58)
31
11(1.1)
72
06MnNb
常温
300(30.5)
455(46.4)
29.0
-
-
-90
397(40.5)
548(55.9)
24.0
39(4.0)
168
06AlNb
CuN
常温
348(35.5)
466(47.5)
38.5
-
-
-120
474(48.4)
578(59.0)
-
90(9.2)
163
3.5Ni
常温
274~343
(28~35)
451~598
(46~61)
22
-
-
-100
-
-
-
≧39或≧27(4.0或2.8)
-
5Ni
常温
372(38)
539~686
(55~70)
20
-
-
-170
706(72)
804(82)
16
≧39或≧27(4.0或2.8)
-
9Ni
常温
490(50)
637~784
(65~80)
19
-
-
-196
696(71)
1000(102)
14
≧39或≧27(4.0或2.8)
-
20Mn
23Al
常温
≧196(20)
≧490(50)
≧21
-
-
-196
480(49)
1009(103)
35
72(7.3)
172
15Mn
26Al14
常温
≧196(20)
≧490(50)
≧21
-
-
-196
559(57)
794(81)
41
193(19.7)
290
-253
804(82)
1000(102)
21
187(19.1)
311
Cr18Ni
9Ti
常温
274(28)
647(66)
-
260(26.5)
-
-196
627(64)
1519(155)
-
235(24.0)
-
-253
755(77)
1754(179)
-
216(22.0
-

表2-2 国产低温钢焊条的应用情况
焊条牌号
国标
药皮类型
焊接电源
主要用途
W707
-
低氢钠型
直流
焊接-70℃工作的09Mn2V钢及09MnTiCuRe钢
W707Ni
(TN-38)
E5515-C1
(E8018-C2)
低氢钠型
(铁粉低氢)
直流
(交流)
焊接-70℃工作的3.5Ni钢和06MnVAl钢
W907Ni
E5515-C2
低氢钠型
直流
焊接-90℃工作的06AlNb CuN钢和3.5Ni钢
W107Ni
(TN-110)
-
低氢钠型

(石灰钛矿系)
直流
(交流)
焊接-100℃工作的06AlNb CuN钢、06MnNb钢和3.5Ni钢

第三节 低温钢的焊接特点
低温钢焊接的主要问题是保证焊接接头具有良好的低温冲击韧性，低温钢母材的含碳量一般都较低，且材质的韧性和塑性均很好。焊接接头的薄弱环节通常是在熔合线和焊道这两个部位。低温钢焊接时具有以下几个特点：
一、晶粒细化。不论是沃斯田铁型还是肥粒铁型的低温钢，它们的晶粒尺寸对低温韧性有着很大的影响，晶粒越细，韧性越好，低温钢焊接就是要获得细晶粒的组织。所以焊接时要用小入热量进行，要控制道间温度，不宜过高，防止金属过热而引起韧性下降的现象。
二、异材焊道对于含Ni的低温钢，通常采于异材焊接材料进行焊接其结果就是焊接金属的成分和组织不同于母材。控制焊接金属成分就能控制焊道的低温韧性。采用高Ni焊条，可使焊接金属含Ni量高，能使焊道中沃斯田铁组织比例扩大，且稳定沃斯田铁组织，晶粒也细化，可获得较理想的效果。
三、热裂纹，当焊接金属含有较高的Ni量时，由于Ni和S、P、B都能形成低熔共晶体，其中Ni+Ni3S2共晶体的熔点为645℃，远低于钢的熔点，就在焊缝结晶过程中形成低熔杂质的液态薄膜，这就要导致热裂纹的产生，尤其容易引起熔坑裂纹。
四、未熔合，未焊透，如果采用异质材料，焊接材料的熔点和母材熔点不一，在焊接过程中两者就难以熔融，这就可能产生熔渗不足，熔合不良缺陷。
五、焊接应力和变形大，焊接材料和母材异质，焊道和母材的导热系数与膨胀系数也有差异，焊接时由于两者膨胀收缩之不同，这必然导致有较大的应力和变形。另一方面，这类构件，就是焊后热处理也不能完全消除残留应力，而只能引起应力重新分布。沃斯田铁不锈钢焊接时，虽然是同质材料，但由于沃斯田铁不锈钢的导热系数小，膨胀系数大，同样要产生较大的应力和变形。
六、稀释，用异质焊接材料焊接时，焊道的合金元素含量高，而母材含量低，形成焊道后，在熔合线附近焊接金属的合金元素被稀释(冲淡)，而母材中的碳则向熔合线和焊道迁移，其结果，可能在熔合线附近形成麻田散铁或麻田散铁+沃斯田铁组织，促使熔合线的韧性下降。

表2-3 典型低温钢的焊接材料的主要组成
合金系统
C
Mn
Si
Ni
Cr
Mo
W
Ti
Cu
其它
适用的母材
Mn-Mo
0.08
1.4
0.3
-
-
0.4
-
-
-
-
16Mn
Mn-Cu
≦0.10
~2
~0.2
-
-
-
-
-
~0.7
-
09Mn2V
Mn-W-Cu
≦0.10
1.5~1.9
≦0.35
-
-
-
2.1~2.4
-
0.5~0.7
-
06AlCuNbN
2.5Ni
0.06
0.8
0.4
2.5
-
-
-
-
-
-
09Mn2V, 2.5Ni
3.5Ni
0.06
0.6
0.3
3.5
-
-
-
-
-
-
3.5Ni
3.5Ni-Ti
0.06
0.3
0.3
3.5
-
-
-
0.3
-
-
3.5Ni
4.5Ni-Mo
0.03
0.9
0.25
4.5
-
0.2
-
-
-
-
3.5Ni, 0.6MnNb 06AlCuNbN
11Ni
0.03
0.4
0.02
11.0
-
-
-
0.035
-
Co0.5
9Ni
60Ni-Cr-Mo
≦0.10
1.0~3.5
≦0.75
60.0
21.0
9.
-
-
-
Nb4.0
9Ni
60Ni-Mo-Cr
≦0.10
≦1.0
≦1.0
60.0
5.0
25.0
-
-
-
-
9Ni
70Ni-Mo-W
≦0.05
≦0.1
≦0.3
70.0
-
20.0
3.0
-
-
-
9Ni

第四节 各类低温钢的焊接
一、低合金肥粒铁低温钢的焊接，16MnR，09Mn2VR等钢可作为低温钢(-40℃、-70℃)使用。当这类钢以低温钢出现时除了要遵守低合金结构钢的焊接技术外，以下几点要特别重视。
1.选用较小的入热量，因为入热量过大，会引起热影响区扩大，晶粒粗大，导致冲击韧性下降。如果焊接电流大一些，则焊速也应相对地增大。
2.预热温度和道间温度不宜高。
3.宜采用多层多道焊，每层焊道宜薄，焊接方法采用直线形(不摆弧)。
4.焊后热处理可以提高韧性，一般要求焊后加热温度在630℃以下，尽可能选择低的温度，保温时间要短，冷却速度要快些，这样可提高韧性。
当无镍铬低温钢配用含镍焊条焊接时(如母材06MnNb
+焊条4.5Ni、0.2Mo)，要考虑开槽根部的稀释会降低焊道的低温韧性。因此根部焊接时，在保证全渗透的前提下，尽可能减小熔合比(被熔化的母材部分在焊道金属中所占的比例)，最好进行漏沟，移除根部第一道焊接金属，以保证焊接金属具有合适的成分。
二、含低镍的低温钢的焊接
在碳钢中加入少量Ni，并严格控制C、P、S含量，就可利用Ni来改善肥粒铁基体的韧性，再利用热处理，使晶粒细，确保了钢材，具有足够的低温韧性。
目前应用较广的有3.5Ni、5Ni、9Ni钢，现在本节介绍3.5Ni、9Ni钢的焊接。5Ni钢的焊接将专题介绍。
1. 3.5Ni钢的焊接
3.5Ni钢是在碳钢中加入3.5Ni降低C、P、S含量提高低温冲击韧性，钢板通常是经正常化、正常化+退火或调质处理的。由于3.5Ni钢含C量控制得较低，淬硬倾向不显著，所以焊接性尚好。
(1)由于3.5Ni钢的淬硬倾向小，当焊接时的冷却速度较慢时，热影响区的硬度很低，所以一般构件不需预热，但当板厚大于25mm，且钢性较大时，大多预热到100℃左右。
(2)道间温度不宜过高，否则会造成晶粒粗大，并在晶界上析出氧化物，导致冲击韧性下降，道间温度不宜超过150℃
(3)3.5Ni钢的应变时效是应重视的问题。3.5Ni钢冷加工后，韧性显著下降，当冷加工变形量5%以上时，一定要进行消除应力退火热处理，以恢复韧性。
(4)增大焊接入热量，焊道韧性要下降。因此，低温钢焊接时应尽量用小入热量。
(5)采用快速多道焊也是一个重要原则，这样做可以减小热影响区的过热，又可利用后一焊道对前一焊道的热作用，达到细化晶粒的效果。
2. 9Ni钢的焊接
9Ni钢的使用温度低(-196℃)，且强度等级高(δb=70kg/mm2)， 但它的焊接性能却优于70kg/mm2的高强钢。
9Ni钢焊接时，如果采用同质的焊接材料，则焊缝脆性比较大，对氯、氮、硫、磷等杂质很敏感。只有在非常严格控制这些杂质条件下，焊道的韧性才有保证。用308之类沃斯田铁焊条来焊9Ni钢也难以达到满意的结果，因为两者的膨胀系数差别大，产生较大的应力，并且在熔合区易于形成硬脆的麻田散铁组织，所以9Ni钢焊接，主要是采用高Ni合金做焊线，基本上是Ni-Cr-Mo或Ni-Mo系镍基合金
(1)焊接9Ni钢时，即使刚性大，也不会在热影响区产生裂纹。这是由于9Ni钢中含氢致裂敏感性元素(C、Mn)较低，焊接金属又是很能固溶氢的沃斯田铁组织。因此，一般情况下焊前不需要预热。
(2)9Ni钢是调质状态的肥粒铁钢，如用大入热量焊接，则热影响区晶粒粗，其韧性低于母材，所以焊接入热量通常控制在35KJ/cm以下，道间温度控制在150℃以下。
(3)9Ni钢是强磁性材料，用直流焊接时会产生严重的磁偏弧，甚至无法焊接。因此应采用交流电焊接。甚至碳棒漏沟也应该用交流电。如果开槽处有剩磁时，会吸引铁屑和铁锈，使焊道产生缺陷。因此在钢板制造、搬运及加工过程中，要控制磁性，防止和减小钢板带磁的机会。
(4)关于消除应力退火热处理问题，对于焊后产生的应力，一般不需要进行退火处理。但9Ni钢一旦发生加工变形超过3%时则需要进行552~583℃的退火热处理。
(5)9Ni钢焊接时容易产生熔坑裂纹，9Ni钢中Ni和S易形成低熔杂质，这就导致热裂纹的形成，焊接过程中易产生熔坑裂纹。为了防止熔坑裂纹，在施工过程中，不允许使用大电流，电流大，越易产生热裂纹。再则由于焊条的焊芯采用高Ni合金，电阻大，若采用大电流焊接，焊条也容易发红，影响操作性能。在熔坑收尾时，可以将熔坑引向母材部分，避免熔坑处于薄弱部位，或将弧坑尺寸逐渐缩小，要避免大尺寸熔池，否则会引起缩孔和裂纹。一旦发现熔坑裂纹，应对熔坑进行打磨，待彻底清除裂纹后，才继续焊下一根焊条。
(6)稀释也是9Ni钢焊接应予以重视的问题。焊接入热量越大，稀释率(母材金属在焊接金属中所占的百分比)越大，焊接金属强度越下降。焊接入热量大于37千焦/厘米，焊道的强度将达到规定的标准值。稀释率大于42%，焊道强度不能符合要求。
(7)未焊透，未熔合是异种焊接材料焊接容易产生的缺陷，由于焊材(70%Ni)和母材(5%Ni)熔点不同(芯线为100%Ni故熔点低，Ni熔点1,453℃)，且焊材的熔点比母材低100~150℃，又加上焊条不能使用大电流，使得母材熔深浅，容易产生未焊透，未熔合及气孔等缺陷。在选择开槽形式和选择焊接参数时，必须考虑未焊透，未熔合等问题。
三、铬镍沃斯田铁低温钢的焊接
铬镍沃斯田铁不锈钢具有极为良好的低温韧性，其焊接性能良好。焊接过程中主要解决的问题是：晶间(粒界)腐蚀、焊接热裂纹，焊接应力与变形较大。
沃斯田铁不锈钢的焊接
(1)焊条的选用，大陆生产的沃斯田铁不锈钢焊条已有二十多种，其牌号前加”奥”字，后面跟三个数字。”奥”字后第一、二数字表示焊接金属的化学成分，最后一位数字表示被覆的类型。通常0Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti可选用。奥102(308-16)、奥107(308-15)、奥132(347-16)、奥137(347-15)焊条。
(2)焊前准备，不锈钢板厚超过3mm时需开槽。在焊前应将焊缝两侧20~30mm范围用酒精或丙酮擦净，并涂白粉，以免表面被飞溅物损伤。
(3)起弧，不允许焊条在非焊接部位为起弧，否则电弧对板表面的伤痕会引起点状腐蚀。熄弧时要注意填满熔坑，或在引板上熄弧，以免产生熔坑裂纹。
(4)焊接电流，不锈钢芯的电阻比低碳钢芯大4~5倍，焊接时电阻热使焊芯严重发热，造成被覆发红开裂，影响到后半段焊条的焊接作业性能。另外，使用大电流合金元素烧损较严重，难以获得所需的成分。故不锈钢焊接时，应选用较小的焊接电流。
(5)预热和道间温度，沃斯田铁不锈钢焊接时通常不必进行预热。为了防止热裂纹及铬碳化物析出，道间温度也尽量低，必要时可以用水冷却。
(6)多层多道焊，焊接时焊条不允许横向摆动，这样可以减少焊接熔池热量，减少热影响区宽度，有利于提高焊接金属抗晶间(粒界)腐蚀和减少产生热裂纹倾向。
(7)焊道清理，焊道清理时要用不锈钢钢丝刷。
(8)焊后热处理，沃斯田铁不锈钢焊接后，可进行固溶化热处理和消除应力处理，固溶处理就是将焊接接头加热到1050~1100℃，使粒界上的碳化铬重新扩散而熔入固溶体中，然后快速水冷，使碳化铬来不及析出，清除了缺铬区，有效防止了粒界腐蚀。

第三章 5Ni钢(12Ni19低温钢的焊接要领)

第一节 5Ni钢及其焊条TN-110
一、4200m3LPG船液罐用钢是由西德提供的。钢板牌号12Ni19，其中板厚14mm钢板化学成分见表3-1。

表3-1 5Ni钢化学成分%
C
Mn
Si
S
P
N
Ni
Mo
Al
O
0.048
0.428
0.181
0.0015
0.0014
0.007
5.142
0.024
0.021
0.0015

从表中可知钢中镍含量达5%，又称5Ni钢。它在-110℃以下也具有良好的冲击韧性见表3-2，因此称低温用钢。目前主要用于制造液化天然气储罐，化工容器等。

表3-2 14mm5Ni钢机械性能
σb(N/mm2)
σs(N/mm2)

δ(%)
aKJ -110℃
575
474
23
272J

5Ni钢出厂都经热处理，以提高钢的强度和低温韧性、其供货状态有正常化、正常化+退火调质。4200m3液罐用钢板以调质状态供货。
5Ni钢是细晶粒肥粒铁类钢。
二、5Ni钢配用的电焊条
5Ni钢目前主要焊接方法之一是手工电弧焊，配用的焊条牌号TN-110是由天泰制造。该焊条操作性良好，焊接时飞溅极少，焊条熔敷系数高，脱渣容易，各种焊接位置均有良好的作业性，但容易产生熔坑等热裂纹。该焊条规格(AWS A5.11-86/11M-‘97：ENiCrMo-6)
1. TN-110的熔填金属化学成分% 表3-3
C
Mn
Si
Ni
Cr
Mo
Nb
W
Fe
0.029
2.52
0.53
67.1
14.4
7.27
0.93
1.66
5.51
TN-110是镍基焊条，焊芯为纯镍，熔填金属组织是沃斯田铁。

2. TN-110焊条的干燥、使用和安全要求。(参考TN-110焊接施工要领)
由天泰提供的焊条采用铁罐包装，焊条开封后要经350~400℃约60分钟之干燥再使用。
由于作业上要求以及TN-110被覆大，使用焊接电流相对的要比普通碳钢焊条高，下面是制造厂商推荐的电流值(平焊)。
φ(mm)
I(A)
2.6
80~130
3.2
120~160
4.0
160~220
5.0
230~300
TN-110焊条要求用交流电源焊接，也可以使用直流。直流焊接时焊条接电源正极。直流电源操作性与交流相当，但当钢板带磁会产生偏弧。
另外该焊条烟尘相当大，因此操作环境要通风良好，操作人员应避免正面接触烟尘及带好防尘口罩等。

第二节 提高低温冲击韧性的措施
一、预热
由于5Ni钢的碳含量控制比较低，镍含量比较富有，淬硬性不明显，即使采用比较小的入热量5Ni+ TN-110组合的焊道热影响区硬度也很低(HV在200左右)。如果预热温度过高就会造成晶粒粗大，并在晶界上析出氧化物，从而使韧性下降。因此焊前除了清除槽内水分等特殊情况外，应避免预热。
二、道间温度
对于5Ni钢是依靠提高镍含量以及热处理来保证低温性能的，如果提高道间温度，t 8/5时间变长，焊道及热影响区高温停留时间延长，使用TN-110镍基焊条的焊道及接头热影响区低温冲击韧性比母材低得多。因此希望5Ni+ TN-110组合的道间温度低些好，最好控制在100℃以下，但太低会影响焊接生产效率。

三、入热量控制
I . U
V
入热量是指单位长度焊道所吸收电弧热量。通常希望通过控制焊接入热量来保证焊接接头性能。
入热量的计算公式是：E= (焦/cm)
其中：I---焊接电流(安倍)
U---电弧电压伏特)
V---焊接速度(cm/秒)
I . H
V

注：V单位为cm/min，则E= x60

入热量与电流电压成正比，与焊接速度成反比，增加焊接电流减少焊接速度都使焊道及热影响区温度上升，高温停留时间增长，其结果导致5Ni+ TN-110组合的焊道沃斯田铁单向柱状晶粗大，偏析严重增大产生热裂纹，熔坑裂纹的可能性；而热影响区范围扩大晶粒长大，母材与焊道熔合比增大稀释作用就明显，使得焊接接头低温冲击韧性下降。反之减少入热量，因冷却过快造成热影响区特别是熔合线淬硬倾向不明显，为保障其低温时具有一定强度和较高的低温韧性5Ni+ TN-110入热量控制得比较低。
平均入热量：
平焊E=12.5千焦/cm
横焊E=10.2千焦/cm
立焊E=22.4千焦/cm
仰焊E= 千焦/cm
各别焊道允许最大入热量E max =35千焦/cm
四、焊条熔敷长度
在实际施工过程中，比较确实有效的控制入热量方法是测定每根焊条的熔敷长度。
焊条熔敷长度el (Weld length per electrode)
焊条熔敷长度(el)=焊接速度(cm/秒)x焊条熔敷时间(秒)
I x U
E

el= x t

其中：I—焊接电流(A)
E—焊接线能量(焦/cm)
U—电弧电压(V)
t—焊条熔敷时间(秒)
例如：φ4mm TN-110焊条长350mm，除焊条头50mm，焊接电流200A，电弧电压22~24V，焊条实际熔化时间100秒，根据规定线能量12千焦/cm代入公式。
200x24
12x100

el= x 100

el=40(cm)
5Ni+110焊条熔敷长度见表3-4

各种焊接位置焊条熔敷最小长度表 表3-4
焊接位置
焊条直径
φ(mm)
焊接电流
(A)
每根焊条最小熔敷长度(mm)
入热量
20KJ/cm
入热量
35KJ/cm
平(1G)
2.6
110~120
80

45
3.2
140~150
160
90
4.0
190~200
270
155
5.0
280~290
340
195
横(2G)
2.6
115~125
85
50
3.2
140~150
140
80
4.0
185~195
255
145
立(3G)
2.6
80~90
70
40
3.2
110~120
100
55
仰(4G)
2.6
95~105
80
45
3.2
115~125
100
55

第三节 裂纹
一、热裂纹
如前所述热裂纹的形成与焊接接头中存在低熔点共晶和接头所处的应力状态有关。由于5Ni+TN-110组合焊接接头中C、S、P含量控制的相当低，焊接金属中又添加部分Mo、W。通常这种组合的焊接接头产生结晶裂纹和液化裂纹可能性不大。但不能有效防止熔坑裂纹。
二、熔坑裂纹
1.熔坑裂纹
镍是强烈稳定沃斯田铁元素，用TN-110镍基焊条焊接时，焊缝一次结晶为方向性强的单向沃斯田铁柱状晶，有利于低熔点杂质偏析，促使形成晶液态夹层。由于沃斯田铁焊缝的导热系数小和线膨胀系数大，即使焊接接头拘束度很小的情况下，但在焊接局部加热和冷却条件下也会产生较大内应力，使得焊缝产生热裂纹。当焊接规范增大时，这种倾向越严重具体呈现在焊缝收尾，特别是开槽间隙较大的第一层打底焊的熔坑裂纹。目前尚无彻底解决熔坑裂纹的方法。一方面向焊接金属中添加Mo、W以形成碳化物粒子分布在沃斯田铁晶粒中使偏析受阻，从而达到减轻裂纹的目的。另一方面减小入热量，防止粗柱状晶产生，采用多道焊打散柱状晶分布方向，以及减少焊接应力都对防止熔坑裂纹产生是有利的。在操作上比较有效的有以下几种方法：
2.熔坑裂纹消除方法
熔坑裂纹大小，深度与熔池形状及尺寸有关，通常熔池较大，较薄容易产生。熔池短小，但热量过高也会产生熔坑裂纹且比较深，比如立焊。为减少熔池热量，应选用小直径焊条。平、立、横位置取φ3mm，仰焊取φ2.6mm焊条。
(1)改变收尾熄弧方向
把熔池引向开槽一侧收尾熄弧，增加开槽前面熔池厚度并使熔池温度最高区延伸到开槽上来防止熔坑裂纹。这一方法适宜平、横、仰位置打底焊。其最大特点是接头方便。
热量最高区

使厚度增加

图3-1
(2)回焊收尾法
目的增加熔池厚度使熔池热量最高区移到焊缝上，这一方法对四种焊接位置都适宜，但给接头带来困难，图3-2。另外反面漏沟深度略大，立焊操作亦有一定之困难度。
热量最高区

开口间隙

回焊增厚部分(使接头困难)

第一根焊道
第二根焊道

熔透差
厚熔池

图3-2

(3)采用逐根焊条后退焊法
这一方法比较确实有效，但要掌握好每根焊条实际操作长度以免后一根焊条不够与前道焊缝起头相接起不到效果，如果万一不能接上头，可用上述二种方法处理。

1
2

引板
焊接方向

1.指第一根焊条焊接长度
2. 第一根焊条焊接长度

图3-3
(4)采用打磨方法消除熔坑裂纹
利用热接法防止裂纹，一旦产生熔坑裂纹必须用砂轮打磨干净。或所有熔坑用砂轮打磨后接头。

第四节 残留应力和焊接变形
5Ni+TN-110组合的焊缝和母材是异种金属材料组合，这种沃斯田铁焊缝与肥粒铁母材组合的导热系数，线膨胀系数相差甚远。因此焊接时常常产生很大的应力，而这种残留应力不能用热处理方法来