雙相不銹鋼裝配和焊接的工藝優(yōu)化

代波濤，陸繼梅，汪春開，呂敏娟，吳紅彪

1.武船集團(tuán)湖北海洋工程裝備研究院有限公司 湖北武漢 432500

2.現(xiàn)代綜合金屬株式會(huì)社 江蘇昆山 215341

1 序言

雙相不銹鋼是指鐵素體和奧氏體各占約50%，一般較少相的含量最少也需要達(dá)到30%的不銹鋼，它既有鐵素體的高強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度達(dá)400～550MPa，又有奧氏體的抗腐蝕性能，特別適用于介質(zhì)環(huán)境比較惡劣（如海水、酸性化學(xué)物質(zhì)等）的情況，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于石油化工及雙相不銹鋼化學(xué)品船的建造。

對(duì)于雙相不銹鋼化學(xué)品船的建造來說，雙相不銹鋼的保護(hù)、裝配和焊接是重點(diǎn)和難點(diǎn)，這是因?yàn)殡p相不銹鋼具有以下特點(diǎn)：

1）雙相不銹鋼具有良好的耐蝕性，其力學(xué)性能也比奧氏體不銹鋼好。但雙相不銹鋼表面質(zhì)量的好壞，對(duì)抗腐蝕性有很大影響。熔渣、污物、氧化皮、擦傷和劃痕有可能導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕，腐蝕先形成小坑，然后向內(nèi)部發(fā)展，有的甚至腐蝕穿透整個(gè)截面造成破壞。因此，制造雙相不銹鋼結(jié)構(gòu)，從起吊、運(yùn)輸?shù)较铝?、裝配等各道工序都要采取保護(hù)措施，確保表面不受損傷。

2）雙相不銹鋼材料強(qiáng)度高、易滲碳，施工中最重要的是保護(hù)材料的表面和內(nèi)在質(zhì)量。不允許使其與碳素鋼直接接觸，表面不得有任何碰傷，以免發(fā)生滲碳腐蝕，因此在施工過程中雙相不銹鋼一般用304或316L的材料與碳素鋼隔離。

3）雙相不銹鋼具有很好的焊接性，焊接層間溫度＜150℃，通常焊前不預(yù)熱，焊后不進(jìn)行熱處理，焊接冷裂紋及熱裂紋的敏感性較小[1]。

4）雙相不銹鋼相對(duì)于碳素鋼來說，線膨脹系數(shù)比碳素鋼大40%，熱導(dǎo)率約為碳素鋼的1/3，因此在焊接過程中更易產(chǎn)生變形，且雙相不銹鋼變形不能用火工矯正，因?yàn)檩^高的溫度會(huì)改變雙相不銹鋼內(nèi)部金相結(jié)構(gòu)，降低韌性和耐蝕性，所以在施工過程中應(yīng)采用優(yōu)化工藝措施，盡量減小焊接變形[2]。

通過武船集團(tuán)湖北海洋工程裝備研究院有限公司承建的14620DWT不銹鋼化學(xué)品船建造過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)后續(xù)的7200DWT化學(xué)品船的雙相不銹鋼裝配和焊接工藝做了充分的改進(jìn)和優(yōu)化，大大提升了建造質(zhì)量和施工效率。

2 工藝改進(jìn)措施

（1）雙相不銹鋼板防變形工裝 由于雙相不銹鋼表面的保護(hù)要求，所有不銹鋼板嚴(yán)禁隨意焊接馬板。對(duì)于分段合攏縫及其他采用陶瓷襯墊焊接的雙相不銹鋼板對(duì)接縫兩側(cè)需安裝防變形工裝。這些工裝在14620DWT化學(xué)品船項(xiàng)目的工藝文件中雖然也有提及，但因部分要求不夠明確，現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行也不到位，導(dǎo)致對(duì)變形的控制不理想，所以在7200DWT化學(xué)品船項(xiàng)目中對(duì)工裝的安裝要求做了改進(jìn)和完善。不銹鋼板的防變形工裝零件建模并出圖，在結(jié)構(gòu)分段圖中清晰表達(dá)安裝位置及節(jié)點(diǎn)信息，同時(shí)要求需在碳素鋼結(jié)構(gòu)焊接前安裝，工裝與碳素鋼結(jié)構(gòu)焊接，不能與不銹鋼板焊接。同時(shí)為保證安裝精度，所有工裝材料均由數(shù)控下料，嚴(yán)禁手工修割，工裝在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段予以設(shè)計(jì)固化。雙相不銹鋼板防變形工裝的安裝如圖1所示。

圖1 雙相不銹鋼板防變形工裝的安裝示意

分段合攏時(shí)，盡可能利用在碳素鋼車間已經(jīng)安裝好的防變形工裝作為合攏馬板，增加的馬板需在坡口打磨完成后安裝，馬板安裝在壓載艙或空艙面，與防變形工裝焊接，馬板上邊緣與不銹鋼板不焊接。因?yàn)榭v向骨材間距較小，所以通常橫向合攏縫不需要再增加馬板（見圖2）；而橫向筋板間距較大，通常為350～1000mm，所以縱向合攏縫則需視情況增加馬板。增加的馬板和防變形工裝及骨材一起形成框架，從而約束不銹鋼板的變形（見圖3）。所有縱骨接頭必須實(shí)施定位焊，定位焊長(zhǎng)度75～100mm。所有定位焊需要持證焊工操作，且定位焊為焊縫的一部分。合攏縫不平、上翹嚴(yán)重時(shí)，可局部用壓鐵或馬板與不銹鋼板焊接固定。

圖2 橫向合攏縫馬板布置

如圖4所示，14620DWT 項(xiàng)目舷側(cè)分段甲板分段縫處未安裝不銹鋼防變形工裝，縱骨到板邊的距離為250mm；焊接后不銹鋼板板邊產(chǎn)生了變形，增加了后續(xù)合攏縫的裝配難度和工作量。同時(shí)，因?yàn)樽冃卧颍蠑n時(shí)還需要額外增加馬板焊接，所以也不利于不銹鋼板的保護(hù)。

圖3 縱向合攏縫馬板布置

圖4 14620DWT項(xiàng)目未安裝防變形工裝

7200DWT項(xiàng)目安裝防變形工裝如圖5所示。在分段自由端安裝筋板工裝，筋板與碳素鋼縱骨焊接，與不銹鋼內(nèi)底板不焊接，該防變形工裝減少了不銹鋼板自由邊的變形，保證了分段合攏口的骨材間距，同時(shí)還能為后續(xù)船臺(tái)合攏提供馬板固定支撐，減少了分段合攏的難度和工作量。

圖5 7200DWT項(xiàng)目安裝防變形工裝

（2）焊接參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化 首先根據(jù)雙相不銹鋼的特性，提出了反面打磨而不用反面清根的工藝改進(jìn)思路，優(yōu)化了坡口形式，明確了焊接參數(shù)。同時(shí)對(duì)于焊接材料的選擇，我們選擇了韓國(guó)現(xiàn)代浦項(xiàng)工廠的不銹鋼焊材，其優(yōu)勢(shì)是交貨周期短，且成本相對(duì)較合理。根據(jù)工藝評(píng)定及船級(jí)社證書，其φ1.2mm藥芯焊絲SW-2209、φ3.2mm埋弧焊絲YS-2209和superflux 209焊劑的力學(xué)性能和鐵素體含量等指標(biāo)合格；按照ASTM A923 C法腐蝕試驗(yàn)均合格，點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果均＜10ddm。為了確保改進(jìn)的焊接工藝合格，滿足生產(chǎn)需求，且相比目前工藝有所提升，在生產(chǎn)前做了大量準(zhǔn)備工作。利用山西太鋼不銹鋼股份有限公司的雙相不銹鋼板和韓國(guó)現(xiàn)代的焊材做了板厚為8～14mm的5組埋弧焊試驗(yàn)，板厚9～13mm的5組全焊透角焊試驗(yàn)，分別對(duì)應(yīng)不同的焊接電流、電弧電壓及焊接速度，坡口形式如圖6所示。焊后對(duì)接頭進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，通過試驗(yàn)最終確定并完善了該工藝條件下的焊接參數(shù)（見表1）。

該焊接工藝最終經(jīng)過船檢認(rèn)可，形成了指導(dǎo)性的焊接工藝評(píng)定并下發(fā)生產(chǎn)實(shí)施，通過實(shí)際分段建造，證明優(yōu)化后的工藝降低了不銹鋼焊材用量，減少了等離子清根的工作量，不銹鋼板的焊接變形也大大減小。

圖6 雙相不銹鋼焊接坡口形式

表1 雙相不銹鋼焊接參數(shù)

（3）雙相不銹鋼斜坡板的安裝 貨艙舭部不銹鋼斜坡板與內(nèi)底板C.M節(jié)點(diǎn)的裝配焊接質(zhì)量要求高，且該節(jié)點(diǎn)的焊接量和熱輸入也較大。在14620DWT化學(xué)品船項(xiàng)目中采用先焊接壓載艙面，再對(duì)貨艙面進(jìn)行等離子氣刨的工藝，但等離子氣刨后坡口角度過大且不規(guī)整，還存在傷及內(nèi)底板、破壞雙相不銹鋼表面的情況，同時(shí)造成焊接的工作量增大，鋼板熱輸入過高而降低抗腐蝕能力，鋼板的變形及內(nèi)應(yīng)力過大。

為提高焊縫的質(zhì)量，減少焊材及人工的投入，我們?cè)?200DWT項(xiàng)目中對(duì)該節(jié)點(diǎn)的定位、裝配和焊接作了改進(jìn)。使用指定的工裝馬板對(duì)內(nèi)殼不銹鋼斜坡板與內(nèi)底板焊縫進(jìn)行定位，調(diào)整好安裝位置后先定位斜坡板與橫向肋板處焊縫，定位焊長(zhǎng)度75～100mm， 間距350～500mm；定位焊需要持證焊工進(jìn)行施焊，并成為焊縫的一部分，剩余部分如果仍有板差情況可參照?qǐng)D7安裝定位。

圖7 斜坡板的安裝

C.M節(jié)點(diǎn)焊縫采用襯墊焊形式焊接，用φ8～φ10mm圓襯墊襯托在貨艙面，壓載艙面打底焊接后反面不清根，直接打磨至呈現(xiàn)金屬色，在貨艙面上進(jìn)行填充焊。同時(shí)嚴(yán)格按照工藝要求的焊接順序焊接，焊接時(shí)采用逐步退焊法或分中逐步退焊法，焊接長(zhǎng)度必須控制在結(jié)構(gòu)或馬板之間，填充焊建議按照兩個(gè)焊工焊接的焊接順序，如圖8 所示。

（4）槽型艙壁焊接坡口及加強(qiáng)工裝 14620DWT化學(xué)品船槽型艙壁的合攏縫采用的是襯墊焊，有6mm的間隙，定位時(shí)需要在槽壁上焊接大量馬板，不僅破壞雙相不銹鋼，而且大大增加了馬板馬腳割除后的打磨工作量，因而7200DWT項(xiàng)目中創(chuàng)新地采用小間隙的CO2氣體保護(hù)焊，無襯墊，不需要馬板，直接定位焊接，對(duì)局部拼板超出誤差范圍的地方可以加少量馬板，且拼裝馬板的安裝位置及數(shù)量需經(jīng)生產(chǎn)單位和設(shè)計(jì)部門確認(rèn)后才能安裝，在大大減少馬板用量的同時(shí)，也規(guī)范了馬板使用，最大限度地降低了對(duì)不銹鋼板的破壞。槽型艙壁焊接坡口形式如圖9所示。

圖8 焊接順序

槽型艙壁的翻身吊運(yùn)過程采用工字鋼加強(qiáng)，工字鋼與槽型不銹鋼板之間需用不銹鋼板連接，翻身吊耳設(shè)置在工字梁上。另外，在不銹鋼拼板時(shí)翻身吊耳的安裝也有所改進(jìn)，盡可能地利用引弧板兼作吊耳，減少吊耳的安裝；同時(shí)接地線與引弧板連接，禁止與不銹鋼板連接。引弧板、引出板與不銹鋼板滿焊，節(jié)點(diǎn)中的碳素鋼吊環(huán)需待正面的埋弧焊完成后再安裝，如圖10所示。

圖9 槽型艙壁焊接坡口

圖10 引弧板的安裝（兼吊耳）

以上工藝改進(jìn)措施都是貫徹加強(qiáng)不銹鋼保護(hù)的原則，盡量減少破壞不銹鋼原始鈍化層，減少焊接量，減少施工程序，這樣既能保證質(zhì)量，又能大大提高生產(chǎn)效率。對(duì)于船廠來講，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，是實(shí)現(xiàn)精益化造船的重要步驟，對(duì)推進(jìn)雙相不銹鋼船舶產(chǎn)品建造能力升級(jí)有重要意義。

3 結(jié)束語

7200DWT不銹鋼化學(xué)品船是武船集團(tuán)湖北海洋工程裝備研究院有限公司建造的第二艘雙相不銹鋼化學(xué)品船，通過上述的工藝優(yōu)化使得雙相不銹鋼化學(xué)品船的建造進(jìn)度和質(zhì)量有了很大地提高。隨著建造進(jìn)程的推進(jìn)和后續(xù)船的開工，還將對(duì)建造工藝進(jìn)行不斷改進(jìn)，以提高船舶的建造質(zhì)量和效率，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。