雙相不銹鋼裝配和焊接的工藝優化

代波濤，陸繼梅，汪春開，呂敏娟，吳紅彪

1.武船集團湖北海洋工程裝備研究院有限公司 湖北武漢 432500

2.現代綜合金屬株式會社 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到30%的不銹鋼，它既有鐵素體的高強度，屈服強度達400～550MPa，又有奧氏體的抗腐蝕性能，特別適用于介質環境比較惡劣（如海水、酸性化學物質等）的情況，現廣泛應用于石油化工及雙相不銹鋼化學品船的建造。

對于雙相不銹鋼化學品船的建造來說，雙相不銹鋼的保護、裝配和焊接是重點和難點，這是因為雙相不銹鋼具有以下特點：

1）雙相不銹鋼具有良好的耐蝕性，其力學性能也比奧氏體不銹鋼好。但雙相不銹鋼表面質量的好壞，對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致電化學腐蝕，腐蝕先形成小坑，然后向內部發展，有的甚至腐蝕穿透整個截面造成破壞。因此，制造雙相不銹鋼結構，從起吊、運輸到下料、裝配等各道工序都要采取保護措施，確保表面不受損傷。

2）雙相不銹鋼材料強度高、易滲碳，施工中最重要的是保護材料的表面和內在質量。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℃，通常焊前不預熱，焊后不進行熱處理，焊接冷裂紋及熱裂紋的敏感性較小[1]。

4）雙相不銹鋼相對于碳素鋼來說，線膨脹系數比碳素鋼大40%，熱導率約為碳素鋼的1/3，因此在焊接過程中更易產生變形，且雙相不銹鋼變形不能用火工矯正，因為較高的溫度會改變雙相不銹鋼內部金相結構，降低韌性和耐蝕性，所以在施工過程中應采用優化工藝措施，盡量減小焊接變形[2]。

通過武船集團湖北海洋工程裝備研究院有限公司承建的14620DWT不銹鋼化學品船建造過程中積累的經驗，對后續的7200DWT化學品船的雙相不銹鋼裝配和焊接工藝做了充分的改進和優化，大大提升了建造質量和施工效率。

2 工藝改進措施

（1）雙相不銹鋼板防變形工裝 由于雙相不銹鋼表面的保護要求，所有不銹鋼板嚴禁隨意焊接馬板。對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接縫兩側需安裝防變形工裝。這些工裝在14620DWT化學品船項目的工藝文件中雖然也有提及，但因部分要求不夠明確，現場執行也不到位，導致對變形的控制不理想，所以在7200DWT化學品船項目中對工裝的安裝要求做了改進和完善。不銹鋼板的防變形工裝零件建模并出圖，在結構分段圖中清晰表達安裝位置及節點信息，同時要求需在碳素鋼結構焊接前安裝，工裝與碳素鋼結構焊接，不能與不銹鋼板焊接。同時為保證安裝精度，所有工裝材料均由數控下料，嚴禁手工修割，工裝在生產設計階段予以設計固化。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，盡可能利用在碳素鋼車間已經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。因為縱向骨材間距較小，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施定位焊，定位焊長度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、上翹嚴重時，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 項目舷側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生了變形，增加了后續合攏縫的裝配難度和工作量。同時，因為變形原因，合攏時還需要額外增加馬板焊接，所以也不利于不銹鋼板的保護。

圖3 縱向合攏縫馬板布置

圖4 14620DWT項目未安裝防變形工裝

7200DWT項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，同時還能為后續船臺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項目安裝防變形工裝

（2）焊接參數設計優化 首先根據雙相不銹鋼的特性，提出了反面打磨而不用反面清根的工藝改進思路，優化了坡口形式，明確了焊接參數。同時對于焊接材料的選擇，我們選擇了韓國現代浦項工廠的不銹鋼焊材，其優勢是交貨周期短，且成本相對較合理。根據工藝評定及船級社證書，其φ1.2mm藥芯焊絲SW-2209、φ3.2mm埋弧焊絲YS-2209和superflux 209焊劑的力學性能和鐵素體含量等指標合格；按照ASTM A923 C法腐蝕試驗均合格，點腐蝕試驗結果均＜10ddm。為了確保改進的焊接工藝合格，滿足生產需求，且相比目前工藝有所提升，在生產前做了大量準備工作。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現代的焊材做了板厚為8～14mm的5組埋弧焊試驗，板厚9～13mm的5組全焊透角焊試驗，分別對應不同的焊接電流、電弧電壓及焊接速度，坡口形式如圖6所示。焊后對接頭進行了力學性能試驗，通過試驗最終確定并完善了該工藝條件下的焊接參數（見表1）。

該焊接工藝最終經過船檢認可，形成了指導性的焊接工藝評定并下發生產實施，通過實際分段建造，證明優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

（3）雙相不銹鋼斜坡板的安裝 貨艙舭部不銹鋼斜坡板與內底板C.M節點的裝配焊接質量要求高，且該節點的焊接量和熱輸入也較大。在14620DWT化學品船項目中采用先焊接壓載艙面，再對貨艙面進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整，還存在傷及內底板、破壞雙相不銹鋼表面的情況，同時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，鋼板的變形及內應力過大。

為提高焊縫的質量，減少焊材及人工的投入，我們在7200DWT項目中對該節點的定位、裝配和焊接作了改進。使用指定的工裝馬板對內殼不銹鋼斜坡板與內底板焊縫進行定位，調整好安裝位置后先定位斜坡板與橫向肋板處焊縫，定位焊長度75～100mm， 間距350～500mm；定位焊需要持證焊工進行施焊，并成為焊縫的一部分，剩余部分如果仍有板差情況可參照圖7安裝定位。

圖7 斜坡板的安裝

C.M節點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，直接打磨至呈現金屬色，在貨艙面上進行填充焊。同時嚴格按照工藝要求的焊接順序焊接，焊接時采用逐步退焊法或分中逐步退焊法，焊接長度必須控制在結構或馬板之間，填充焊建議按照兩個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工裝 14620DWT化學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項目中創新地采用小間隙的CO2氣體保護焊，無襯墊，不需要馬板，直接定位焊接，對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量需經生產單位和設計部門確認后才能安裝，在大大減少馬板用量的同時，也規范了馬板使用，最大限度地降低了對不銹鋼板的破壞。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過程采用工字鋼加強，工字鋼與槽型不銹鋼板之間需用不銹鋼板連接，翻身吊耳設置在工字梁上。另外，在不銹鋼拼板時翻身吊耳的安裝也有所改進，盡可能地利用引弧板兼作吊耳，減少吊耳的安裝；同時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，節點中的碳素鋼吊環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）

以上工藝改進措施都是貫徹加強不銹鋼保護的原則，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，這樣既能保證質量，又能大大提高生產效率。對于船廠來講，保證產品質量，降低生產成本，縮短生產周期，是實現精益化造船的重要步驟，對推進雙相不銹鋼船舶產品建造能力升級有重要意義。

3 結束語

7200DWT不銹鋼化學品船是武船集團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品船，通過上述的工藝優化使得雙相不銹鋼化學品船的建造進度和質量有了很大地提高。隨著建造進程的推進和后續船的開工，還將對建造工藝進行不斷改進，以提高船舶的建造質量和效率，提高企業的競爭力。