雙相不銹鋼熱處理變形矯正工藝預(yù)研

黃一平，林 坤

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

雙相不銹鋼熱處理變形矯正工藝預(yù)研

黃一平，林 坤

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

對(duì)于 2205雙相不銹鋼焊接后產(chǎn)生的變形，船東一般要求不能通過(guò)火工的方法予以矯正；而雙相不銹鋼在焊接過(guò)程中很難控制其變形，雙相鋼拼板焊接后產(chǎn)生的變形一般用油泵頂或加強(qiáng)筋拉等方法加以矯正，過(guò)程復(fù)雜。通過(guò)介紹滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司在雙相不銹鋼上應(yīng)用熱處理工藝進(jìn)行變形矯正的一些分析與試驗(yàn)，提出矯正作業(yè)關(guān)鍵控制要點(diǎn)，為相關(guān)建造領(lǐng)域中的變形矯正提供預(yù)先理論性研究支撐。

雙相不銹鋼；熱處理；變形；矯正

0 引 言

2205雙相不銹鋼是由21%的鉻、2.5%的鉬及4.5%的鎳氮合金構(gòu)成的復(fù)式不銹鋼。該不銹鋼綜合了鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的綜合力學(xué)性能和耐蝕性，被廣泛應(yīng)用于化工、海洋工程和化學(xué)品船建造等行業(yè)中。

滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“滬東中華”）設(shè)計(jì)建造的38000t化學(xué)品船的內(nèi)殼廣泛采用2205雙相不銹鋼，該不銹鋼與普通奧氏體不銹鋼相比在變形矯正方面存在很多問題。對(duì)于2205雙相不銹鋼焊接后產(chǎn)生的變形，相關(guān)規(guī)范要求不能通過(guò)火工的方法加以矯正，而雙相不銹鋼在焊接過(guò)程中很難控制其變形，焊接后產(chǎn)生的變形一般用油泵頂或加強(qiáng)筋拉等方法加以矯正，矯正過(guò)程較為復(fù)雜。因此，研究一種有效矯正雙相不銹鋼焊接變形的方法十分重要。

一般認(rèn)為，當(dāng)雙相不銹鋼的相平衡比例為 30%～70%的鐵素體()a與奧氏體(g)比例時(shí)，可獲得良好的性能。滬東中華采購(gòu)的雙相不銹鋼鐵素體相和奧氏體相各約占 50%。當(dāng)溫度升高時(shí)，雙相不銹鋼材料中部分鐵素體和奧氏體會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，相體平衡會(huì)發(fā)生變化，并會(huì)產(chǎn)生有害金屬間相，從而影響整個(gè)雙相不銹鋼的性能。因此，從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì) 2205雙相不銹鋼熱處理矯正進(jìn)行研究，獲取工程中的矯正技術(shù)，具有重大的實(shí)用價(jià)值。

1 變形控制與矯正研究現(xiàn)狀

由于雙相不銹鋼的熱導(dǎo)率小、線膨脹系數(shù)大，因此焊接時(shí)存在的主要問題是易產(chǎn)生比低碳鋼大得多的焊接變形。有效控制或矯正雙相不銹鋼的焊接變形成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員力圖突破的技術(shù)瓶頸。

國(guó)外方面：YUAN等[1]綜合利用試驗(yàn)及模擬技術(shù)建立不銹鋼殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)模型，并發(fā)展分段技術(shù)；LEE等[2]采用3D有限元技術(shù)比較奧氏體不銹鋼與雙相不銹鋼的焊接殘余應(yīng)力，結(jié)果表明雙相不銹鋼具有相對(duì)較小的軸向及環(huán)向殘余應(yīng)力；DIAZ等[3]利用有限元的方法分析焊接熱輸入對(duì)雙相不銹鋼TIG焊接變形的影響，得出與試驗(yàn)結(jié)果相吻合的模擬結(jié)果。

國(guó)內(nèi)方面：陳鋒[4]利用 ANSYS模擬不銹鋼焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算出焊接變形（平面度）量，并就焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接熱輸入和焊接質(zhì)量的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，進(jìn)而獲得最優(yōu)的焊接裝夾方式和裝夾位置；王智祥等[5-6]在總結(jié)川東造船廠焊接工藝的基礎(chǔ)上，采用TIG焊對(duì)2205雙相不銹鋼進(jìn)行焊接試驗(yàn)，具體研究焊接工藝參數(shù)和板厚對(duì)焊接收縮變形的影響，并建立雙相不銹鋼焊接應(yīng)力與收縮變形的支持向量機(jī)回歸預(yù)測(cè)模型；中船江南重工股份有限公司對(duì)7500 m3LNG罐不銹鋼焊接變形進(jìn)行工藝控制，通過(guò)提高封頭瓣片弧度加工精度、根據(jù)不同焊接位置特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)暮附硬牧稀⒖刂茻彷斎爰霸O(shè)計(jì)焊接速度和次序等方法，有效減小封頭瓣片焊接變形。此外，在板厚相同時(shí)，坡口的尺寸和根部間隙越大，收縮變形越大；焊接層數(shù)越多，焊縫的縱向收縮變形越小。因此，采用合理的裝配和焊接程序減少變形也是生產(chǎn)實(shí)踐中行之有效的手段。

然而，在變形后的熱處理矯正方面，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究較少。與碳鋼變形后采用熱處理工藝（如火工等）進(jìn)行矯正不同，雙相不銹鋼很少通過(guò)人工進(jìn)行變形矯正，因此，研究一種有效矯正焊接變形的方法十分重要。

2 試驗(yàn)研究目標(biāo)

研究不同的熱處理工藝（不同溫度）對(duì)2205雙相不銹鋼焊接后組織中α與γ的比值及金屬間化合物(如碳化物、氮化物和α相等)析出行為的影響，確立具有最佳相比例（α:γ=1:1）時(shí)的焊接熱處理工藝規(guī)程；探討不同的熱處理工藝（不同溫度）對(duì) 2205雙相不銹鋼焊接變形的影響，確立具有最佳變形矯正效果的熱處理工藝；同時(shí)，綜合考慮熱處理工藝對(duì) 2205雙相不銹鋼焊接后組織及焊接變形的影響，提出最優(yōu)的熱處理矯正工藝。

3 試驗(yàn)情況

3.1 加熱溫度的確定

根據(jù)奧托昆普（OUTKUMPU）公司提供的資料，2205雙相不銹鋼材料碳化物的析出溫度為 450~ 800℃，在空氣中加熱起皮的溫度為1000℃，在300~525℃（尤其是475℃）出現(xiàn)脆化現(xiàn)象（見表1）[7]。因此，試驗(yàn)時(shí)加熱溫度應(yīng)滿足：

1) ≤1000℃，防止表面被破壞；

2) 應(yīng)避免停留在300~525℃內(nèi)停留，防止鋼板產(chǎn)生脆化反應(yīng)；

3) 宜在550~900℃之間。

表1 2205雙相不銹鋼析出反應(yīng)和其他特征反應(yīng)的典型溫度 ℃

3.2 加熱設(shè)備

采用滬東中華目前在薄板分段上應(yīng)用的磁感應(yīng)加熱裝置（見圖1）作為加熱設(shè)備，依靠功率和加熱時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)加熱溫度。加熱設(shè)備的缺點(diǎn)是無(wú)溫度反饋裝置，加熱區(qū)域鋼板的實(shí)際溫度無(wú)法準(zhǔn)確控制。

3.3 溫度測(cè)定方法

溫度測(cè)定方法一般有接觸式（感應(yīng)片）測(cè)定和紅外線遙測(cè)2種，考慮到采用接觸式（感應(yīng)片）方式暫無(wú)配套廠家提供便捷、穩(wěn)定的解決方案，故采用手持式紅外線遙測(cè)的方式測(cè)定鋼板溫度（見圖2）。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)多塊試板進(jìn)行試驗(yàn)，可看到當(dāng)測(cè)溫計(jì)上顯示的溫度達(dá)到650℃附近時(shí)，試板表面出現(xiàn)起皮損壞現(xiàn)象（見圖3）。通過(guò)對(duì)多塊試板測(cè)量可知：加熱處反變形能達(dá)到3~4mm（見圖4）。

對(duì)于內(nèi)部晶相結(jié)構(gòu)，由后期的理化試驗(yàn)可知：當(dāng)試驗(yàn)時(shí)測(cè)溫計(jì)上顯示的溫度在450℃以下時(shí)，材料強(qiáng)度力學(xué)性能及相體比例滿足材料質(zhì)量要求。

板材原始組織均為鐵素體+奧氏體，燙平區(qū)（樣本480℃，505℃，550℃，630℃）顯微組織均為鐵素體+奧氏體，樣本380℃和400℃顯微組織均未發(fā)生變化，對(duì)樣本380℃，400℃，480℃，505℃，550℃和 630℃按 ASTM 562—2011進(jìn)行鐵素體含量測(cè)量：未燙平處均為 50%；燙平處樣本 380℃和 400℃為50%，樣本480℃，505℃，550℃和630℃為65%。400℃時(shí)的組織晶相圖和505℃時(shí)的組織晶相圖分別見圖5及圖6。晶相試驗(yàn)報(bào)告見圖7。

4 矯正作業(yè)關(guān)鍵控制要點(diǎn)

紅外線遙測(cè)溫度計(jì)受煙霧、測(cè)量點(diǎn)等因素的制約存在一定的誤差。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度計(jì)上顯示的溫度在650℃附近時(shí)，試板表面出現(xiàn)起皮現(xiàn)象，對(duì)比表1可初步判斷測(cè)量點(diǎn)位置與加熱中心溫度測(cè)量誤差在 300℃左右。理化試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)時(shí)當(dāng)測(cè)溫計(jì)上顯示的溫度<450℃時(shí)，材料強(qiáng)度力學(xué)性能及相體比例滿足材料質(zhì)量要求，對(duì)比表1可知α相及碳化物形成溫度范圍，證明試驗(yàn)時(shí)紅外線遙測(cè)溫度計(jì)溫度測(cè)量誤差在300℃的判斷基本上正確。

根據(jù)上述試驗(yàn)情況，初步提出以下矯正作業(yè)關(guān)鍵控制要點(diǎn)：

1) 溫度控制。采用紅外線遙測(cè)溫度計(jì)測(cè)定加熱區(qū)域溫度時(shí)，當(dāng)反饋溫度達(dá)到 400℃即停止加熱。同時(shí)，結(jié)合各廠家的加熱儀器，確定加熱功率和加熱時(shí)間。

2) 加熱施工操作要求。試驗(yàn)結(jié)果顯示，樣本在加熱位置呈角變形趨勢(shì)（如圖4所示）。生產(chǎn)上可在結(jié)構(gòu)硬檔背面進(jìn)行背部加熱的變形矯正。考慮到溫度控制的要求，避免熱傳遞造成加熱溫度超出允許范圍，連續(xù)2次加熱作業(yè)的加熱位置間隔應(yīng)>200mm。

3) 施工準(zhǔn)備。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需準(zhǔn)備試板，作業(yè)前應(yīng)在試板上按照工藝規(guī)程確定的功率和加熱時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，加熱后試板表面應(yīng)平整無(wú)破損。

5 結(jié) 語(yǔ)

測(cè)量試板加熱處反變形可達(dá)到 3~4mm，考慮到積液?jiǎn)栴}，目前化學(xué)品船的平整度偏差一般要求<6mm，船廠施工普遍存在10mm左右的平整度偏差。2205雙相不銹鋼材料的主要力學(xué)性能見表2[7]，其屈服強(qiáng)度是標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼的2倍多，由于硬度大，塑性變形需更大的外力，一旦產(chǎn)生變形，需通過(guò)很大的外力來(lái)矯正。

表2 2205不銹鋼材料的力學(xué)性能

因此，通過(guò)固化設(shè)備功率、加熱時(shí)間，在圖紙工藝上明確加熱位置，同時(shí)結(jié)合輔助測(cè)溫等控制措施，將該試驗(yàn)成果轉(zhuǎn)化、固化為現(xiàn)場(chǎng)矯正工藝具有十分重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

[1] YUAN H X, WANG Y Q. Residual stress distributions in welded stainless steel sections [J]. Thin-Walled Structures, 2014, 79 (2): 38-51.

[2] LEE C H, CHANG K H. Comparative study on girth weld-induced residual stresses between austenitic and duplex stainless steel pipe welds [J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 63 (1): 140-150.

[3] DIAZ J J DC, RODRIGUEZ P M, NIETO PJG, et al. Comparative analysis of TIG welding distortions between austenitic and duplex stainless steels by FEM [J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30 (16): 2448-2459.

[4] 陳鋒. 焊接工藝對(duì)不銹鋼焊接變形的研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2009.

[5] 王智祥，王正倫. 2205雙相不銹鋼焊接收縮變形與殘余應(yīng)力研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009, 28 (4): 785-788.

[6] 王智祥，王正倫. 2205雙相不銹鋼焊接應(yīng)力與變形的SVM回歸預(yù)測(cè)研究[J]. 船舶工程，2010, 32 (1): 74-78.

[7] 國(guó)際鉬協(xié)會(huì). 雙相不銹鋼制造加工實(shí)用指南[M]. 2版. 倫敦：國(guó)際鉬協(xié)會(huì)，2009: 10-11, 23-25.

Pre-research on Heat-Treatment Flatten M ethod in Dup lex Stainless Steel Construction

HUANG Yi-ping，LIN Kun
（Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

Welding deformation of 2205 duplex stainless steel often occurs in chem ical tanker construction, whereas ship owners are usually opposite to use the method of hot processing for straightening. Thus the oil pump jack-up method and the stiffener pulling method are often used as the option to deal w ith the deformation of duplex stainless steel in welding though they are rather complicated. This paper introduces the analysis and experiments carried out by Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd. to solve the problem of deformation flattening w ith the heat treatment method for duplex stainless steel and elaborates the key control points. It is expected to provide the pre-theoretical research support for the deformation flattening method in this field.

duplex stainless steel; heat treatment; deformation; flattening

TG142.71；TG161

B

2095-4069 (2017) 03-0062-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.013

2017-03-22

黃一平，男，高級(jí)工程師，1963年生。1986年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)焊接工藝及設(shè)備專業(yè)，現(xiàn)從事企業(yè)管理、造船生產(chǎn)管理等工作。