不锈钢舱化学品船焊接工艺技术研究 (1)

分类号：

U D C：

密级

编号‘。_。■■__●■■_■_____-_■_●_■__■●-_一

专业硕士学位论文．

(工程硕士)

不锈钢舱化学品船焊接工艺技术研究

硕士研究生：

指导教师：

学位级别：

工程领域：

所在单位：

论文提交日期：

论文答辩日期：

学位授予单位：

杨继承

任慧龙教授

工程硕士

船舶与海洋工程

船舶工程学院

2011年3月01日

2011年3月16日

哈尔滨工程大学

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Classified Index：

U．D．C：

A Dissertation for the Professional Degree of Master

(Master of Engineering)一一

Research on Welding Technological of Stainless

Steel Cargo of Chemical Tanker

Candidate：Yang Jicheng

． Supervisor：Prof．Ren Huilong

Academic Degree Applied for：Master of Engineering

Engineering Field：Shipbuilding and Oceanography Engineering

Date ofSubmission：Mar．01，2011’

Date of Oral Examination：Mar．1 6，201 1

University：Harbin Engineering University

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哈尔滨工程大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成

的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除

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成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本

人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。．

作者c㈣：李马硅2卜日期：纱I『年芗月加日

·哈尔滨工程大学

学位论文授权使用声明

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工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门

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本论文(口在授予学位后即可口在授予学位12个月后口解密后)由哈尔滨

工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。

作者(签字)：母荛l杠日期：细11年弓月幻日

导师c签瓤仫德石加州年；月幻日

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不锈钢舱化学品船焊接工艺技术研冗

摘要

本文以45000吨化学品船为母型，通过对不锈钢焊接和表面处理等专项技术的试验

研究以及不锈钢舱结构典型模拟子分段(节点)的研制，掌握不锈钢舱结构建造的关键

技术，形成不锈钢舱化学品船的设计、建造工艺和管理等方面的系统的技术储备，具备

新型不锈钢舱化学品船的设计和建造能力。主要研究内容以及拟采用的试验方法如下：

1) 介绍了双相不锈钢的特点，可焊性和焊接的方法和技术，

2) 研究了三种双相不锈钢的焊接方法，通过金相组织分析证明了通过合理的

控制焊接参数和热输入控制，焊后双相钢的奥氏体、铁素体组织达到了

较好的相平衡，对模拟分段进行了焊接变形预测分析，采用基于固有应变

的等效载荷法来预测不锈钢模拟分段(节点)的焊接变形，对船舶结构

进行仿真模拟，通过弹性分析求出最终变形。

3) 比较全面地介绍了采用双相不锈钢作为液舱舱壁材料的化学品船的焊接技

术，

4) 研究了不锈钢舱化学品船的不锈钢舱船体模拟子分段(节点)的设计与制

造技术，一．

5) 对于不锈钢舱化学品船的典型子分段(节点)，运用建造技术研究所取得的

成果完成子分段(节点)的建造，并使其建造质量达到不锈钢舱化学品船

的质量标准。．

关键词：双相不锈钢；不锈钢舱；模拟子分段；焊接技术

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Abst ract

In this paper,45，000 tons of chemicals for the mother ship type，through the research for

the stainless steel welding and surface treatment technology and develop a typical stainless

steel tank simulation of sub·sub—structure(nodes)，master key technology of constructing

stainless steel cabin，Formed technical reserves design，construction technology and

management systems of stainless steel tank chemical vessel，process design and construction

capabilities of new stainless steel tank chemical tanker．

The main contents and test method to be adopted as follows：

1)Describes the characteristics of duplex stainless steel，welding and soldering methods

and techniques，

2)Research the three welding methods of duplex stainless steel，microstmcture analysis

demonstrated that by the reasonable control of welding parameters and heat input

control，austenite and ferrite of dual phase steel after welding achieves a better

equilibrium，

3)Sub—prediction welding deformation of analog segment，using equivalent load based

on inherent strain method to predict the stainless steel the welding deformation of

analog segment(node)，simulation structure of ship，obtain the final deformation by

elastic analysis，’

4)This paper aims at the mastery of welding technology for modem chemical tanker

made from duplex stainless steel，

5)Investigation was done on the design and manufacture of stainless steel simulative

hull block(knoO in stainless steel cargo holds of a chemical tanker，

6)The research result for shipbuilding technology Was adopted，and the quality of the

block(knoO should be meeting the quality requirement of the stainless steel cargo tank．

Key words：Duplex stainless steel；Stainless steel cargo tank；Simulative sub-blocks；

welding technology

善

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目录

第1章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1

1．1论文的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．1

1．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．-．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1

1．2．1焊接变形方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“1

1．2．2国内不锈钢舱化学品船建造情况⋯j⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·3

1．3本文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·3

1．3．1焊接工艺技术试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4

1．3．2焊接变形控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4

1．3．3不锈钢模拟舱建造技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

1．4研究方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5

第2章双相不锈钢焊接性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6

2．1双相不锈钢的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·6

2．2双相不锈钢的可焊接性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

2．2．1双相不锈钢的相平衡⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6

2．2．2双相不锈钢的析出相⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

2．2．3双相不锈钢焊缝组织中铁素体含量测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”9

2．2-4焊接变形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1

2．3双相不锈钢的焊接方法与技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯?⋯⋯⋯⋯⋯⋯11

2．3．1 常用的焊接方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”1 1

2．3．2焊接技术要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯_⋯12

2．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“⋯_⋯⋯13

第3章双相不锈钢焊接工艺试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14

3．1试验用材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14

3．1．1双相不锈钢试板⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14

3．1．2双相不锈钢焊接材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14

3．2双相不锈钢的埋弧自动焊(SAW)工艺试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15

3．2．1试板焊接的技术要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15

3．2．2工艺试验参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“15

3．2．3试板检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16

3．3双相不锈钢的药芯焊丝气体保护焊(FCAW)工艺试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18

3．3．1试板焊接的技术要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一18

3．3．2工艺试验参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“19

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哈尔滨工程大学硕士学位论文宣；i宣暑暑置iiii薯I———————I—————————————————————————————————————————————————HI———暑II宣—；；I高3．3．3试板检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20

3．4双相不锈钢的手工电弧焊(S删)工艺试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．243．4．1试板焊接的技术要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．24

3．4．2工艺试验参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．24

3．4．3试板检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯25

3．5金相组织分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯28

3．6焊缝金属的铁素体含量的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯32

3．7耐腐蚀性实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯32

3．7．1耐腐蚀性实验检测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33

3．7．2耐腐蚀性实验检测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33

3．7．3 晶间腐蚀和点腐蚀形貌⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯37

3．7．4耐腐蚀性实验小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·37

3．8本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”48

第4章模拟分段焊接变形预测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·50

4．1不锈钢舱化学品船及其结构布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50

4．2模拟分段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·50

4．3模拟分段的变形仿真与预测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一·61

4．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯：⋯⋯⋯⋯63

第5章模拟分段建造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64

5．1技术准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯64

5．1．1资料搜集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64

5．1．2技术调研⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64

5．2模拟子分段制作生产准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66

· 5．2．1到货检查、搬运与储存⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一66

5．2．2制作场地选定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯68

5．2．3胎架制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯68

5．2．4部件装配准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一70

5．3焊接制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯70

5．3．1焊工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯70

5．3．2焊接方法和焊接材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”7l

5．3．3焊接设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·71

5．3．4焊前准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71

5-3．5焊接施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72

5．3．6焊接变形控制措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”75

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5．4不锈钢舱表面处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯76

5．4．1淋洗法试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯77

5．4．2喷涂酸洗钝化膏法试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯77

5．4．3实际钝化效果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”77

5．5模拟分段的精度检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯79

5．6模拟分段性能检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯80

5．6．1无损探伤检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯80

5．6．2力学性能检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯80

5．6．3腐蚀性试验检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯j⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯81

5．7本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·8 l

结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82

参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”83

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“85

致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯86

个人简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·苗”．⋯-87

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第1章绪论

第1章绪论

1．1论文的目的和意义

世界各国对化学品需求的增长，促进了化学品航运市场的兴旺。随着化学品运输业

的不断发展，含不锈钢舱的化学品船以其较高的安全性和较好的经济性越来越多地受到

船东的青睐。化学品船尤其是带有不锈钢液货舱的化学品船的制造，成为国内造船业新

的热点。而能够建造“不锈钢舱化学品运输船”这种目前国际造船、航运界公认的高技术、

高附加值船型已成为衡量企业造船整体水平的标志。因此，为了增强竞争力，提高经济

效益，掌握不锈钢舱化学品船的建造工艺技术已成为提高企业竞争力的必然需求。我集

团公司拥有设计建造大型化学品船的自主知识产权，但尚未建造被国际造船和航运界公

认为“双高”产品的不锈钢舱化学品船，因此深入开展不锈钢舱化学品船的技术研究对于

集团公司在化学品船的建造领域达到世界先进水平，继续在国内企业中保持优势地位至

关重要tM】。

在不锈钢舱化学品船的建造工艺技术中，不锈钢舱的焊接建造技术是其中研究的重

点和难点。关于化学品船双相不锈钢的焊接技术研究也引起了广泛关注。双相不锈钢不

仅具有较高的强度，而且具有更为优良的耐腐蚀性能。从世界船舶行业来看，目前该钢

种已超越了316L奥氏体不锈钢，成为当今化学品船液货舱普遍采用的不锈钢钢种【jJ。

双相不锈钢的优良力学性能和耐腐蚀性能都对焊接过程有很强的依赖性，如果对焊

接的工艺、参数等不加以控制的话，就很难得到所预想的结果。在双相不锈钢的熔焊中，

最为突出的特征是所发生的热循环对焊接接头微观组织结构的巨大影响。在焊接过程

中，焊缝和热影响区存在重要的相转变，这将极大地影响金属的延展性和耐腐蚀性。因

此，双相不锈钢的焊接对于保证液货舱的强度和耐腐蚀性是至关重要的。．

因此，开展不锈钢舱的化学品船建造工艺技术研究，掌握化学品船双相不锈钢材料

的焊接建造方法和工艺技术，特别是对于不锈钢焊接变形的精度控制技术，是增加化学

品船技术保障，提高精度造船水平，是关系到公司市场竞争力的重要课题[删。

1．2国内外研究现状．

1．2．1焊接变形方法研究

用来预测船体分段焊接变形的方法应当能够考虑不同的焊接参数、不同的模型形

状，并且能够反映出在装配过程中的形状变化，同时由于预测焊接变形量和确定余量是

哈尔滨工程大学硕士学位论文；薯；暑嗣暑昌置iiiii罱宣；ii；置；葺；I———————宣；；宣iii宣ii；鲁—；；I—1|；i——；——；I—II葛II；；；—_宣i葺暑宣；i暑；i暑宣ii葛；ii；；；i暑ii

个重复的分析过程，所以在计算时间方面既要有效率，还要能保证合理的精度。目前有

多种焊接变形和应力的分析方法，综合起来可以分为如下几种：实验法，解析法，数值

分析法，等效载荷法等【7~10】。

1)实验法

20世纪30年代的焊接变形研究是以实验和经验来导出各类焊接变形模型的。这种

研究方法一般被限制在专门的变形模式上，所以实验法只能用于估算简单结构的特定变

形。

2)解析法

用解析法研究焊接变形始于20世纪50年代，是基于经典弹性理论的研究，忽略了

热弹．塑性过程。解析法只考虑了残余塑性应变，并假设所有区域(包括固有应变区)

都保持弹性。这种方法把焊接构件与固有应变分布以数学方式理想化，这也正暴露了解

析法的缺点，如弹性理论问题的解决是有限的，对于大型复杂结构来讲是不可能求解的，

为了正确了解固有应变的分布，人们提出了实验方法和热弹一塑性分析法，即以实验结

果和热弹．塑性分析结果为基础，来求出固有应变的方法。固有应变的大小和区域应该

通过实验结果来获得，说明解析法有较低的应用价值，但是为之后出现的数值分析法和

等效载荷法打下了重要的基础。

3)数值分析法

真正的焊接变形数值分析法研究可以说是从20世纪60一70年代随着计算机技术的

发展出现了有限差分法、有限元法、边界元法等数值分析法之后开始的，因为它们使对

现实情况的模拟成为可能。数值分析法是模拟焊接的物理现象，由焊接时的热传导分析

和考虑温度分布的热弹．塑性分析构成。热弹．塑性分析模型由经历温度变化和弹性过程

的焊接构件构成，通过焊接构件随温度变化的弹．塑性过程，求出最终的固有应变。数

值分析法从原理上讲，可以解决复杂焊接结构的变形和应力问题，但需要高性能的计算

机和极为耗时的运算，模拟简单结构的焊接过程就要花超级计算机数百秒的时间来一步

步的分析非线性问题。如果使用普通工作站则要数天。因此从实践的角度讲，使用数值

分析法对大型实际结构的焊接过程进行精确模拟是不可行的。因而对于大型复杂的船体

焊接结构即使可能也是很不经济的，难以在实际生产中应用【11卅41。

4)等效载荷法一

为了分析像船舶这样大型结构的焊接变形，研究人员引入了等效载荷法。等效载荷

是指用弹性理论来分析焊接变形时对结构所加的载荷。等效载荷法是忽略焊接变形的热

弹．塑性过程，把等效载荷作用在结构上，通过弹性有限元分析，计算出结构的最终变

2

．，

，

第1章绪论

形量的方法，这种方法比热弹．塑性分析更具效率性，但是需要通过确切的假设计算出

关于焊接变形力学特性的等效载荷。等效载荷法根据载荷的计算方法可分为实验等效载

荷法与固有应变等效载荷法。

基于固有应变的弹性有限元法是一种很有实用意义的新方法【”~181。这种方法是对以

往只能计算最简单结构的解析方法的突破，同时又解决了用经验公式不能准确预报复杂

船体结构焊接变形的问题。根据目前的研究状况，固有应变法是一种既能解决大型复杂

结构，又比较经济实用的预测焊接变形的方法，能够直接解决工程实际问题，从而使焊

接工艺设计人员对焊接变形的计算与控制上了一个台阶，有很好的实用意义和发展前

途。

1．2．2国内不锈钢舱化学品船建造情况

2003年3月，武汉青山船厂建造的首艘18500吨不锈钢舱化学品／油船“维勒莉

(VALERIE)”号下水。该船是青山船厂与德国英耐克船舶设计公司联合设计，为比利

时安特卫普航运公司建造的高等级、高技术含量的IMO II型化学品运输船。该船根据欧

洲船舶建造标准以及德国劳氏船级社规范和国际散装运输危险化学品船等规则设计、建

造。该船总长164．34m，船宽23m，型深12．8m，设计吃水9m，航速可达15．5节。全

船设有16个整体重力液货舱和2个污液舱，可同时载运18种对环境或安全有相当危害

的货品。

2006年10月，山东乳山市造船有限责任公司为中国海洋石油总公司建造的第1艘

不锈钢化学品船”海洋石油851”号如期下水该船船体总长89米，型深6．2米，型宽14

米，设计吃水4米，载重量2300吨，主机功率1620千瓦，试航航速12节／d,时，主要

用于装载化学品等，按中国船级社CCS规范建造【19】。

2007年1月29日、2月1日，中船重工川东造船厂为海南中化船务有限公司、南

京长江油运公司建造的3000吨级“杜鹃”、“宁化419”号不锈钢化学品船顺利交船。

这些不锈钢舱化学品船载重量均相对较小，通常一万吨左右，甚至大多数还不到

5000吨。焊接建造技术主要依赖于合作的外方技术高管，焊接变形控制是每个船厂都遇

到的难题，由于建造初期的失误和双相不锈钢焊接经验的缺乏，曾造成部分结构偏差而

换板。在合作的外方技术人员帮助下，各船厂均得到了一定的经验总结和技术进步，但

并没有行程系统的理论总结，与指导造船精度控制仍有一定差距。

1．3本文主要研究内容．

3

哈尔滨工程大学硕士学位论文im| II|

。

iiI TI—— I；i暑昌盈薯昌；；；；i置

本课题依托于集团公司“不锈钢舱化学品船技术开发研究"项目，以45000吨化学

品船为母型，通过对不锈钢焊接和表面处理等专项技术的试验研究以及不锈钢舱结构典

型模拟子分段(节点)的研制，掌握不锈钢舱结构建造的关键技术，形成不锈钢舱化学

品船的设计、建造工艺和管理等方面的系统的技术储备，具备新型不锈钢舱化学品船的

设计和建造能力。

主要研究内容以及拟采用的试验方法如下：

1．3。l焊接工艺技术试验研究

焊接技术研究结合了模拟舱建造所采用的节点形式、焊接位置来确定采用的焊接试

验方法，拟采用的焊接方法有埋弧自动焊(SAW)、药芯焊丝C02半自动焊(FCAW)

和手工电弧焊(S脚)。对完成的试板按LR或DNV船级社规范对焊接程序认可试验的要求进行各项检验：

表面外观检验：包括焊接接头的外观尺寸等。

探伤检验：对对接焊缝进行着色探伤和X射线探伤，对角焊缝进行这色探伤，确定

接头表面和内部有无裂纹、夹渣、气孔、未焊透等缺陷。

力学性能检验：对试样进行强度、冲击韧性、硬度和弯曲试验。

对双相不锈钢的焊接接头需进行金相组织分析，测定铁素体的含量。对焊接接头进

行微观组织分析，在400倍电子显微镜下观察其金相显微组织。

另外，对双相不锈钢的焊接接头需进行耐腐蚀性能检验和晶间腐蚀试验。根据

ASTWG48进行标准腐蚀试验，在10％FeCI一6H20溶液中保持24小时。晶间腐蚀后做

弯曲试验，不得有气孔、夹渣和裂纹。．

根据上述试验的结果，提出焊接热输入的范围以及层间温度的控制要求，形成焊接

工艺规程(WPS)。

1．3．2焊接变形控制研究

焊接变形控制试验分三步进行。首先采用小试板进行焊接变形量的试验研究，接头

形式采用角接接头，比较不同焊接方法、不同焊接规范和不同焊接顺序的变形量。在此

基础上，采用基于固有应变的弹性有限元法进行理论推算，利用计算机仿真技术预测焊

接变形的规律。并通过采用反变形，增加刚性拘束，控制线能量输入等工艺措施来减小

焊接变形量，提高不锈钢舱分段建造精度，避免因建造误差而带来的换板或重复施工而

引起的成本浪费，达到利用先进的技术手段指导焊接变形精度控制的目的，改变以往只

4

第1苹绪论

能定性分析和经验总结的落后局面。

1．3_3不锈钢模拟舱建造技术研究

在焊接试验完成的基础上，进行不锈钢模拟舱的焊接建造。研究解决不锈钢以及与

不同材质构件相连接的焊接工艺技术、焊接收缩变形、建造精度控制等以及在实船建造

施工中的下料、切割、运输、表面处理等问题。不锈钢拼板采用双面埋弧自动焊，压梁

采用药芯焊丝C02半自动焊，期间采用工艺措施来保证平面分段板的平整度。内底和

甲板的合拢缝采用药芯焊丝C02单面焊，槽形壁合拢缝采用双面药芯焊丝C02立焊或

横焊。在个别不适合采用药芯焊丝C02半自动焊的场合采用手工电弧焊。通过模拟舱

的焊接施工，来对在实船条件下所采用的焊接方法和工艺参数以及采用弹性有限元法的

可行性进行研究；以及对采用弹性有限元法指导焊接变形的可行性、可操作性进行研究；

对焊接接头的力学性能、金相组织和耐腐蚀性能进行检测，来验证在试板焊接时的焊接

参数选择的正确性；为今后的实船建造打下良好的基础。_I竹’

1．4研究方法及技术路线豁

1)进行焊接试板的焊接工艺试验，寻找三种焊接方法合适的规范参数，研究焊接

材料的操作性能、美观的焊缝成型与合格焊接接头的使用性能，了解材料的匹配性。同

时测量分析小试板焊接变形量，确定有限元分析的边界条件。

2)采用基于固有应变的弹性有限元法进行理论推算，利用计算机仿真技术预测焊

接变形的规律。，

3)进行不锈钢舱模拟分段的建造，研究工程实践中的焊接工艺技术、焊接收缩变

形、建造精度控制等以及在实船建造施工中的下料、切割、运输、表面处理等问题。

4)对不锈钢舱模拟分段焊接接头进行抽样检测，分析其力学性能、金相组织和耐

腐蚀性能。对建造平面度进行精度检测，验证基于固有应变的弹性有限元法指导焊接变

形控制的可靠性。．

’

5

哈尔滨工程大学硕士学位论文

第2章双相不锈钢焊接性研究

2．1双相不锈钢的特点

双相不锈钢是不锈钢族里发展起来的一种新的材料。它大体上奥氏体组织与铁素体

组织各占一半，与奥氏体钢相比有两大优点，即更能抗氯化物应力腐蚀断裂和机械性能

更高。在正常操作温度仍能保持良好韧性的情况下，双相不锈钢的屈服强度一般要高于

2倍～3倍，抗拉强度要高出25％，并具有良好的可焊性。比较常用的双相不锈钢化学

成分见表2．1和表2．2。作为一种新型的化学品船不锈钢液舱结构材料，有进一步流行的

趋势。

表2．1 双相不锈钢的化学成分％

UNS C Si Mn Cr Ni M0 N PREN

$32304 0．03* 1．OO 2．50 21．5"--24．5 3．0～5．5 O．0．5．0．60 0．05"----0．20 24

S31803 O．03 1．00 2．OO 21．0～23．0 4．5"---6．5 2．5～3．5 0．08"--0．20 32／33

$32750 0．03 O．80 1．20 24．O～26．O 6．0"-8．0 3．O～5．O 0．24"-'0．32 39

PREN=％Cr+3．3×％Mo+16×％N

幸上表中元素含量的质量份数若为单值，即为标准允许的最大值。

表2．2双相不锈钢的力学性能(ASTM)

UNS YS肌Pa TS，MPa 伸展率慌

S32304 400 600 25

S31 803 450 620 25

$32750 500 795 15

2．2双相不锈钢的可焊接性

双相不锈钢具有优良的耐腐蚀性，机械性能和良好的可焊接性，其双相的比例及分

布状态决定其性能。

2．2．1双相不锈钢的相平衡

奥氏体型不锈钢或铁素体型不锈钢受热循环时，通常没有激烈的组织变化，只是有

可能析出少许的第二相，如碳化物、氮化物和。相等。在某些非稳定奥氏体钢中可能出

现百分之几的铁素体相。奥氏体．铁素体双相不锈钢则不同，如图2．1所示的相图表示，

6

'|．

一


在1000℃以下平衡相比例50／50左右的双相不锈钢，随着温度的升高，奥氏体逐步减少

而铁素体逐步增多。被加热到1350"C以上至固相线温度区间，其平衡组织的体积分数为

100％的铁素体。这样的物理冶金本质是分析研究双相不锈钢性的一个基本根据。此外，

奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢各自存在的析出碳化物，出现贫铬区，长期受热导致。相

脆化和475℃等，在这类钢中也可能有所表现，产生一定的影响。当然，焊接性分析也

一定要以焊接热循环、焊缝结晶特点为依据。焊接热循环的快速性和短暂性，决定了焊

缝金属的相变对温度的滞后，相组成还远远达不到平衡的程度。

经验表明，双相不锈钢的自熔焊缝的金相组织中，奥氏体的体积分数大体只有1％，

而且与钢板的原始热处理状态，即原始相的比例无关，从图2．1中就不难理解，这是由

于金属熔化后结晶所形成的金相组织，通常是体积分数为100％的铁素体，随后的冷却

过程中，来不及发生奥氏体的析出。即使是大大降低焊缝的冷却速度，奥氏体相的份额

也不能增大多少，根本无法解决此种钢铁素体绝对优势的问题。这样的焊缝金属不仅耐

腐蚀性能低下，而且塑性也不良。为了得到相组织比例较为理想的焊缝金属，人们采取

了增加焊缝金属中奥氏体化合金元素的办法。例如以氮对焊缝金属合金化，或将其成分

中Ni质量分数提高到10％左右，这样就可能获得奥氏体体积分数不少于30％一40％的焊

缝金属。·

7

∞Ni‘％)．

．图2．1 双相不锈钢相图

双相不锈钢的优良力学性能和耐腐蚀性能对焊接都有很强的依赖性，如果对焊接的

过程、参数等不加以控制的话，就很难得到所预想的结果。在双相不锈钢的熔焊中，最

为突出的特征是所发生的热循环对焊接接头微观组织结构的巨大影响。在焊接过程中，

焊缝和热影响区存在重要的相转变，将极大地影响金属的展延性和耐腐蚀性。因此，双


相不锈钢的焊接对于保证液货舱的强度和耐腐蚀性至关重要。

在双相不锈钢的焊接中，最主要的是要达到铁素体．奥氏体的相平衡。一般认为，

双相不锈钢的相平衡比例为30％～70％的铁素体和奥氏体时，可以获得良好的性能。但

双相不锈钢最常见的情形是铁素体和奥氏体大致各占一半，在目前的商品化生产中，为

了获得最佳的韧性和加工性，倾向于奥氏体的比例稍大一些。但是当采用的焊接热输入

较小或厚截面焊缝，焊后冷却速度较快，焊缝中的铁素体可能超过70％，另一方面过分

大的热输入或填充焊材较少则可能加大母材的(熔化)稀释作用，从而降低焊缝金属的

镍含量，同样使焊缝铁素体量增高，出现铁素体过高的现象。较高的铁素体通常表现出

低韧性和耐蚀性欠佳。在焊后冷却状态下不能防止焊缝高铁素体含量时，通常采用固溶

(1050℃一1loo℃)水淬退火处理，使焊缝像母材一样，通过热处理达到理想的相比例。

所以焊接双相钢，事先一定要根据板厚和焊接方法选择合适的焊接热输入，以及焊后是

否进行热处理。

除了通过合金化达到一定的相比例之外，还要考虑焊缝组织的粗细和其中两个相的

相对分布情况。尽可能通过焊接工艺(例如小的热输入)来获取比较细小的一次结晶组

织，形成奥氏体和铁素体相都比较细小，比较均匀的两相混合组织，有利于提高焊缝多

方面的性能。另外小的热输入对于确保焊接接头热影响区的性能也很有必要。一旦由于

过热导致大晶粒铁素体，就很艰难保持或恢复双相不锈钢的优良性能。

2．2．2双相不锈钢的析出相

不平衡和不完全的冶金反应和快速结晶过程，使焊缝存在着成分和组织的不均匀

性，所以组织是不稳定的。在多层焊缝或者是单道焊缝，焊后经热处理或某一温度下长

期使用，便有可能发生组织转变和析出有害的金属间的化合物或碳、氮化物。

双相不锈钢焊接时，有可能发生三种类型的析出，严重时会降低钢的耐腐蚀性和韧

性。这些析出相是：铬的氮化物(Cr2N，CrN)；二次奥氏体(Y 2)；金属间相(o相

等)。2205双相不锈钢的等温转变(TTT)图，见图2．2，表明在HAZ温度降到1000℃

以下有可能发生的析出相情况。

为了获得最佳的性能结果，一般必须采用足够高的热输入以保证在焊缝(包括热影

响区)奥氏体的再形成，通常焊缝金属的奥氏体量控制在60％～70％范围，但是为了防

止析出相也不希望过高的热输入，热输入控制在0．5kJ／ram--2．0kJ／mm，最高层间温度控

制在150℃为好。总之无论对于焊缝还是焊接热影响区，都希望焊后在高温区的冷却速

度不要过快，以便于铁素体向奥氏体转变(最好形成30％以上的奥氏体)。而同时又希

8

．1

一


望焊后在低温(1000℃)阶段冷却速度要尽可能快，防止有害的金属间化合物的析出。

1000

900800

p 700

蘧600赠500

400

300

时同

图2．2双相不锈钢(2205)的TTT图

因此双相不锈钢的焊接必须对焊接热输入(焊接电流、电压、焊速)、层间温度等

焊接参数进行有效的控制，使焊缝和热影响区的两相组织达到要求的状态，防止形成G

相及金属间化合物的析出，使焊接接头的力学性能满足规范要求，并通过规定的耐腐蚀

试验要求。

2．2．3双相不锈钢焊缝组织中铁素体含量测定r

从以上的论述中可以看出，无论是奥氏体钢还是双相不锈钢，控制其焊缝组织中的

铁素体所占的比例都是至关重要的。’

对奥氏体钢焊缝，为保证其抗晶间腐蚀性能和防止焊接热裂纹，少量的铁素体是十

分重要的，但如铁素体含量过高，会导致。相脆化和6相选择性腐蚀。一般希望铁素体

含量4蜘12％比较适宜。

对于双相不锈钢，一般希望其铁素体含量在30％--70％之间。如铁素体含量低于25％，

则其强度下降，还有引起应力腐蚀开裂的危险。而如果含量高于75％，则会导致抗点蚀

能力的下降及冲击韧性的不足。

铁素体含量测定的方法：

a．磁测法

铁素体具有磁性而奥氏体没有磁性。利用此性能可以使用磁性装置检测铁素体含

量。用于此用途的磁性装置包括铁素体指示器、磁力表和铁素体检测装置等。

铁素体指示器的特点是成本低、易掌握，但只能显示铁素体含量的近似范围。磁力

表可直接在刻度盘上读出测量值。然而当测量需要精确定位时，不易在现场掌握。铁素

体指示器和磁力表都是利用永久磁铁，铁素体检测仪则是利用电磁感应。由于它的传感

9

——一哈尔滨工程大学硕士学位论文I Iii；i；i；三i苫；；；暑iiii罱；叠写薯；ii离

器较小，能够测量狭窄位置，铁素体检测仪允许直接读出铁素体含量，方便用于焊接现

场。’

在本次研究试验中采用的就是这种方法。引进奥地利Fisher公司的FERITSCOPE

MP30(铁素体测试仪)，体积小巧，携带方便，经校验后，比较方便地测试出不同试样

的铁素体含量。

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铬当黄‰q_WICr)蜘W∞)％+1．5W(Si)'／,+O．5w0嘞％

图2．3 Schaeffler组织图

第2覃双相不锈钢焊接性研冗

体含量。为此，分别采用如图2．3所示的Schaeffler图和图2．4所示的Delong图，这两

个图的差异是Delong图把氦作为奥氏体化元素折算成镍当量。

c显微组织铁素体含量的测定

通过观测焊缝金属的显微组织中奥氏体和铁素体的面积比确定铁素体含量，为了得

到面积百分比可使用计数法、重量法等。

2．2．4焊接变形

另外，虽然双相不锈钢不如奥氏体不锈钢有较低的热传导率和较高的热膨胀系数，

但相比碳钢热传导率还是要小，这就不可避免地要产生较大的焊接变形，因此如何减小

焊接变形是在双相不锈钢焊接中必须解决的问题，这对于保证实船结构平整度尤为重

要。一

2．3双相不锈钢的焊接方法与技术 ⋯

2．3．1 常用的焊接方法 -。

电阻焊、手工电弧焊(SMAW)、GMAW、GTAW、药芯焊丝气体保护焊(FCAW)、

等离子焊接、埋弧焊是现今不锈钢焊接时常用的焊接方法[19】。、

双相不锈钢的焊接可以采用埋弧自动焊(SAW)、药芯焊丝C02半自动焊(FCAW)

和手工电弧焊(SMAw)焊接工艺。

埋弧自动焊(SAW)由于熔深大，熔敷速度快，焊道少，主要用于拼板焊接，采用

开坡口的双面焊接，母材有双相不锈钢的自身焊接和与碳钢的异种钢的焊接。

药芯焊丝C02半自动焊(FCAW)工艺是船舶建造的主要焊接方法，广泛应用于用

碳钢作为船体材料的化学品船、油船、散货船、集装箱船等船舶。近年来，随着双相不

锈钢药芯焊丝的研制开发，药芯焊丝C02半自动焊(FCAW)工艺已成为不锈钢舱化学

品船建造的主要焊接方法之一。药芯焊丝C02半自动焊(FCAW)压梁焊接，平、横、

立位置的合拢缝的焊接，既可进行同种钢的焊接，也可进行异种钢的焊接，在平焊位置

进行陶瓷衬垫单面焊。

手工电弧焊(SMAW)工艺是双相不锈钢焊接的基本方法，是药芯焊丝C02半自动

焊(FCAW)工艺的补充，可用于不适合药芯焊丝C02半自动焊(FCAW)工艺的部位，

可进行全位置的焊接。‘

根据上述工艺方法选择焊接材料。在焊态下，其焊缝金属与母材相比应是合金元素

更高。这是为了保证合适的铁素体和奥氏体的比率。这一纯焊缝金属在焊态下，必须有

豢

一

簪

‘


这样的成分，即能在结晶后直接均匀地形成以铁素体为基(FN为30～70水平的)并含

有奥氏体的双相组织。

2．3．2焊接技术要求

A．引弧

电弧必须在接头内一点放电(点燃)或在引弧板上起弧(指埋弧焊)。焊接时起弧

点必须被熔化，不要在接头处起弧，电弧划伤的痕迹和起弧的弧坑都极容易发生腐蚀，

电弧划伤和起弧弧坑必须通过打磨完全清除。不应当在定位焊缝上引弧，也不能在前一

焊缝的末端起弧，一般要回撤几厘米后起弧。。

B．线能量

无论奥氏体不锈钢，还是双相不锈钢，都应该采用适当的线能量。Sandvik推荐三

种典型双相不锈钢和超级双相不锈钢的焊接热输入，见表2．3所示。表2．3 Sandvik推荐的热输入和层间温度

钢种热输入kJ／mm 层(道)间温度℃

UNS$32304(2304) O．5～2．5 <250

UNS S31803(2205) 0．5"-2．5 <250

UNS$32750(2507) O．5～1．5 <150

对奥氏体不锈钢规定了最大的热输入，双相不锈钢不仅最大热输入与奥氏体不同．

而且还规定了最小热输入的要求。焊接时之所以对最大的热输入予以限制，是因为高合

金不锈钢如暴露于高温环境下超过一定的时间易于析出各种相，这种沉淀对材料的性能

带来巨大的影响，奥氏体不锈钢如果热输入过高将会引起沉淀。

为了避免焊后的冷却速度过快，双相钢的焊接规定最小的热输入是非常必要的，这

样才能促使在热影响区和焊缝中奥氏体和铁素体比例合适。以上关于热输入的指导在实

际中必须根据操作板厚和接头型式进行相应调整[20-。22]。

C．预热温度

除了在大拘束度下可能引起高铁素体组织(焊缝、热影响区)开裂(氢致裂纹)之

外，双相不锈钢和超级双相不锈钢不需要预热。对于大拘束度焊件推荐预热到150℃。

为了获得最佳的焊缝金属性能，超级双相不锈钢推荐使用的最高预热温度为100"C。

D．摆动

对于限定的焊接电流和电流电压，较低的焊接速度会增大线能量，摆动将降低焊接

速度，从而提高线能量，而大的线能量将使不锈钢的焊接接头性能受损，如仅考虑这点

12


应避免摆动，然而为了获得光滑的焊缝成型，采用一定的摆动常常是很必要的。在这种

情况下，摆动应尽可能的小，对于SMAW焊条摆动不要超过焊条直径的4倍。

E．熄弧

当要熄弧时，要使焊条末端在熔池上方做一些环形移动，然后把焊条回移后提起，

熄灭电弧。这种技术将确保弧坑较浅，容易熔化掉，弧坑裂纹的危险最小。对于埋弧焊，

应在末端使用熄弧板。

F．焊后处理

双相不锈钢不需要焊后处理，且这样的热处理可能是有害的。因为它可能使双

相不锈钢析出金属相，降低韧性和耐蚀性。但如果由于焊件高应变状态或存在导致

耐腐蚀性降低和塑性降低的有害相变，使焊件质量降低，这样的焊件通常应该进行

固溶处理。22％Cr双相不锈钢应该在1050℃～1100℃温度下进行热处理。而25％Cr

双相不锈钢和超级双相不锈钢要求处理温度为1070℃～1120℃。加热应尽可能快，固

溶退火之后立即进行水淬。最有效的加热方法是感应加热。保温时间应该是5min～

30min，应该足以恢复相平衡，包括金属间相(特别。和x相)的溶解。

G．清理和钝化

焊前、焊后的表面清理及焊缝附近的酸洗钝化处理可采用标准不锈钢的清理作

业。．

2．4本章小结．筮

双相不锈钢是不锈钢族里发展起来的一种新的材料。双相不锈钢的屈服强度一般要

高于2倍～3倍，抗拉强度要高出25％，并具有良好的可焊性．本章介绍了双相不锈钢

的特点，由于双相不锈钢具有优良的耐腐蚀性，机械性能和良好的可焊接性，其双相的

比例及分布状态决定其性能，并通过相平衡和析出相分析了双相不锈钢的特点，介绍了

铁元素含量的测定方法以及常用的焊接技术及要求。

13


第3章双相不锈钢焊接工艺试验

3．1试验用材料

3．1．1双相不锈钢试板

不锈钢板为瑞典OUTO KUMPU公司制造的2205双相不锈钢，厚度仁16mm，

其化学成分、力学性能见表3．1、表3．2。

表3．1 2205双相不锈钢板的化学成分

C Si Mn P S Cr Ni MO N

标准M讥 0．000 0．000 0．000 0．000 0．000 21．O 4．50 2．50 O．08

标准M。 0．030 1．OO 2．OO 0．030 0．020 23．0 6．50 3．50 0．20

证件值 O．017 O．41 1．44 0．022 0．001 22．4 5．73 3．20 0．17

复验值 0．020 O．39 1．27 O．02l O．001 22．75 5．91 3．01 O．18

表3．2 2205双相不锈钢板的力学性能

温度℃ I冲O．2 N／mm2 Rm N／mm2 A5 HRC

标准Min 450 620 25

标准Max 3l

证件值 20 538 775 41 17

复验值 20 540 770 35．5 18

3．1．2双相不锈钢焊接材料

焊接材料选用的也是瑞典Avesta公司制造的产品。焊接材料的牌号、规格、熔

敷金属的化学成分及力学性能见表3．3、表3．4。表3．3焊接材料熔敷金属的化学成分

直径种类牌号 C Si Mn P S Cr Ni Mo Ti cu

(mm)

手工 Avesta

2205一PW ①3．25 0．033 O．85 0．80 0．017 0．002 23．2 9．1 3．13 O．01 O．11

焊条 AC／DC

Avesta

药芯 2205．PW ①1．2 0．028 0．54 0．70 0．025 O．01l 22．7 9．4 3．42 N：0．140 0．10

Avesta焊丝

309L ①1．2 0．028 0．56 1．40 O．017 0．009 23．7 12．5 0．18 N：O．029 0．09

Avesta

埋弧 2205 ①3．2 0．014 0．46 1．50 0．015 0．000 23．O 8．6 3．08 N：O．167 O．10

Avesta焊丝 03．20 O．013 0．34 1．80 O．016 O．014 23．4 13．6 0．06 N：O．092 O．05309L

14

，

，


表3．4焊接材料的力学性能

种类牌号直径(mm) 温度℃ RPo．2 N／ram2 Rm N／mm2 A5

手工焊条 2205 m3．25 20 646 838 25

2205 西1．2 20 612 820 28

药芯焊丝309L ①1．2 20 405 552 32

3．2双相不锈钢的埋弧自动焊(SAW)工艺试验

3．2．1试板焊接的技术要求

埋弧焊作为工程应用中常见的方法，用于建造双相钢舱拼板焊接确是非常适用

的。由于双相钢物理特性和冶金特点，与碳钢、一般的奥氏体不锈钢也存在较大的

差异。．

a．对于不清根的双面坡口型式，坡口角度与钝边尺寸应与焊接规范很好地匹配。

b．焊接电流不能过大，否则会引起晶粒长大，使热影响区的耐腐蚀性恶化，也

因此限定了双面单道焊的使用范围。

e．焊剂的散布覆盖量以不露电弧为好，不要过多。【23】

3．2．2工艺试验参数：

双相钢之间焊材选择Avesta2205埋弧焊丝，双相不锈钢与AH32之间选用Avesta

309L埋弧焊丝，焊接电源采用直流反接，试板规格见图3．1。试板坡口型式及焊接

规范参数见表3．5。

图3．1双相钢SAw试板

15


表3．5双相钢SAW试板的焊接参数

编材质坡口型式焊道

直径焊接电流焊接电压焊接速度号 (mm) (A) (V) (mm／min)

80。

先焊侧＼、／—＼／ l 520～550 30 500

厂一夕]M．1 S31803 0剿 2 西3．2 500～550 34 454

3 600～620 32 415

l 550～550 30 500张广广—、广——一、S31803 -6＼、乞／7+

肟(1 2 m3．2 500～550 34 454M．2AH32

—稳萝一90。 3 600--620 32 415

3．2．3试板检验

按DNV规范焊接程序认可试验的要求对焊接试板进行了下述项目的检验。

a．焊缝外观检验

焊缝外观成型良好，过渡光顺。参见图3．2、图3．3试板的焊缝外观照片。

图3．2埋弧焊试板的焊缝外观(正面)

16

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一

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鲶蔷逸篓蓬漕r．“7 。，，j

图3．3埋弧焊试板的焊缝外观(背面)

b．对接试板的X光探伤检验．

完成焊接的试板进行了X光探伤检验，所有试板的焊接质量均符合JISZ3104标

准I级水平。

c．焊缝金属力学性能试验

试样按DNV规范要求从试板上截取，力学性能试验结果见表3．6。

表3．6不锈钢SAW试板对接接头的力学性能

抗拉强度弯曲试验冲击试验编号

(MPa) 讹a=180。 Akv(J)20℃

焊缝中830 熔合线线外2mm 线外5mm

M．1 良好心断裂位置：母材 ●

94 >150 >143 >147

焊缝中560 熔合线线外2mm 线外5mm

M．2 良好心断裂位置：碳钢

122 >150 >150 >150

d．宏观检验

接头的宏观组织照片见图3．4。

图3．4接头的宏观组织照片


e．硬度试验

硬度试验的取样位置见图3．5，试验结果参见表3．7。

图3．5不锈钢SAW试板对接接头硬度试验的取样位置

表3．7硬度试验(HVlO)结果

Loc． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

M．1 228 235 239 235 237 243 248 251 247 252 258 245 233 229 229

M．2 162 162 1634 196 198 199 195 199 196 240 244 242 236 229 231

Loe 16 1'7 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

M．1 228 230 235 240 245 243 253 252 252 240 243 242 237 233 233

M．2 163 164 164 163 174 191 193 186 198 234 239 236 232 224 223

Loc 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

M．1 236 237 235 248 251 245 25l 253 250 245 234 241 226 228 225

M．2 160 157 163 203 205 207 212 200 201 245 241 237 220 232 233

3．3双相不锈钢的药芯焊丝气体保护焊(FCAW)工艺试验

3．3．1试板焊接的技术要求

与传统的手工焊方法相比，气保焊的技术要求有～些特殊之处。保护气体选择

的是80％心+20％C02。

a．焊丝伸出长度，即导电嘴与母材间的距离为15mm～20ram。

b．气体流量为15L／mia一20L／min，风速超过lm／s应采用上限并采用防风措施。

c．焊丝吸潮后无法如焊条一样重新烘焙，开封后应立即使用，并尽量放置于低

18


湿度的地方。

d．比起手工焊，单位时间发烟量较多，应采取一定的排烟措施。【25】

3．3．2工艺试验参数

双相钢之间焊材选择Avesta 2205．PW药芯焊丝，双相不锈钢与AH32之间选用

Avesta 309L药芯焊丝，焊接电源采用直流反接，试板规格见图3．6。试板坡口型式

及焊接规范参数见表3．8。

ol，、●-_

ol九●__■

王

王500

图3．6双相钢FCAW试板

表3．8双相钢FCAW试板的焊接参数

直径焊接电流焊接速度编号材质坡口型式焊道焊接电压(V)

(mm) (A) (ram／rain)

底部 190~210 23—24 150～160

60。F—l ＼／，V 填充 200-240 24～26 240～300

S31803 i V一 1．2

平焊叫I戳盖面 200～240 24—26 240—320

F．2 叉。。底部 170～180 20～24 120—140

S31803 和嘉N 填充 1．2 180~210 20—，25 240～320

横焊I

I—．．—一盖面 180—200 20—25 240～360

F．3 S31803 ＼／弋／底部 1．2 150～160 20-23 65～75

7＼厂


填充 170~180 22—25 65—85

立焊

盖面 170一180 22—25 65—80

续表3．8双相钢FCAW试板的焊接参数

直径焊接电流焊接速度编号材质坡口型式焊道焊接电压(v)

(mm) (A) (ram／rain)

F。4 AH32

平角Ⅳ 1 1．2 220—230 26～28 280—320

I I s31803

AH32 l L ／F-5 ／I

+ l 1．2 150—160 20～22 120—130

立角S31803

F．6

1 1．2 155—165 23‘撙 200—260

仰角

F．7 底部 190—210 22—24 210-250

填充 1．2 210—240 22～27 350～500

众60。盖面 210—240 22—27 350--480平角 3Lt_穗。／ IS31803

I 7 I 底部 160～170 2l～22 120～150F．8

填充 1．2 165—175 22—24 115—140

立角盖面 165～175 22—24 120—150

底● 160～170 2l~23 120—160

I l I 部

F．9 tq ＼，

3-4 l "w／60。填I

S31803 1．2 165～190 22～24 180—240

充仰角

盖

165—190 22～24 200—240

面


验。

完成焊接的试板按DNV规范对焊接程序认可试验的要求进行了下述项目的检

20

-

～



焊缝外观成型良好，过渡光顺。参见图3．7、图3．8试板的焊缝外观照片。

图3．7气体保护焊对接试板的焊缝外观

21

●


表3．9 FCAW试板对接接头的力学性能


(MPa) d=4a，a=180。 Akv(J)20℃

焊缝820 熔合线线外2mm 线外5mm

F．1 良好中心断裂位置：母材

45 100 >146 >150

焊缝800

中心熔合线线外2mm 线外5mm

F．2 良好断裂位置：母材

58 92 >139 >150

810焊缝

F．3 良好中心熔合线线外2mm 线外5mm

断裂位置：母材55 98 >142 >150

d．宏观检验

接头的宏观组织照片见图3．9。

图3．9不锈钢FCAW试板对接接头宏观组织照片

硬度试验

硬度试验的取样位置见图3．10，试验结果参见表3．10。

图3．10 FCAW试板接头硬度试验的取样位置

Loc． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

F．1 238 235 234 247 251 245 254 254 254 249 247 254 237 238 234

F．2 238 240 237 253 259 268 259 262 264 261 253 248 237 238 234

哈尔滨工程大学硕士学位论文III

F．3 230 232 228 237 241 240 256 239 245 243 240 245 242 242 234

Loc 16 17 18 19 20 2l 22 23 24 25 26 27 28 29 30

F．1 236 237 236 244 247 247 259 257 256 250 245 236 232 227 228

F．2 225 229 234 241 246 254 252 255 253 259 260 257 236 234 233

F．3 237 233 238 245 245 257 258 259 256 257 25l 254 245 228 238

3．4双相不锈钢的手工电弧焊(S删)工艺试验3．4．1试板焊接的技术要求

为了减少和防止焊缝和热影响区产生单相铁素体组织，以及焊接热影响区的晶

粒粗大，采取如下工艺措施。

a．焊接时尽量选用小的热输入，即在保证焊接质量的前提下采用小的焊接电流

和较快的焊接速度。

b．采用窄焊缝多道焊，层间温度小于100，施焊过程中焊条不允许作横向摆动。

c．与奥氏体焊缝相反，接触腐蚀介质的焊缝要先焊，使最后一道焊缝移至非接

触介质一面。其目的，利用后道焊缝对原先焊缝进行一次热处理，使原先焊缝和热

影响区的单相铁素体组织部分转为奥氏体组织。

d．焊道的渣壳一定要用不锈钢专用的刨锤、扁铲、钢丝刷清理。

e．双面焊背面砂轮打磨清根。

3．4．2工艺试验参数

手工焊工艺试验选择Avesta 2205．PWAC／DC手工焊条，电源采用直流反接。坡

口型式及焊接规范参数见表3．11。

表3．11 SMAW试板的焊接参数

编焊接焊直径焊接电流

号坡口型式焊接电压(V) 焊接速度(ram／rain)

位置道 (mm) (A)

底3．25 130-140 25～30 225

部60。填薏兰h 充

135～160 25～30 ．275—320

S-l

＼，平+仰背

4．0 135一160 25—30 200～225部

一出三矗

140-160 25—30 300~375回

，


0。2 I 刁底

3．25 120～130 25～30 200～230部

L／＼60。填

130～160 26-30 280-350

y-N 横焊充S．2

I先焊侧1

．I__---_一背4．0 120～130 25～30 200-230

部*赢

140～160 25～30 320--400面

续表3．11 SMAW试板的焊接参数

编焊接焊直径焊接电流

号坡口型式焊接电压(V) 焊接速度(hum／rain)

位置道 (mm) (A)

底2．5 80～90 24～26 70～80

部

填105～1lO 24～28 45-60

充S一3 区蕴立焊背

3．25 105-110 24～28 45～60_一匹三．部

兰皿105～1lO 26～30 ．55-65

面

底2．5 90～llO 25-30 80～85

部

填1l肛120 25～30 45～55

充

S一4 平焊背3．25 110—120 25—30 45～55

蜞?部

盖110~120 25～30 45～55

面

底I T I 2．5 80—100 24一之6 240--260

部

填3．25 120～130 25～30 230~240

充S一5 立焊背

140～150 25～30 230～330部兰

4．O皿

140～150 25～28 230-300面

底2．5 80-90 24一乞6 240～260

上部

填

充3．25 110~120 26～30 220—230

S一6 嘟二仰焊背

部4．0 140～150 25～30 230～330

*盅

3．25 120～140 25～230 lOO～130回


25


完成焊接的试板按DNV规范对焊接程序认可试验的要求进行了下述项目的检

验。


焊缝外观成型良好，过渡光顺。参见图3．1l试板的焊缝外观照片。


c．焊缝金属力学性能试验

试样按DNV规范要求从试板上截取，力学性能试验结果见表3．12。

表3．12 SMAW试板对接接头的力学性能


(MPa) d=4a，a=180。 Akv(J) 20℃

805焊缝中心熔合线线外2mm 线外5mm

S．1 良好断裂位置：母材 36 >104 >146 >150

810焊缝中心熔合线线外2mm 线外5mm

S．2 良好断裂位置：母材 40 >81 >145 >150

800 焊缝中心熔合线线外2mm 线外5mmS．3 良好

断裂位置：母材 41 >103 >134 >150

d．宏观检验

对接接头的典型宏观组织照片见图3．12。

图3．12手工焊典型宏观组织

e．硬度试验』簪’

S．1和S。2试样硬度试验的取样位置参照图3．14，S．3试样硬度试验的取样位置

见图3．13，试验结果参见表3．13。

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一

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图3．13硬度试验的取样位置示意

Loc． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

S．1 ‘236 235 238 250 247 244 246 246 245 247 245 246 246 245 245

S_2 238 236 235 245 245 248 239 238 239 241 242 245 231 235 234

S．3 225 227 230 242 244 251 244 241 242 251 243 238 247 230 232

27

哈尔滨工程大学硕士学位论文IIII

Loc 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

S．1 242 240 243 245 245 247 252 257 256 262 256 246 238 236 237

S．2 228 230 232 250 254 255 264 262 258 262 255 250 235 231 233

S一3 243 239 240 250 249 250 249 253 251 255 253 248 240 245 243

Loe 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

S．3 232 234 223 246 241 244 240 245 243 255 245 240 234 232 232

3．5金相组织分析

我们对采用各种焊接方法的试样分别进行了金相组织分析，试验证明，通过合

理的控制焊接参数和热输入控制，焊后双相钢的奥氏体、铁素体组织达到了较好的

相平衡，详见附后的图3．14(a)、3．14(b)和3．14(c)。通过我们随后的铁索体测

量的结果证实，奥氏体、铁素体组织相平衡比例达到了30％～70％的范围内，可以保

证双相不锈钢获得良好的性能。

28

一


MS-l鞘嘲k

F,4捧箍 l舷

亭_．2205母材 lO眩

MS-!勰赡医I密眩

¨^救鲥l锻

N 22e5女蟛响匿lOh

糯·l群麓 l∞x

fq,432热影响区∞魄

M捍曩 l抵

M 碰母树lOOx ” 成熟髟晌区400x．． F．5 2205鞘 l溉

图3．14(a) 试样的金相组织分析

29

1712 A32母材

№220S母材100x

M2 A32热影响区400)【

M2 2205热影响区100t

M2 焊缝 100x

MF2 焊缝 100x

IVlF2 A32母材100x MF2 A32热影响区400x 婉2205母材100x

坶2 2205熟影响区100x．． Ml⋯母材。．．109x．．：．Ml 熟影响区 100x

图3．14(b) 试样的金相组织分析

30

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●


F-?母材lOOx

N母材 100x

瑚鞘 l∞x

8．7热毫瀚区 l∞x

孓8熟影噙区 IODx

r毋热影响区lOOx

M焊缝 l眠

F．S掉缝lOOx

F．-9搀缝 10瓤

S．4 母材 IOOx S一|熟影响区 1005【 S-4埠缝lOOx

图3．14(c) 试样的金相组织分析

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3．6焊缝金属的铁素体含量的测定

我们在试验中采用奥地利Fisher公司的FERITSCOPE MP30(铁索体测试仪)，

比较方便地测试出不同试样的铁素体含量。

我们在三种焊接方法的试样上分别选取10个测量值，最后平均值为测定的铁素

体含量。铁素体的测定结果见表3．14。

表3．14铁素体测试仪的测定结果

铁素体含量％

编号母材焊接方法实测值均值

04 2205 SMAW 39．6 38．6 38．3 35．2 38．2 37．7 38．3 36．9 38．3 39．4 38．05

05 2205 FCAW 37．6 35．4 37．0 37．5 37．3 36．8 36．5 36．9 37．3 36．7 36．9

06 2205 SAW 50．5 48．5 50．3 50．7 50．8 51．0 49．0 50．6 49．9 50．5 50．05

3．7耐腐蚀性实验

根据DNV规范要求，主要采用美国ASTM标准进行了耐腐蚀性实验，包括晶

间腐蚀和点蚀实验。晶间腐蚀试样9种，每种试样弯曲2件，共计18件。点蚀试样

5种，每种4件，国标和ASTM标准样品各2件，共计20件。试样编号及焊接方法

见表3．15。，

表3．15耐腐蚀性试验试样编号

样品编号材质焊接方法接头型式

M．1 埋弧焊(SAW) 对接

F．1 药芯焊丝气保焊(FCAW) 对接目日日

F．2 药芯焊丝气保焊(FCAW) 对接间

F．3 药芯焊丝气保焊(FCAW) 对接腐

S．1 2205 手工焊(SMAW) 对接蚀

S。2 手工焊(S煳) 对接样

口S．3 手工焊(SMAW) 对接

口日

MF．1 lcAw+sAW 对接

MS．1 SMAW+SAW 对接

点 M．1 2205+2205 埋弧焊(SAW) 对接

蚀 ’F．1 药芯焊丝气保焊(FCAW) 对接

32


样 S．1 手工焊(SMAW) 对接

口ⅡⅡ MF．1 FCAW+SAW 对接

F．7 药芯焊丝气保焊(FCAW) 角接

3．7．1耐腐蚀性实验检测方法

1)晶间腐蚀实验

首先将S31803(2205)双相不锈钢不同焊接方法的对接和角接试板加工成标准

试片。晶间腐蚀样品尺寸为85—120x20x3mm(长×宽×厚)，按美国ASTM奥氏体不

锈钢晶间腐蚀敏感性标准(A262。02)中E法进行检测，即在1009CuS04+100ml

H2S04+1000ml H20介质内沸煮24小时，然后弯曲180。考察其晶间腐蚀性能。

2)点蚀实验

点蚀样品尺寸为两种：20x30x3mm(国标)和25x50x3mm(美国ASTM标准)。为

观察点蚀表面形貌，试验前将试样一侧表面抛光。按美国ASTM不锈钢及相关合金

三氯化铁点蚀和缝隙腐蚀实验标准G48．00中A法进行检测，即将样品置于1009

FeCl3．6H20+900ml去离子水介质中，在20±2℃温度下腐蚀72小时，利用万分之一

精密天平称重点蚀失重。利用荷兰Philips公司制造的XL．30W／TMP型扫描电子显徽

镜观察样品的点蚀和晶间腐蚀形貌特征。

3．7．2耐腐蚀性实验检测结果，

9种不同焊接方法或接头型式的试样晶间腐蚀弯曲样品形貌和结果见表3．16及

图3．15一图3．17。实验结果表明：9种试样的焊接区域均未出现晶间腐蚀倾向。

表3．16晶问腐蚀性能检测结果

试样编号材质焊接方法 1800弯曲检验结果

M．1．1 埋弧焊挖舾无晶间腐蚀倾向

M．1．2 (SAW)

F．1．1 药芯焊丝气保焊互舾无晶问腐蚀倾向

F．1．2 (FCAW)

F．2．1

嬲 FCAW 无晶间腐蚀倾向F，2．2

F．3．1

勿晒 'c父弼无晶间腐蚀倾向F．3．2

33

图3．15焊接试片晶间腐蚀弯曲180。形貌(正视)

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M．1 F．1 F．2 F．3

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图3．16焊接试片晶间腐蚀弯曲1800形貌(侧视)

图3．17焊接试片晶间腐蚀弯曲1800形貌(俯视)

按美国ASTM标准和国标加工的2种规格尺寸试片的点腐蚀失重量和点蚀速率

测定结果见表3．17，点腐蚀后表面形貌见图3．18。实验结果表明：药芯焊丝气保焊

试样的点腐蚀失重量和点蚀速率较高，其余焊接工艺方法的试样点腐蚀失重量和点

蚀速率均较低。所有试样表面均无明显的宏观点蚀痕迹且点腐蚀失重量均低于

35

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哈尔滨工程大学硕十学位论文

表3．17点腐蚀性能测定结果

试洋试样接头点蚀失重点蚀i蟀材质焊接方法

尺寸编号型式 (m曲 (mg／cm2．h)

M．1_4 1．5 7．0x10‘4

22蝤对接埋弧焊(SAW)M．1-5 1．6 7．5x104

F．1_4 药：芭|唾暨鸹i{焊 2．9 1．4x10’3

22舾对接F．1．5 (FCAW) 32 1．5x10-3

(ASTM) S．1-4 手工焊 1．0 4．8x10‘4

忽c15 对接25x．弧3mm S．1．5 (SMAW) 13 6．4x104

MF．1-4 1．6 7．4x104

复105 对接 FCAW+SAWMF．1．5 1．4 6．6×104

F-74 1．1 5．1x10‘4

忽舾角接 FCAW

F．7．5 1．4 6．5×10．4

M．1．6 0．6 5．6x10．4

嬲对接埋弧焊(sAw)M．1．7 02 1．8x10-4

F．1．6 药：苎|}氍终褓焊 29 2．7x10-3

翻5 对接F．1．7 (FCAW) 15 1．4x10。3

(国标) S．1．6 手工焊 0．7 65x104嬲对接加玛‰m S．1．7 (SM脸W) 0．7 6．5x104

MF．1。6 0．7 6．7x104

Z蝤对接 ’c§0N年S》洙MF．1．7 0L8 7．6x104

F-7．6 0．6 5．4x104

Z蝤角接 ’cKN

F．7．7 0J5 5．6x10。4

注：计算腐蚀速率时包括了试片的上、下表面积以及侧棱面积。

36

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图3．18点腐蚀表面形貌

3．7．3 晶间腐蚀和点腐蚀形貌

扫描电镜低倍观察显示，所有晶间腐蚀样品弯曲后凸侧表面均无明显的晶间腐

蚀裂纹，详见图3．19。所有点腐蚀样品表面均出现了呈离散分布的圆形腐蚀斑点，

但蚀坑均较浅。较小的腐蚀斑点直径约为1I．tm；较大的腐蚀斑点直径约为10—20pm，

详见图3．20。

3．7．4耐腐蚀性实验小结

(1)进行晶间腐蚀实验的9种焊接试样均无晶间腐蚀倾向。

(2)药芯焊丝气保焊试板的点腐蚀失重量和点蚀速率较高，其余焊接工艺试板

的点腐蚀失重量和点蚀速率均较低。所有试片表面均无明显的宏观点蚀痕迹且点腐

蚀失重量均低于20mg。

37

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图3．19(d)试样MF—l晶间腐蚀弯曲表面形貌

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图3．20(b)试样F．1表面点蚀形貌

45

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，

●


图3．20(c)试样S．1表面点蚀形貌

47


3．8 本章小结

图3．20(d)试样MF．1表面点蚀形貌

本章介绍了双向不锈钢焊接工艺试验的材料以及技术要求对各种焊接工艺试验

的试板检验得到以下结论：

1)对2205双相不锈钢进行了手工电弧焊、药芯焊丝气体保护焊及埋弧焊三种

焊接方法的系列工艺试验，掌握了三种焊接方法合适的规范参数，获得良好的操作

性能、美观的焊缝成型与合格的接头使用性能，表明材料匹配合适，工艺上可行。

2)各工艺试板均通过DNV规范对焊接程序认可试验规定的各项检验项目，表

明上述工艺已完全达到DNV规范对程序认可试验的要求【24】【261。

3)对焊接试板分别进行了铁素体含量测定和耐蚀性试验分析，焊接接头的性能

满足规范的要求。

4R

第3章双相不锈钢焊接丁艺试验

4)上述试验说明，手工电弧焊、药芯焊丝气体保护焊和埋弧自动焊均可以作为

建造双相不锈钢液舱化学品船的主要焊接方法，满足建造此类化学品船的要求。

49

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誊


第4章模拟分段焊接变形预测分析

4．1不锈钢舱化学品船及其结构布置

不锈钢舱模拟分段的依托工程是45000吨不锈钢舱化学品船。

本船为单机、单桨、低速柴油机驱动的化学品船，可运载凝固点≤1300C以下

的化学品。本船航区为无限航区，无冰区加强设计。

本船设有连续单甲板梁拱高650mm，中心线无斜坡，具有带球鼻首前倾艏柱及

带有尾球的方型艉。具有艏楼、艉楼，机舱和甲板室均设在尾部，无泵舱设计。

货舱区为双壳双底结构，双层底舱和舷侧边舱设置为“L”型压载水舱。船体中

心线处设有一道垂直槽型中纵舱壁贯穿整个货舱区，将每个货舱分成左右对称的两

个部分。货舱区共设有9道油水密垂直槽型横舱壁、2道油水密平板横舱壁和2道油

水密纵舱壁，槽型舱壁上下两端采用上、下墩结构支持。

No．4和No．8货油舱左右舷分别设置一道水平槽型纵舱壁，将靠近中心线的中心

液舱作为不锈钢舱。

横纵舱壁一起将货舱区分为10对货油舱、7对“L”型压载水舱和一对污油水

舱。

根据装载化学品液货的特点，为了便于清洗货舱和特涂，采用反装甲板构架，

甲板纵骨、甲板纵桁及甲板强横梁均设在液货舱外面。总布置图，见图4．1。

4．2模拟分段

以不锈钢舱化学品船的船体不锈钢舱结构为基础，通过对成本分析和满足相似

规律的具有典型代表性的考虑，不锈钢舱结构的模拟子分段结构不必设计的过大，

选择不锈钢舱结构的典型节点如内底平面带纵骨和框架结构、槽型舱壁对接结构、

纵舱壁与墩面板焊接结构、水平槽型纵舱壁带垂直桁的下端结构等，以及包括不锈

钢S31803与不锈钢本身、不锈钢与普通碳钢、AH32高强度钢相连接的节点型式，

能够保证后续实船建造研究工作，所以通过建立以下五个不锈钢舱结构的模拟子分

段结构用于焊接建造研究。

50


图4．1不锈钢舱化学品总布置图

51

图4．2中纵舱壁下墩及内底局部分段(一)

52

■

●

●


图4．3 中纵舱壁下墩及内底局部分段(二)

53


图4．4底部局部分段(一)

●


图4．5底部局部分段(二)

55

图4．6纵舱壁垂直桁趾端局部分段(一)


图4．8槽型中纵舱壁下墩项板连接节点(一)

58


图4．9槽型中纵舱壁下墩顶板连接节点(--)

59

图4．10垂直槽型中纵舱壁不同板厚槽型舱壁板连接节点


1)中纵舱壁下墩和内底局部分段；

子分段中包括不锈钢板与普通碳钢板的对接和角接节点、不锈钢板间的角接全

焊透节点、不锈钢板与普通碳钢纵骨的角接节点。见图4．2、图4．3所示。

2)底部局部分段

子分段中包括不锈钢板与普通碳钢板的角接节点、不锈钢板间的对接节点、不

锈钢板与普通碳钢纵骨的角接节点。见图4．4、图4．5所示。

3)纵舱壁垂直桁趾端局部分段

子分段中包括不锈钢水平槽型舱壁板压槽制作和不同板厚槽型的对接节点、不

锈钢板间的对接和角接节点。见图4．6、图4．7所示。

4)槽型中纵舱壁下墩局部分段

子分段中包括不锈钢垂直槽型舱壁板压槽制作节点、不锈钢板与不锈钢板之间

的角接焊透节点。见图4．8、图4．9所示。

5)垂直槽型中纵舱壁不同板厚槽型舱壁板间的连接节点。见图4．10所示。

4．3模拟分段的变形仿真与预测分析

采用基于固有应变的等效载荷法来预测不锈钢模拟分段(节点)的焊接变形，

对船舶结构进行仿真模拟，先输入船体模拟分段的形状、焊接条件等资料，用它们

进行热传导分析和约束度计算；把得到的最高温度分布与约束度的值代入到固有应

变计算表达式来求出固有应变分布；再把固有应变的分布变换为等效载荷，通过弹

性分析求出最终变形。

图4．11焊接变形的算例模型

采用本项目的第二个模拟分段(节点)，作为研究化学品船不锈钢内底局部分段

61

哈尔滨工程大学硕士学位论文II II ml

的焊接变形的算例，模型形状如图4．11所示，图中坐标系的方向适用子以下各个变

形图，由外底板、内底板、纵骨、纵向侧舱壁，横舱壁组成，其中内底板的材料为

UNS S31803(Avesta 2205)不锈钢，分段其他构件的材料为碳钢。

分段模型的大小就是实际建造的模拟分段的尺寸，按照制定的工艺要求的规范

参数作为焊接热输入的条件，在横舱壁与内底板和外底板相连的各焊缝上，在内底

纵骨和外底纵骨的各焊缝上施加等效载荷，图4．12是底部局部分段的变形图，图中

给出了内底和外底在焊后的变形情况。删：、i

图4．13预测模拟分段Y方向位移

62

r

一


图4．13是底部局部分段的Y方向位移图，表明了底部局部分段的角变形情况。

最大平面外位移值为7．08mm，分布于内底板和外底板的边缘，因沿着纵骨方向只有

两个横舱壁，横舱壁之间的距离大于纵骨之间的距离，所以最大平面外位移连续沿

纵骨方向发生在底板边缘，而在纵骨之间的底板边缘的平面外位移则被纵骨限制了。

图4．14是反映底部局部分段同时发生收缩变形和角变形整体情况的综合位移图。

图4．14预测模拟分段综合位移图

通过预测分析得出的模拟分段综合位移图，我们对模拟分段可能发生的焊接变

形就有了一个直观的印象，其中变形较大的区域正是本课题所着重关注的区域，并

在后续模拟分段的建造施工中采取针对性的控制措施来预防和减小焊接变形。

4．4本章小结

采用基于固有应变的等效载荷法来预测不锈钢模拟分段(节点)的焊接变形，

介绍了模拟分段的范围和结构特点，通过船舶结构进行仿真模拟验证变形较大的区

域正是本课题所着重关注的区域，并在后续模拟分段的建造施工中采取针对性的控

制措施来预防和减小焊接变形。

63


第5章模拟分段建造

5．1技术准备

5．1．1资料搜集。

为了能多渠道了解国内外船厂建造不锈钢舱化学品船的先进经验，少走弯路，我们

通过参加有关会议来搜集双相不锈钢焊接的信息，借鉴他们的成功方法，为我所用。

参加了“北京国际双相不锈钢大会"。在会上听取了国际上有名的专家所做的有关

双相不锈钢焊接的报告，了解了双相不锈钢制造、焊接、加工等的最新信息。同时在会

上也了解了武汉青山船厂建造的18500吨双相不锈钢舱化学品船的施工情况以及在施工

中所遇到的一些技术难题，为我们制定切实可行的试验项目起到借鉴的作用。

参加了“北京．埃森焊接与切割展览会"，听取瑞典AVESTA公司所做的双相不锈

钢焊接的技术讲座，同时邀请该公司的焊接专家到我公司进行技术交流，了解掌握国际

上双相不锈钢的最新动态和发展趋势。

5．1．2技术调研

根据课题计划的要求，课题组组织建造工艺人员对武汉青山船厂(隶属长航集团)

和中船重工集团所属重庆川东造船厂就不锈钢舱化学品船的建造、焊接技术进行了调

研。通过调研，学习了许多对我公司开展课题研究以及将来可能的实船建造过程中可以

借鉴的地方。

①青山船厂，

青山船厂目前正在建造与我们课题相同材质(SUS2205)的双相不锈钢舱化学品船，

他们的吨位为18500吨，在船台上建造的是该系列船的3：f}船。我们在青山船厂人员的陪

同下对工厂的生产车间、合拢现场以及仓库进行了参观考察，并拍摄了照片(见图5．1、

5．2)。参观后，我们与青山船厂的焊接工艺、质量负责人进行了深入的技术交流。通过

我们对生产现场的实地考察和与焊接工艺负责人的交流，我们掌握了大量的双相不锈钢

舱实际施工的技术信息，例如：．

1、锈钢的仓储过程中要准备专门的仓储库房，库房中的支架要用水泥或木板制成，

库房内不允许采用碳钢夹具调运不锈钢。所有调运的夹具均采用不锈钢材质，这些都是

为了防止发生渗碳而影响了不锈钢的质量。不锈钢的包装也比较讲究，基本上两、三块

板为一个包装。钢板全部用帆布包裹以免被污染。

第5章模拟分段建造。

2、青山船厂所用的不锈钢板到货时就已经加工好坡口，只需合拢焊接即可(与课

题组订购钢板的形式相同)。所有的槽型壁到货也全部为成品，只需将槽型壁合拢焊接

即可。槽型壁在垂直方向上的板厚不同，由生产厂先采用埋弧自动焊方法进行拼板后再

压槽(槽型壁的订购方式可以供我们借鉴参考)。

3、焊接方法主要是FCAW(药芯焊丝气体保护焊)和SAW(埋弧焊)，其中FCAW

采用的是20％C02+80％Ar的混合气体。

4、虽然大部分钢板到货时坡口已经开好，但还有一部分进行现场开坡口，他们采

用等离子手把切割或坡口机。另外现场的胎具和夹具都要采用不锈钢，我们也可以采用

在原有碳钢胎具上焊接不锈钢的办法来减少投入。

5、焊接坡口主要采用V型和X型坡口，为了控制变形焊接背部清根一般不采用等

离子气刨，而是大量的采用打磨来完成，这就使打磨的工作量变得非常大。

6、船上采用的316L不锈钢管系，与我们现在的化学品船相同，焊接方法和工艺流

程基本相同。

7、从实船来看，舱内壁不锈钢板有一定的变形，船东、船检也能够接受。生产车

间包括合拢现场的环境不是很理想，灰尘较多。

8、最后需对舱内的不锈钢表面用砂轮打磨一遍，工作量较大。．

总之对于双相不锈钢化学品船，工艺的执行情况是保证船舶建造质量的关键。

图5．1青山船厂不锈钢舱施上看板

65

哈尔滨工程大学硕士学位论文一

图5．2青山船J不锈钢舱船台施工现场

②川东船厂

川东船厂主要建造的是316L不锈钢舱的化学品船，由于受其地理位置的影响，只

能建造吨位较小的船舶，该船是3000吨船，我们参观了钢料加工车间和正在建造的3群

船。与青山船厂相比，其建造工艺和技术要求有很大的相同：

1、川东造船厂从钢板到焊材均采用国产的产品。钢板供货状态各方面性能要比青

山船厂相差很多，其中很多不锈钢板的坡口是由川东船厂自己采用刨边机加工的，这就

要求船厂在管理和技术上要下更大的工夫。。

2、该厂的主要焊接方法为手工电弧焊和埋弧自动焊。

3、川东造船厂为了防止拼板时产生波浪变形，准备了大量的水泥墩，这对提高拼。

板质量起了很好作用。拼板后钢板有一定的变形，采用机械方法进行矫正。

4、在实船考察中，我们到已干完的不锈钢舱进行了观察，他们舱壁的变形也较大，

但他们采用外板不平度的标准来交验，据他们说，可以达到这一标准。

5、在控制内底、舱壁的不平度上，该厂采用小块拼到一起的做法。

从两厂的实践中我们可以得到一些启示，其中最主要的就是我们的管理必须加强，

焊接工艺在生产中必须严格执行，如果执行不利在不锈钢舱化学品船上的影响和损失将

远高于普通油轮。

5．2模拟子分段制作生产准备

5．2．1到货检查、搬运与储存

66


根据订货清单关于模拟子分段的规格、尺寸等要求，钢板由瑞典OUTO KUMPU公

司供货。

钢板到厂后，便按照订货时确定的下料草图和厂家承诺的供货尺寸精度(见表5．1、

表5．2)，对不锈钢板进行严格检验。

表5．1不锈钢板的供货尺寸精度单位：mnl

公称长度与长，室公差公称宽度与宽度公差AB

公称长度L 长度公差△L (公称宽度B_<2000) (2000<公称宽度BS3000)

LSl999 ．O／+lO ．O／+10 。O／+15

20009之3999 ．0／+20 旬／+10 ．0／+15

4000SL>_5999 ．O／+30 ．0／+10 ．O／+15

6000<_L>__7999 ．O／+35 ．0／+15 ．O，+20

8000929999 ．0／+40 -0／+15 ．0，+20

眨10000 ．0／+40 ．O，+20 ．o／，+25

表5．2欧洲通常采用的零件尺寸精度标准表单位：mill

项目公差(ram)

<4000mm 士1．5

，长 4000mm～6000mm 士2．0～

度6000mm"-"14000mm 4443．0

宽 200mm'---800mm 士1．0

度800mm'-～3200mm 士1．5

坡口角度士2．50

边坡口留根士1

缘直线度士1

槽 P_一B——_B--a：5

型 K H=-4-5舱壁

成型R=60．70

检验结果是：

a．该公司对供货的钢板表面状态保护较好，钢板全部用涂有塑膜的纸板包裹覆盖。

打开纸板，不锈钢钢板表面光洁如新，钝化膜未发现有破损的痕迹。


b．通过对到货材料的规格、尺寸认真核对，确认基本上满足设计图纸要求。

c．在包装用的纸板外面，厂家采用木质的板方，并组装成与地面约成450的立式拖

架。这可以防止与地面接触被污染，而且对钢板的搬运、吊装也比较方便，直接搬运木

质的拖架即可，也能避免吊、索具对包裹的纸板构成损坏。

鉴此，我们开始按部就班地选择了清洁、干燥的贮存场所和远离碳钢粉尘、沙粒及

其他杂质粉尘的工作场所来储存不锈钢板件和制造模拟子分段(节点)。在堆放不锈钢

板材时，在地面上铺上木质垫方，不锈钢的板与板之间放入木质垫块。

5．2．2制作场地选定

为防止露天施工的不便，我们选择在非船事业一部的厂房内施工。为防止厂房内灰

尘、碳钢颗粒的影响，在模拟分段(节点)施工的区域设置了三防布的围栏(见图5．3)，

从而形成模拟分段(节点)制作的独立的半封闭区域。

设立标识、警示牌等标志，用于区分不锈钢舱建造的工具、现场作业区域和提示操

作人员注意遵守工艺纪律。

所准备的用于不锈钢模拟子分段(节点)施工的工具和吊具，全部由不锈钢制成或

堆焊适宜的不锈钢材料。

5．2．3胎架制作

图5．3模拟分段(节点)制作场地


为保证模拟分段(节点)制作的焊接质量，我们专I'-JN作了3个胎架：1个碳钢平

台胎架(见图5．4)，1个装配有不锈钢垫块的碳钢平台胎架(见图5．5)，1个装配有不

锈钢垫块的碳钢槽型胎架(见图5．6)。不锈钢垫块用机械方法加工，在安装定位后，要

交验胎架的平面度。。

图5．4碳钢平台胎架

图5．5装有不锈钢垫块的碳钢平台胎架

图5．6装有不锈钢垫块的碳钢槽型胎架

69

2铷：置‘．


5．2．4部件装配准备

在装配中，禁止强力装配，见图5．7。保证焊前检查装配间隙(见图5．8)、接头型

式、坡口尺寸、装配和定位焊质量等是否符合工艺文件规定，对影响焊接质量的严重超

差，必须在焊前修整。同时注意以下事项：

1、装配中尽量少用“压马”；

2、“压马’’的材料应与钢板的材料相同；

3、定位焊的焊接材料与正式焊接材料相同；

4、“压马”必须用等离子切割取下；

5、结构拼板应在专用胎架上进行，拼板时死胎。

图5．7不锈钢板面上装焊碳钢T型材(禁止强力装配)

5．3焊接制作

5．3．1焊工

1)凡从事不锈钢舱模拟子分段(节点)焊接的焊工和定位焊工，应具有一定的不

锈钢焊接的实践经验和持有船级社认可的不锈钢焊接证书，并按认可的范围进行相应位

置的操作。

2)焊工应在施工前由施工单位组织专门的理论和操作技能培训，熟悉掌握双相不

锈钢焊接材料的性能特点，能够严格执行工艺要求，未经培训者不得从事模拟分段施工，

不得使用实际活段练活。

70


5．3．2焊接方法和焊接材料

焊接方法和焊接材料列入表5．3。

表5．3焊接方法和焊材匹配

焊接方法焊接材料适用钢板

Avesta 2205／805 UNS S31803 童：

埋弧焊Avesta 309L／805 UNS S31803与船用钢

Avesta 2205．PW UNS S31803 ．·

药芯焊丝C02焊Avesta FCW309L UNS S31803与船用钢

Avesta MIG2205 UNS S31803

熔化极气体保护焊Avesta MIG309L UNS S31803与船用钢’

手工电弧焊 Avesta 2205-PWAG7DC UNS S31803

手工焊条必须严格按照说明书要求进行烘焙，焊工领用焊条和使用时必须使用保温

筒，并应确保保温筒在通电情况下使用，焊工每次领取焊条不超过3小时用量，用剩的

焊条及时返库重新烘焙。

焊丝表面应保持清洁，不得有油污、铁锈、水份等杂物。

5．3．3焊接设备

手工电弧焊、气体保护焊及埋弧焊设备极性均采用直流反接。

所使用的焊接设备应运行良好，满足焊接工艺要求，焊接电流、电压等规范参数应

能准确显示。

5．3．4焊前准备

专门准备用于不锈钢模拟分段施工的工具，如用于不锈钢的扁铲、钢丝刷等工具应

71


由不锈钢制成。打算单独用于不锈钢的工具可采用专用的颜色标记。

不锈钢的吊运设备投入使用前应予彻底清扫干净，以防碳钢铁屑以及杂质对不锈钢

的污损。最好使用真空吊进行吊运。吊运不锈钢的吊钩，应使用包覆材料或加衬垫。

吊运不锈钢的吊绳一般使用尼龙绳，如果使用钢丝绳索，应采取适当措施防止钢丝

绳对不锈钢造成的硬接触伤害。

在不锈钢吊运中，如需加焊吊鼻时，应选用不锈钢制吊鼻。

不锈钢表不锈钢板结构坡口原则上均由生产厂机械加工，需现场切割坡口的结构，

必须采用等离子设备，禁止采用火焰切割。碳钢板可以采用火焰切割，注意保证坡口加

工的平直度。

。不锈钢拼板的胎架应布置不锈钢垫块，保证不锈钢结构与碳钢胎架隔离。

焊前坡口及其两侧各30mm范围内，必须清理油污、泥灰和熔渣等脏物。清理后的

坡口应及时进行焊接以防再次弄污，避免工具损伤已准备好的焊接坡口。

为避免不锈钢表面被污染，所有的操作设备都应清洁，去除油脂和灰尘。不要直接

在不锈钢表面行走，在钢板表面作业应穿鞋套。

定位焊缝必须采用与产品焊接相同的焊条施焊，并按正式焊缝由合格焊工完成。

定位焊应使用与产品焊接相同的焊条由合格焊工完成，定位焊长度和间距应均匀一

致。对接焊缝定位焊长度30．40mm，间距150—200ram；角接缝定位焊长度10．20ram，

间距为150．200ram。定位焊缝在正式焊接前必须清除。

5．3．5焊接施工

在模拟子分段(节点)的焊接施工中，采用埋弧自动焊(SAw)(见图5．9)、药芯

焊丝C02半自动焊(FCAW)和手工电弧焊(SMAw)焊接工艺，编制下发用于模拟子

分段(节点)施工的焊接工艺规程(WPS)。WPS的内容详见附件。

。

5．3．5．1中纵舱壁下墩和内底局部分段

子分段中包括不锈钢板与普通碳钢板的对接坡口和角接节点、不锈钢板间的角接全

焊透节点、不锈钢板与普通碳钢纵骨的角接节点。

a．不锈钢板与普通碳钢板的平对接坡口和角接节点——采用的焊接方法：CO2气体

保护焊、埋弧自动焊；

b．不锈钢板间的角接全焊透节点——采用的焊接方法：C0 2气体保护焊：

c．不锈钢板与普通碳钢纵骨的角接节点——采用的焊接试验方法：CO 2气体保护焊、

手工电弧焊。

72

．I

《．

第5章模拟分段建造’

5．3．5．2底部局部分段

子分段中包括不锈钢板与普通碳钢板的角接节点、不锈钢板间的对接节点、不锈钢

板与普通碳钢纵骨的角接节点。

a．不锈钢板与普通碳钢板的角接节点——采用的焊接方法C0z气体保护焊、手工电

弧焊；

b．不锈钢板间的对接节点——采用的焊接方法：埋弧自动焊；

c．不锈钢板与普通碳钢纵骨的角接节点——采用的焊接方法：CO：气体保护焊、手

工电弧焊。

5．3．5．3纵舱壁垂直桁趾端局部分段

子分段中包括不锈钢水平槽型舱壁板压槽制作和不同板厚槽型的对接节点、不锈钢

板间的对接和角接节点。

a．不锈钢水平槽型舱壁板压槽制作；

b．不锈钢不同板厚槽型的对接节点——采用的焊接方法：埋弧自动焊；芽t

c．不锈钢板间的对接和角接节点——采用的焊接方法：埋弧自动焊和气体保护焊。

5．3．5．4槽型中纵舱壁下墩局部分段

子分段中包括不锈钢垂直槽型舱壁板压槽制作节点、不锈钢板与不锈钢板之间的角

接焊透节点。

子分段中包括：

a．不锈钢垂直槽型舱壁板压槽制作节点；

b．不锈钢板与不锈钢板之间的角接焊透节点——采用的焊接方法：埋弧自动焊或手

工电弧焊。

5．3．5．5垂直槽型中纵舱壁不同板厚槽型舱壁板间的连接节点

子分段中包括：

a．不锈钢不同板厚垂直槽型舱壁板压槽制作节点；

b．不锈钢不同板厚槽型舱壁板间的连接节点——采用的焊接方法：埋弧自动焊或

CO 2气体保护焊。

73

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。：：砸·I一：。

●●


，图5．9埋弧自动焊(SAW)拼板

同时对于模拟子分段(节点)施工中双相不锈钢的焊接情况进行了严格的质量控制，

保证焊接操作严格执行通过试验研究确定的WPS有关要求。派专人对焊接层间温度进

行跟踪检查，对焊接参数逐项记录。在完成全部焊接施工后，对结构典型节点进行抽样

检验，验证工艺是否满足设计要求。

图5．10 C02半自动焊(FCAW)在仰焊位置施工

74

皆

《


5．3．6焊接变形控制措施’

焊接方法和规范参数要严格遵守WPS的要求。严格控制焊脚尺寸，不得过大，尽

量靠近下限。角焊缝：O．9Ko≤K≤1．1K0。K0为图纸规定的焊脚尺寸，K为实际焊脚尺

寸。

结构拼板应在专用胎架上进行，拼板时死胎。为防止焊接变形，注意加强焊缝区域

板材的刚性固定，见图5．11。特别是双相钢的焊透角焊缝接头，坡口角度大，热输入集

中，应注意增加适当的不锈钢制构架进行拘束，避免焊接变形过大。

根据现场模拟分段(节点)的实际情况，对槽型中纵舱壁下墩局部分段中个别焊透

角焊缝的坡口型式做出调整，在保证焊透的前提下，将原来的单面坡口改为双面坡口，

见示意图5．12。减少熔敷金属数量，降低了热输入，焊接变形得到有效控制，通过现场

验证效果良好，见图5．13。

构件组立过程中同时存在对接缝和角接缝，应先焊对接缝，再按角接缝。同时存在

平角焊缝和立角焊缝，应先焊立角焊缝，后焊平角焊缝。蔑‘

多根构架焊接时应从分段中央向四周扩散或跳焊。具有对称结构的应采用双数焊工

对称施焊，施焊时，应使焊工均匀分布，但一个分段焊工人数不得超过4名。

露“‰0

除j

蠢

j勿嗲■三薹篓塞’二≮霁％嚏霎窕图5．1l采用重物加强刚性固定

75

原坡口型式坡口型式

图5．13调整后实际焊接效果

5．4不锈钢舱表面处理

不锈钢舱表面处理工艺工艺流程的不同取决于现有设备和整个船只的设计与建造

方案，但对船舱的表面修补与钝化处理应遵循下面的原则：

a·用钢丝刷、打磨或喷砂等工艺清除所有焊渣，如果焊接轮廓不够平滑，将其打磨

成平滑的轮廓；

b·用研磨式不锈钢丝团、酸洗材料或局部蘸酸洗液擦拭等方法来去除焊接变色：

c·用强力清洗剂来刷洗货舱以除去油脂、铁屑、涂料污染、油污等，将舱内加热有

助于提高处理效果；

d·用酸洗钝化溶液或膏处理舱壁，反复进行直至所有可见的物质被除掉；

e．水洗可彻底除去舱壁上保留的酸迹。

￡中和处理(PH值由1-2处理到7．10)

76

J

‘

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曩'


g．检查

根据此原则，整个不锈钢舱的表面作后处理方法分为以下两种：淋洗法和喷涂酸洗

钝化膏法。

5．4．1淋洗法试验

淋洗法是针对不锈钢舱的整体处理而言，在进行除油及打磨等处理后，配置合适的

酸洗钝化液，采用专用的喷淋设备来进行，清洗时应保持足够的喷淋时间，以确保表面

处理效果。

淋洗试验装置：2205双向不锈钢模拟试验舱，2205不锈钢样片若干、喷射酸洗泵。

溶液的选择：采用AVESTA SHEFFIELD公司生产的酸洗钝化液。

a．搭设脚手架，以便于达到施工表面。

b．用未经铁污染的不锈钢刷或砂轮打磨焊缝和飞溅物等缺陷。

c．采用除油剂喷淋除油，除油后舱表面应无油脂、油污。然后用高压水进行彻底水

洗，直至整个不锈钢模拟舱表面呈中性。乏’

d．将不锈钢酸洗钝化液用喷射酸洗泵喷射到不锈钢模拟舱舱壁上，保证整个舱体表

面都被酸洗钝化液覆盖，无任何死角存在，整体反应时间为120min．200rain。

e．酸洗钝化后用高压水彻底水洗，除去整个不锈钢舱壁上的残留酸液。取出不锈钢

样片进行检测。

￡酸洗后，废液需中和处理，符合环保要求后排放。；

5．4．2喷涂酸洗钝化膏法试验

与淋洗法表面处理的前期工作相同，经过打磨和除油剂除油后，在整舱表面喷涂酸

洗钝化膏，厚度为2ram～3mm，并使钝化膏在其表面保留30min-60min(视表面状态适

当调整反应时间)。最后用高压水彻底水洗，避免残留酸污染，残液中和处理排放。通

过悬挂样片来检验酸洗钝化效果。

5．4．3实际钝化效果

本子专题项目在实际应用中采用的是在不锈钢舱表面喷涂酸洗钝化膏的方法，最后

用高压水彻底水洗。实践应用效果良好。图5．14、图5．15就是经钝化后的外观示例。

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莘

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5．5模拟分段的精度检测

由于结构拼板在专用胎架上进行，拼板时死胎。实际建造中认为装焊纵骨前的变形

为零，见图5．16。与分段组立后的实际变形相对比，估算得到分段的实际变形量。

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图5．16装焊纵骨前的变形测量‘

按照实际在建船舶产品的测量要求，完成模拟分段(节点)的组立焊接后，对前三

个模拟分段(节点)的外形尺寸和平面度的检测。由于焊接顺序和热输入的影响，以及

测量本身的误差，虽然得到的实际变形量(图5．17)的数值和仿真预测的结果存在一定

的偏差，但与模型仿真预测所反映的变形规律是基本一致的。

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1)平面接板焊接收缩量

图5．17实际变形量测量示例

79

哈尔滨工程大学硕士学位论文若宣宣i；；iii葺置暑暑暑高' "t—— 一lit宣ii；i；；i；i眚

统计数据见表5．4：

表5．4平面接板焊接收缩量统计数据表 mm

焊前艏艉焊后艏艉焊前纵缝焊后纵缝焊前纵骨焊后纵骨序号检查线间距．检查线间距检查线间距检查线间距间距间距

l 1900 1898 100 99 800 799．5

2 1900 1897 100 98 800 799．5

3 1900 1897 100 99 800 799．6

2)立体分段焊接收缩量及水平统计数据

立体分段焊接收缩量及水平统计数据见表5．5。

表5．5立体分段焊接收缩量及水平统计数据表 mm

焊前艏艉焊后艏艉焊前横向焊后横向焊前分段整体焊后分段序号

检查线间距检查线间距检查线间距检查线间距水平整体水平

l 2600 2597 2200 2199 O 3

2 2600 2599 2200 2200 0 2

3 2600 2598 2200 2199 O 3

5．6模拟分段性能检测

按照子专题任务书要求，在纵舱壁垂直桁趾端局部分段延伸增做埋弧焊产品试板，

在垂直槽型中纵舱壁不同板厚槽型舱壁板间的连接节点增做气体保护焊产品试板，分别

进行了无损探伤检测，力学性能检测和腐蚀性试验检测。

5．6．1无损探伤检测．

将埋弧焊产品试板和气体保护焊产品试板分别进行X射线探伤检验，产品试板的焊

接质量均符合JISZ3104标准II级水平以上。

5．6．2力学性能检测．

产品试板经力学检测结果良好。经拉伸试验检测，焊缝的抗拉强度值均高于母材。

弯曲试验，压头直径5倍板厚，弯曲角度120。未发现裂纹。经宏观试验检查，未发现

未熔合、未焊透等不良缺陷。

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第5罩模拟分段建造

5．6．3腐蚀性试验检测

按美国ASTM奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性标准A262．02中E法进行检测，试样

未发现晶间腐蚀倾向。

按美国ASTM不锈钢及相关合金三氯化铁点蚀和缝隙腐蚀实验标准G48-00中A法

进行点蚀检测，试样表面均无明显的宏观点蚀痕迹且点腐蚀失重量均低于20mg。

5．7本章小结

本章详细介绍了模拟分段建造的过程，从前期的技术准备过程到分段的生产准备再

到焊接施工的过程并介绍了一系列模拟分段的检测方法。并对焊接变形控制以及不锈钢

的表面处理等技术问题做了详细的介绍。

81


结论

本文对2205(S31803)双相不锈钢进行了手工电弧焊、药芯焊丝气体保护焊及埋

弧焊三种焊接方法的系列工艺试验，掌握了三种焊接方法合适的规范参数，获得良好的

操作性能、美观的焊缝成型与合格的接头使用性能。各工艺试板均通过DNV规范对焊‘

接程序认可试验规定的各项检验项目，表明上述工艺已完全达到DNV规范对程序认可

试验的要求。试验说明，手工电弧焊、药芯焊丝气体保护焊和埋弧自动焊均可以作为建

造双相不锈钢液舱化学品船的主要焊接方法，满足建造此类化学品船的要求。

以不锈钢舱化学品船的船体不锈钢舱结构为基础，为研究解决不锈钢本身以及其与

不同材质构件相连接的焊接工艺技术、焊接工艺验证、焊接收缩变形、建造精度控制等

以及在实船建造施工中的下料、切割、运输、表面处理等问题，通过对不锈钢货舱结构

型式的审查研究，考虑到不锈钢舱结构中涉及双相不锈钢$31803、普碳钢和AH32高强

度钢不同材质板材、型材间的多种型式的连接节点，确定了结构节点设计需要研究的主

要连接形式。

广泛搜集双相不锈钢制造、焊接技术资料，深入兄弟船厂进行不锈钢建造技术调研，

开拓了视野，加强了感性认识。完成了不锈钢舱模拟子分段(节点)中不同材料间连接

形式研究，通过对不锈钢货舱结构型式的确认，完成了不锈钢舱结构典型节点制作的包

括储运、装配、焊接、表面处理和检测等的完整施工工艺设计方案，对所涉及的关键技

术进行了系统研究。

在模拟分段实际制作过程中，通过对焊接规范参数的严格要求，层间温度的有效控

制，以及分段装配精度和焊接顺序的控制等技术手段，完成了5个模拟子分段(节点)

的建造任务。焊缝外型尺寸目测光顺平滑，结构平整、美观。通过模拟子分段(节点)

的建造，锻炼了技术队伍，工人在实践中学习掌握了不锈钢分段建造的焊接技术，积累

了双相不锈钢焊接变形和精度控制方面宝贵的实践经验，具备了实际建造不锈钢舱化学

’品船的技术能力，为我公司实际承接建造双相不锈钢舱化学品船确立了条件。

本文中研究了双相不锈钢的焊接技术通过工艺试验以及变形预测，研究了双相不锈

钢的可焊性，并通过试验证明，通过合理的控制焊接参数和热输入控制，焊后双相钢

的奥氏体、铁素体组织达到了较好的相平衡。但是本文并没有对有害析出相进行研

究，有害析出相通常是形成腐蚀失效的地方应该严格控制，研究这些有害析出项的

影响是今后继续研究的方向。

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》

9

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参考文献

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[26]RULES FOR CLASSIFICATION OF SHIPS．DET NORSKE VERITAS

CLASSIFICATION；DNV船级社入级建造规范(2005)

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霉．


攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

85

一强I蕾I弋；


致谢

本论文是在导师任慧龙教授和林立研究员指导和帮助下完成的。导师严谨求实的态7

度、对本课题的细心指导是本论文顺利完成的关键。同时导师渊博的学识、诲人不倦的

品格使本人受益匪浅。在此表示衷心的感谢。‘

大连船舶重工焊接室王立强科长及诸位同志们对本人的论文工作给予了极大的帮

} 助，在此向他们表示由衷的谢意。’

在攻读硕士学位期间，得到了研究生部老师的大力支持，得到了船舶工程学院老师

们在各方面给予的关心和帮助，在此一并表示衷心的感谢。

最后，还要感谢为我付出巨大心血的父母，以及所有关心和爱护我的人，正是他们

在精神上和生活上给我的支持和帮助，使我顺利地完成了本论文的编写工作。

◆

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个人简历

1994．09“1998．07

1998．08’2002．03

2002．04’2005．12

2002．07’2002．08

2005．12’至今

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院焊接工艺及设备专业学习

大连造船厂技术中心焊接技术研究所工艺员

大连造船重工科技部焊接技术研究所工艺员

通过IIW授权的IWE(国际焊接工程师)的资格培训

大连船舶重工设计所焊接室焊接一科科长

87

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静弟．．

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不锈钢舱化学品船焊接工艺技术研究作者：杨继承

学位授予单位：哈尔滨工程大学

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y2053247.aspx

http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y2053247.aspx

http://g.wanfangdata.com.cn/

http://s.g.wanfangdata.com.cn/Paper.aspx?q=Creator%3a%22%e6%9d%a8%e7%bb%a7%e6%89%bf%22+DBID%3aWF_XW

http://s.g.wanfangdata.com.cn/Paper.aspx?q=School%3a%22%e5%93%88%e5%b0%94%e6%bb%a8%e5%b7%a5%e7%a8%8b%e5%a4%a7%e5%ad%a6%22+DBID%3aWF_XW

http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y2053247.aspx

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