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史上最难焊接材料之一：殷瓦钢，中国只有极少人掌握其焊接技术

发布时间：2020-07-22 16:22:32

LNG船被称为“海上超级冷冻车”，要在零下163度的极低温环境下，漂洋过海，运送液化天然气。在世界民用造船领域，建造一艘LNG船的难度堪比建造一艘航母，目前只有美国等少数国家能建造LNG船。2005年，我国才有了第一批16个掌握这项焊接技术的工人。

殷瓦合金(invar，也称为殷钢)，是一种镍铁合金，其成分为镍36%，铁63.8%，碳0.2%，它的热膨胀系数极低，能在很宽的温度范围内保持固定长度。艾林瓦合金(elinvar)，是一种镍铁铬合金，成分为镍33%~35%，铁53%~61%，铬4%~5%，钨1%~3%，锰0.5%~2%，硅0.5%~2%，碳0.5%~2%，它在相当宽的温度范围内热弹性系数实际上是零(即杨氏模量不变)，热膨胀系数也很低。

它是1896年法国物理学家C.E.Guialme发现的一种奇妙的合金，这种合金在磁性温度即居里点附近热膨胀系数显著减少，出现所谓反常热膨胀现象，从而可以在室温附近很宽的温度范围内，或很小的甚至接近零的膨胀系数，呈面心立方结构，其牌号为4J36，它的中文名字叫殷钢，英文名字叫殷瓦合金( invar) ，意思是体积不变。

因瓦效应

因瓦合金自从19 世纪被发现以来，人们就被它的巨大的工业应用潜力和所蕴含的丰富的物理内容所吸引，因瓦效应的研究不仅是阐明金属及其合金、化合物磁性起源的重要途径，而且在精密仪器仪表、微波通讯、石油运输容器以及高科技产品等得到广泛的应用，因瓦合金也是许多冶金材料学家政力于开拓的新材料领域，其机理也是凝聚态物理学家尚待解决的难题。

一般来说，绝大多数金属和合金都是在受热时体积膨胀，冷却时体积收缩，它们的热膨胀系数呈线性增大，但是元素周期表中的铁、镍、钴等过渡族元素组成的某些合金，由于它们的铁磁性，在一定的温度范围内，热膨胀不符合正常的膨胀规律，具有因瓦效应的反常热膨胀。例如, 4J36因瓦合金在居里点以上的热膨胀与一般合金相似，但在居里点以下形成反常热膨胀。试验表明，它的机理与化学成分及磁性有关。它在一定范围的线膨胀系数是由低膨胀和高膨胀两部分组成，含镍量在一定范围内的增减会引起铁、镍合金线膨胀系数的急剧变化。当合金中镍的含量趋近于36%时，合金热膨胀系数最低，从而可获得低到接近零值甚至负值的热膨胀系数。合金在居里温度以上（230℃）失去了磁性，膨胀系数变大，而在居里点附近热胀系数比正常的系数小，出现所谓的“负反常”现象。

殷瓦钢特性

殷瓦合金的主要特性为:膨胀系数小，强度、硬度不高，导热系数低，塑性、韧性高等;主要应用于显示器用荫罩，热双金属低膨胀层，电子元器件封接材料，精密仪器、仪表零部件，LNG运输船，特殊传输电缆，提高离子激光器稳定性等等。

殷瓦钢的特殊性质决定了它是船舶工业中制造大型LNG船舶必不可少的材料，用于防止船体结构在超低温环境下冷裂。而且殷瓦钢极为娇贵，0.7mm厚的殷瓦钢，空手摸一下，24小时就会锈穿，所以在焊接过程中必须极为小心!所以在殷瓦钢的焊接过程中，需要焊工中最高级别，即G级的高级焊工在佩戴专用羊皮吸汗手套在极其艰苦的环境下进行。

视频：GTT培训介绍

在LNG船上，焊接异常困难的殷瓦钢，不仅必不可少，而且用量不小。普通金属材料在-163℃低温下会发脆，失去原有的韧性。因此，船体与船舱之间还有一层绝缘箱内胆，全部由不膨胀、耐低温材料组成。用在LNG船液化舱的殷瓦钢，厚度仅0.7毫米，整个液化舱体由很多小块的殷瓦钢板拼接而成。一艘LNG船有4个装载天然气的液化舱，一个液化舱有五六个篮球场这么大，全船的殷瓦钢焊缝长度近130公里。

因瓦合金的发展及应用前景

自从因瓦合金的发现，引起了世界各国科学家的重视和研究，使得因瓦合金无论是从种类还是从性能和应用上都得到了极大的提高。如1927年日本增本量首先研制出Fe—Ni—Co和Fe—Ni—Cr因瓦合金，1937年德国A.Kussmann研制出Fe—Pt和Fe—Pd因瓦合金等；我国在五、六十年代也研制出4J32和4J36因瓦合金；经过将70年的发展，直到20世纪70年代，美国Inco公司研制出Incoloy903合金，才使低膨胀合金进入了高温用途领域，到80年代末期，才形成了现代低膨胀超合金系列。

作为低膨胀合金都要求组织稳定性，一般要求在－60℃～－70℃下不发生马氏体相变。因为一发生这种相变，合金的膨胀系数会发生突变，导致应用出现故障，这是不允许的。可贵的是，FeNi36因瓦合金和FeNi32Co4超因瓦合金，在-273℃下也能保持组织稳定性，因而至今广泛应用的只有因瓦合金和超因瓦合金，近几年来在改进它们的质量，扩大使用范围，科学家们做了大量的研究工作，经过100多年的发展，因瓦合金仍然是被广泛应用的经久不衰的优质材料。

在因瓦合金问世的一百多年以来，取其低膨胀系数低这一特征的应用领域迅速扩大，用因瓦合金制造的精密仪器仪表、标准钟的摆杆、摆轮及钟表的游丝成为早期最重要的产品，在上世纪20年代用因瓦合金代替铂用作于玻璃封接的引丝，大大的降低了成本；到了五、六十年代，因瓦合金的用途继续扩大，主要用于无线电电子管、恒温器中作控温用的热双金属片、长度标尺、大地测量基线尺等；到了八九十年代，广泛用于微波技术、液态气体储容器、彩电的阴罩钢带、架空输电线芯材、湝振腔、激光准直仪腔体、三步重复光刻相机基板等。进入21世纪之后，随着航天技术的飞速发展，新的应用还包括用在航天遥感器、精密激光、光学测量系统和波导管中作结构件、显微镜、天文望远镜中巨大透镜的支撑系统和需要安装透镜的各种各样科学仪器中。

总之，随着因瓦合金不断应用于人造卫星、激光、环形激光陀螺仪和其他先进的高科技产品，有力地表明这些古老的材料正在帮助现代科学向更高水平迈进。

目前关于LNG船关键技术的研究

攻克特殊焊接技术

液货舱是LNG船的核心。147210立方米的LNG船全船的殷瓦钢（Invar钢，不膨胀钢，不锈钢材料）焊缝长度达到130公里，大部分殷瓦钢的厚度只有0.7mm，所有焊缝不能有丝毫的泄漏，一旦有一个点出现焊接质量问题，将导致相邻的一大片殷瓦板的更换和重新焊接，一个泄漏点返修工时至少要1000小时。

视频：央视大国工匠--张冬伟：LNG船上“缝”钢板

焊接工艺包括手工焊和自动焊两大部分，它所涉及到的板材为国内首次使用的殷瓦钢，涉及到的焊接材料为国内首次使用的专用焊材M93，涉及的自动焊焊机同样为国内首次使用。殷瓦钢的焊接技术成为LNG船建造必须攻克的技术关键。

建立第一条绝缘箱生产线

LNG船装载的货物是温度为－163℃的液化天然气，通过全船安装的二层绝缘箱使液化天然气和船体保持绝缘。在147210立方米的LNG船上，需要1100多种不同类型的绝缘箱55000只，箱子的精度必须控制在0.5mm公差范围内。绝缘箱是LNG船上的关键部件，只能通过建立一条可靠的高精度的生产线才能保证其质量。

突破殷瓦预制件加工难关

殷瓦预制件是LNG船的重要部件，是薄膜和船体相连接的连接件，它包括殷瓦管、殷瓦三面体和其他殷瓦小零件，以往建造散货船、油船、集装箱船时都没有这种部件。而在LNG船上，殷瓦管和殷瓦三面体约有400只，殷瓦小零件60000只，所有这些殷瓦预制件的生产不仅有量的要求，还有严格的精度控制要求，建造LNG船必须攻关解决这些关键零件的加工技术。

自制LNG船液货进出泵塔

泵塔LNG船上液货进出的重要通道，也是人员进入液货舱的通道，15万立方米级LNG船的泵塔高度达27米，三角桅形式。由于泵塔部件直接接触液化天然气，工作温度都将达到零下163℃，整个泵塔几乎都由不锈钢管子制作而成，它的制造工艺、焊接质量、焊接精度控制等是需要重点攻克的技术难关。

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