雙相不銹鋼的火工工藝研究

蔡貝云，魏禮綸，王旭東，李 波

(南通明德重工有限公司，江蘇 南通226361)

雙相不銹鋼的火工工藝研究

蔡貝云，魏禮綸，王旭東，李 波

(南通明德重工有限公司，江蘇 南通226361)

以30 000t不銹鋼化學品船為研究對象，對2205雙相不銹鋼材料火工進行了理論分析，在雙相不銹焊接試樣的火工試驗中，對火工試樣進行鐵素體含量、硬度測量和點腐蝕含量的測試，試驗結果均在要求范圍內，從而得出在雙相不銹鋼2205上進行火工矯正局部變形是可行的。同時，也給出了相關的施工工藝和要領。

化學品船；雙相不銹鋼；火工；殘余應力

0 引言

30 000 t不銹鋼化學品船所有貨艙內壁均采用2205雙相不銹鋼材料建造。考慮到對不銹鋼材料的保護，貨艙區分段建造時將分段制作流程劃分為碳鋼分段制作和不銹鋼分段制作2個獨立的流程。對雙層底分段、舭部分段和舷側分段考慮在碳鋼分段車間內將除不銹鋼以外的碳鋼結構均裝配、焊接完成后，再送不銹鋼車間進行貼覆貨艙內殼不銹鋼板材。對槽型、底墩和甲板分段，這些分段不涉及碳鋼分段車間的作業，將碳鋼小組件和分段散裝件直接送不銹鋼車間進行分段制作。

國際船級社協會(IACS)對船體結構變形控制有具體的要求：槽深的標準誤差≤3 mm，極限誤差≤6 mm；縱向型材間的板材變形標準誤差≤6 mm，極限誤差≤8 mm。雙相不銹鋼材料本身具有較高的強度、較大的熱膨脹系數和較低的熱傳導系數，這些特點使此材料在焊接過程中容易產生較大的焊接殘余應力，從而產生較大的焊接收縮變形。雙相不銹鋼船舶建造時為了最大程度的減小焊接變形，除了對焊接工藝、焊接順序進行優化以外，還需要使用很多控制變形的工裝、治具來確保船體結構在焊接時的變形。即便如此，還是有局部區域的結構焊接變形會超出規范許可的范圍。

1 理論基礎

通常情況下，對小件的雙相不銹鋼結構均采用固熔后退火的方法消除焊接內應力，方便成型加工，并消除升溫后產生的有害金相，然后通過迅速冷卻工件防止有害金相的再次形成，從而得到所需要的成品零件。但是對船舶建造而言，這樣做的實際可操作性比較小，成本較高。

雙相不銹鋼材料本身的機械性能和耐腐蝕性能的改善，是通過改變雙相不銹鋼兩相比例、兩相中的合金成分及消除其他析出相來實現的。雙相不銹鋼材料中添加了氮元素，提高了奧氏體的穩定性，在較高的溫度加熱仍能保持一定量的奧氏體。

雙相不銹鋼的等溫轉變動力學曲線見圖1[1]。從圖1可以看出，2205雙相不銹鋼在650～950 ℃溫度區間，可析出碳化物、氮化物和金屬間相x、σ等，特別是在800～850 ℃，這些脆相在幾分鐘內即可析出。只要適當控制火工的溫度和在此溫度下停留的時長就可以有效的防止有害金相的形成，證明在2205雙相不銹鋼材料上進行火工也是可行的。雙相不銹鋼船體結構的火工矯正可以被看作是一種去應力退火的熱處理方式。

圖1 2205雙相不銹鋼等溫析出動力學曲線

2 現場試驗

試驗用2205雙相不銹鋼板材均由日本新日鐵住金不銹鋼有限公司(NSSC)提供。試驗選用的不銹鋼焊材均由瑞典Avesta焊材廠提供。

火工用噴嘴為2號嘴，熱源為天然氣和氧氣的燃燒火焰。試驗采用公司統一配送的管道氣體，其中天然氣的壓力為0.12～0.15 MPa，氧氣壓力為0.5～0.6 MPa。試驗時試板的溫度測量均采用JM 426接觸式溫度儀進行測量。為了防止測量點受火焰溫度的影響，測量位置均在火口后10 mm處。

傳統烘槍為單噴嘴結構，熱量較集中，不利于雙相不銹鋼板材的火工作業。為此，試驗前對傳統的烘槍做了適當的改進，即將烘槍更改為三噴嘴烘槍。這樣既可以有效提高火工效率，又能夠在控制局部溫度過高的前提下得到更好的矯正變形的效果。

火工開始前需要將火焰調整為中性火焰，防止氧化型火焰和滲碳型火焰對板材造成污染。3個火口的間距需控制在10～15 mm。火焰焰心(白點)距板材的高度約為0～3 mm。

2.1 火工對板材和焊縫性能的影響

火工試驗的試樣為焊接“T”字型全焊透角焊結構，其長度為350 mm。“T”型面板寬度為150 mm，腹板寬度為120 mm，板材厚度均為14 mm。試驗時的環境溫度為27 ℃。火工前，將“T”字試板兩邊各采用2只3 t千斤頂頂實，對火路區域的板材表面進行拋光處理。

現場測得火工平均速度為171 mm/min。火工后采用接觸式測溫儀隨即測得火口后10 mm處試件表面平均溫度為350 ℃。火工前的焊接角變形平均值為6 mm，火工之后的平均角變形值為2 mm。

從試驗樣本發現，對雙相不銹鋼進行火工，對母材的主要影響在析出相對其抗腐蝕性能、硬度和金相比例的影響，因此，考慮對火工試板進行鐵素體含量、硬度和點腐蝕試驗的測試。針對火工試板在火口下方，背面角焊縫熔敷金屬上和焊接熱影響區分別取試樣進行鐵素體測量及點腐蝕試驗。采用ASTM G48 Method C對試樣進行試驗。點腐蝕深度測量儀器為深度表，型號為0～1 mm。從實驗報告的數據來看，火工后試樣母材、焊縫、焊縫熱影響區的板材的鐵素體含量均在船級社規范要求的30%～70%的范圍內。同時，試樣臨界點腐蝕溫度點母材為35 ℃，焊縫熔敷金屬區為20 ℃，這與鋼板廠家和焊材廠家提供的產品例值完全吻合。試驗測得試樣的硬度范圍在252～286 Hv，滿足船級社規范小于420 Hv的要求。

2.2 實例分析

此船舶在橫向與縱向槽型交叉處有2個從甲板到底墩的通道，板材厚度為13～16 mm。在此通道箱體的角焊縫焊接時，由于此處的焊接均為全焊透角焊縫，且坡口設計為單邊坡口，坡口方向朝貨艙面。雖然在此結構焊接過程中采用的外力進行控制，但是TB08通道“T”字全焊透角焊縫焊接后的變形仍然較大，貨艙內寬150 mm的自由邊角變形范圍在8～12 mm。現場通過火工進行了矯正(2次火工)，矯正后的角變形在2～4 mm范圍內，完全滿足結構精度的需求。

為了調整拼板焊接產生的變形，實際生產中也有采用二次焊接的方式來進行調整的，即將已經焊接好的焊縫進行返修，二次焊接。通過此方式調整變形，雖然熔敷金屬溫度較高，但是焊絲中含有相應的合金元素來調整焊接后板縫的質量。雙相不銹鋼的焊接主要通過焊接的熱輸入值來控制相平衡，熱輸入值過大一定程度上影響了雙相的比例，也增加了焊接變形。雙相不銹鋼的焊接熱輸入值需要控制在0.5～2.5 KJ/mm之間[2]。采用此種修復焊接變形的方式對焊縫熱影響區的產品質量有一定影響，不能反復使用，同時此方案的經濟性較差。

溫度沿板厚方向形成梯度分布從而導致熱塑變形的梯度分布，即形成角變形。對板的角變形的矯正，千萬不要燒透，否則削弱梯度分布，影響矯正效果[3]。雙相不銹鋼與低碳鋼的熱膨脹系數雖接近，但雙相不銹鋼的熱導率要遠遠低于低碳鋼，因此，對雙相不銹鋼進行角變形的火工矯正，在板材厚度方向更容易形成這種梯度熱塑變形。雖然這一特性增加了結構焊接變形，但是它同時也增強了火工對結構變形矯正的效果。

3 注意事項

不合理的火工操作對2205雙相不銹鋼材料性能的影響是巨大的，因此在現場操作時需要注意以下幾點：

(1)火工過程中暫時不考慮采用水冷的方式進行施工。

(2)作業人員必須嚴格按照工藝要求來進行施工，并安排專人進行施工。操作人員對板材溫度和板材顏色的把握需要盡快積累經驗。

(3)火工前后均需要對不銹鋼表面進行清潔，特別是火工后火口經過的區域的板材表面變色需要采用拋光的方式進行去除。

(4)火焰能率的選擇對火工行走速度、板材表面的溫度和質量的影響均較大，施工前需要嚴格按照施工工藝調整火焰。

(5)外力支撐對變形回彈具有較大的影響，火工前必須準備到位。

(6)此火工工藝不存在對板材的累計風險，因此，板材完全冷卻后可以進行二次火工矯正。

(7)長條形火工加熱，終點產生的殘余應力比始點大，因此在結構火工矯正時，可以考慮將變形較大的端部作為火工線的末端。

從文獻[4]的分析結果來看，σ相在750 ℃時保溫0.5 h基本不會有有害金相析出。因此，本文雙相不銹鋼火工的工藝是偏于保守的。

[1] 黃皓, 陳建亮, 季良鈞. 船體工藝手冊(修訂版)[M].北京: 國防工業出版社, 1989.

[2] 劉雄，等.高溫時效對2205雙相不銹鋼中σ相析出行為的影響[J].材料熱處理學報，2010,31(3):48-51.

2012-11-27

蔡貝云(1983-)，男，助理工程師，主要從事船舶設計與生產管理；魏禮綸(1951-)，男，副總工程師，主要從事船舶結構焊接、工藝方面的研究；王旭東(1987-)，男，助理工程師，主要從事船舶生產管理；李波(1986-)，男，碩士，主要從事不銹鋼材料研究。

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