化学品船建造:不锈钢复合板的相关焊接工艺研究

由首钢技术研究院和首秦加工公司共同开发的化学品船用高强度A500+S31803双相不锈钢复合板,近日通过法国必维(BV)船级社和中国船级社(CCS)认证,标志着首钢轧制复合技术进入国际先进行列,为首钢复合板在化学品船等领域的推广奠定了良好基础。  由于所盛物质多具有强烈的腐蚀性,液体化学品船货舱内壁和管系多采用不锈钢为原材料或涂抹特种防腐涂料,其中双相不锈钢由于具有良好的耐蚀适应性和较高的强度,成为这类货舱内壁的首选用材。由于双相不锈钢价格一直居高不下,使得使用这类材质制造而成的化学品船造价较高,而双相不锈钢复合板因同时具有耐蚀性能好和强度高的特点,且建造成本较低,受到船厂的青睐。  轧制不锈钢复合板的方式是在传统碳钢的基础上,通过轧制的方法复合上一层不锈钢,从而使该钢板同时具有碳钢的强韧性和不锈钢的耐腐蚀性。如何让不同材质的钢材实现牢固的冶金结合,并兼具碳钢与不锈钢的理化性能?这就要求制造企业具备较高的轧制与热处理工艺技术水平。  首钢研发团队有针对性地开展技术预研和储备工作,对工艺进行了反复摸索和验证,很好地解决了不同材质钢材有效复合与钢板强度难以兼顾以及板形控制难度大等一系列问题,产品一次试制成功,且各项性能良好,顺利通过两大船级社认证。

不锈钢复合板是以碳钢为基层不锈钢覆层把两种不同钢板结合而成为一体的复合板钢板,可以是单面复合不锈钢也可以是双面复合不锈钢。
不锈钢复合板已经广泛应用于石油、化工、盐业、水利电力等行业。不锈钢复合板作为一种资源节约型的产品,减少贵重金属的消耗,大幅度降低工程造价。实现低成本和高性能的完美结合,有良好的社会效益。

随着工业技术的发展,对材料的使用性能提出了更高、更苛刻的要求,单一的金属或合金在很多情况下很难满足工业生产对材料综合性能的要求。而复合板由于在设计上可以综合各组元的优点,并弥补了各自的不足,具有单一金属或合金无法比拟的优异综合性能。不锈钢复合板是由不锈钢和碳钢或低合金钢复合而成的双金属,由不锈钢层保证耐蚀性能,强度主要靠碳钢或低合金钢层获得,这样可以节约大量不锈钢,具有良好的经济价值。正是由于不锈钢复合板具有良好的综合性能和价格优势,因此在宇航、石油、化工、造船、电力、冶金、机械、核能等领域得到广泛应用。

复合钢板的材料:
不锈钢复合板的基层材料可以使用Q235B、Q345B、16MnR、20R、20g等各种普通碳素钢和专用钢。覆层材料可以使用1Cr13、304、321、316和双相不锈钢等各种牌号的不锈钢。材质和厚度可以自由组合,满足不同用户的需要。

本文以化学品船建造为背景,针对不锈钢复合板的相关焊接工艺进行了研究。

复合钢板主要特点:是碳钢和不锈钢形成牢固的冶金结合。可以进行热压、冷弯、切割、焊接等各种加工,有良好的工艺性能。可以卷制、加工成各成所需形状的容器、耐磨、耐腐蚀等设备。

2不锈钢复合板焊接性分析

不锈钢复合板的生产:工业化生产主要有两种方法,爆炸复合和热轧复合。

复合板由复层和基层组成,他们的物理、化学性能差异较大,使用性能不同。为了保证复合板焊后保持原有的综合性能,对基层、复层、过渡层必须根据其材质、使用要求分别焊接。

1、爆炸复合板的生产工艺是将不锈钢板重叠置于碳钢基板上,不锈钢板和碳钢基板之间用垫子间隔出一定的距离。不锈钢板上面平铺炸药,炸药爆炸的能量,使不锈钢板高速撞击碳钢基板,产生高温高压使两种材料的界面实现固相焊接。理想状态下,界面的每平方毫米的剪切强度可以达到400
MPa。

基层材质一般均选择低碳钢或低合金钢,焊接性很好。基层焊接时,按照等强原则选择焊材。

爆炸复合的特点:A、由于爆炸复合可以产生除不锈钢复合板以外很多种金属复合板,如钛、铜、铝等等。B、爆炸复合可以生产不锈钢复合板总厚度可以达到几百毫米厚的不锈钢复合板,如一些大型底座和管板等。C、爆炸复合的碳钢与不锈钢结合层呈波形,波形界面结合层能使复合板具有很高的界面强度。但爆炸法是利用炸药的能量生产,对环境会造成振动、噪声和烟尘污染,同时爆炸法是在室外作业也会受到自然气候的限制。

复层材质一般为奥氏体不锈钢,具有较好的焊接性能。焊材的选择主要满足使用的特殊性能要求,即按化学成分相匹配和满足耐腐蚀性能要求的原则。

2、热轧复合板工艺是以碳钢基板和不锈钢板处于物理纯净状态,在高度真空条件下进行轧制而成。在轧制过程中两种金属扩散实现冶金结合。当然为了提高复合界面的润湿效果,提高结合强度,在界面的物理化学处理方面还要采取一系列技术措施。以上两种复合板制造方法都执行GB/T8165-2008国家标准。该标准非等效采用日本
JISG3601标准,主要技术指标相同或高于日本标准。

基层与复层交界处即过渡层的焊接属于异种金属的焊接,两种材料的物理性能存在很大差别,焊接冶金反应过程比较复杂,是复合金属焊接中难度最大、直接影响焊接工艺成败的关键。过渡层焊接时,除解决好不锈钢焊接中常出现的焊缝结晶裂纹、热影响区液化裂纹、熔合区脆化等缺陷外,更重要的是减少基层和复层之间的相互扩散、相互渗透,焊接时应尽量采用小参数,降低熔合比,过渡层应选用高铬镍型焊材以补充基层对复层的稀释,并补充焊接过程中合金元素的烧损,从而保证复层的耐蚀性。

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为了确保复层耐蚀的特殊性能要求,应尽可能采用双面焊。在焊接顺序上应采用先焊基层,经反面清根及质量检验合格后再焊过渡层,最后焊复层,以减少复层的多次受热,降低稀释率。

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3试验材料及方法

3.1试验材料

试验母材采用大连船舶重工公司生产的不锈钢复合板316L+AH36(5mm+15
mm),化学成分见表1,力学性能见表2。

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