一种提升船舶燃料仓用奥氏体不锈钢性能的焊接方法与流程

本发明属于船舶工程不锈钢焊接，尤其涉及一种提升船舶燃料仓用奥氏体不锈钢性能的焊接方法。

背景技术：

1、船舶燃料仓（含化学品燃料舱、清洁燃料储舱等）长期承受腐蚀介质、交变载荷与低温环境的耦合作用，对结构材料的耐蚀性与力学性能有严苛要求。奥氏体不锈钢因优异的耐蚀性与低温韧性，被广泛应用于船舶燃料仓的仓体结构与围护系统。为降低建造成本，以锰、氮元素部分替代镍的节镍型奥氏体不锈钢逐步成为船用结构的优选材料，但该类钢对焊接热循环敏感性较强，大线能量焊接过程中易出现热影响区性能劣化问题。

2、采用常规大线能量高效焊接工艺时，焊接热影响区近缝区需经历1300℃以上的高温热循环，母材奥氏体组织会向高温δ铁素体发生转变；若高温停留时间过长，δ铁素体大量生成且晶粒粗化，后续冷却过程中δ铁素体向奥氏体的逆转变不充分，会残留大量呈连续网状分布的粗大δ铁素体；若冷却速率过慢，还会在中温区间析出cr2n相等金属间化合物，共同导致热影响区低温冲击韧性下降30%以上，耐晶间腐蚀性能显著劣化，成为焊接接头的薄弱环节，威胁燃料仓结构的长期服役安全。

3、现有改善奥氏体不锈钢焊接热影响区性能的技术路径主要分为三类：

4、第一类为焊接材料优化，通过调整焊丝合金成分匹配焊缝与热影响区的组织，但无法改善母材热影响区的组织劣化问题，且专用焊丝成本较高，不利于批量应用。

5、第二类为热输入总量管控，通过降低焊接线能量缩短高温停留时间，减少δ铁素体生成，但该方法会直接降低焊接施工效率，增加船舶建造周期，且厚板焊接易出现熔合不良、未焊透等缺陷。

6、第三类为焊后固溶处理，通过高温热处理使δ铁素体与有害相重新溶入奥氏体，恢复组织性能，但工序复杂、成本高昂，且大型仓体现场施工难以实现整体热处理。

7、综上所述，目前行业内改善奥氏体不锈钢焊接热影响区性能的技术路径主要集中在三个方向：优化焊接材料、调控焊接热输入总量（线能量）、以及焊后固溶处理。上述路径均无法在不改变母材成分、不降低焊接效率的前提下，低成本地提升热影响区性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种提升船舶燃料仓用奥氏体不锈钢性能的焊接方法，解决现有技术无法在不改变母材成分、不降低焊接效率的前提下，低成本提升奥氏体不锈钢焊接热影响区性能的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种提升船舶燃料仓用奥氏体不锈钢性能的焊接方法，适用的船舶燃料仓用奥氏体不锈钢为节镍型奥氏体不锈钢，即以mn、n元素部分替代ni，镍含量在4%以下的奥氏体不锈钢，适配船舶燃料仓典型壁板规格，钢板适用厚度范围为16~40mm，其化学成分按质量分数计为：c≤0.05%，si≤1.00%，mn：5.5%~9.5%，cr：13.5%~17.5%，ni：2.0%~3.5%，n：0.15%~0.30%，p≤0.060%，s≤0.030%，余量为fe及不可避免杂质，具体步骤如下：

4、s1：坡口制备：将待焊钢板加工为x形对接坡口，清理坡口及两侧20mm范围内的油污、锈蚀与氧化皮，露出金属光泽；

5、s2：焊前准备：选择焊丝和焊剂，焊接前无需对母材进行预热；

6、s3：焊接：采用双面埋弧焊工艺，正面焊接完成后背面清根；

7、s4：焊后处理：焊接完成后工件冷却至室温，工件整体从道间温度冷却至室温的平均冷却速率控制为5～35℃/min，焊后不进行固溶热处理和去应力热处理。

8、优选的，所述步骤s1中x形对接坡口的参数如下：

9、坡口角度53°~67°，钝边高度1.2~2.5mm，装配间隙1~2mm。

10、优选的，所述步骤s2中焊丝选用匹配母材成分的奥氏体不锈钢焊丝，质量分数（%）为：c：0.01～0.10；si：0.2～1.2；mn：1.0～3.0；cr：18.0～23.0；ni：8.0～13.0；mo：0～3.5；p≤0.035；s≤0.030；余量为fe及不可避免杂质；可选择性添加nb、ti、n中至少一种微合金元素，总含量0～0.35%，焊丝直径为3.2~4.7mm。

11、优选的，所述步骤s2中焊剂选用不锈钢专用熔炼型焊剂，质量分数（%）为：sio2：27～36；mno：1～6；caf2：18～28；al2o3：16～26；mgo：12～20；cao：3～9；feo≤1.5；s≤0.06；p≤0.08；余量为其他熔炼氧化物及不可避免杂质；焊剂粒度0.2～3.0mm，焊剂经275~350℃烘干1~3h后使用。

12、优选的，所述步骤s3中埋弧焊工艺的参数控制如下：

13、（1）基础工艺参数：焊接电流450~550a，焊接电压28~32v，焊接速度30~40cm/min，对应焊接线能量（热输入总量）为18~35kj/cm；

14、（2）核心工艺调控：焊接过程中焊枪向焊接行进的反方向倾斜，倾斜角度控制在10°~25°；热影响区峰值温度控制在1150～1350℃，高温停留时间控制在2.5～6s，热影响区800℃～500℃临界相变区间冷却时间（t8/5）控制在4～12s；

15、过程控制：多层多道焊接时，道间温度严格控制在150℃以内，避免道次热累积导致冷却速率异常。

16、优选的，所述步骤s3中（2）焊枪倾斜角度与热循环参数的对应关系：当焊接线能量为18～25kj/cm时，倾斜角度为10°～18°，对应热影响区峰值温度为1150～1250℃，t8/5为4～8s；当焊接线能量为25～35kj/cm 时，倾斜角度取18°～25°，对应热影响区峰值温度为1250～1350℃，t8/5为8～12s，倾斜角度随线能量增大而增大，以维持热影响区热循环特征在目标区间内。

17、优选的，所述步骤s4中冷却方式为自然冷却、辅助保温或者风冷中任意一种。

18、术语定义：本发明中涉及的热循环参数定义如下：

19、（1）峰值温度：指焊接热影响区中距熔合线1mm处经历的最高温度；

20、（2）高温停留时间：指焊接热影响区中温度≥900℃的总持续时间（含升温阶段和降温阶段）；

21、（3）t8/5：指焊接热影响区中温度从800℃冷却至500℃所需的时间。

22、与现有技术相比，本发明取得的有益效果：

23、（1）将待焊钢板加工为x形对接坡口，显著减少焊接填充金属量、降低焊接应力，防止变形；

24、（2）通过焊枪后倾，电弧力将熔池金属向后排开，电弧热源相对于熔池前缘后移，使输入母材的热量在焊接方向上的分布由集中于熔池前缘变为后移至熔池中后部，从而降低热影响区近缝区的峰值温度梯度，缩短热影响区在1300℃以上的高温停留时间，减少高温δ铁素体的生成总量，抑制δ铁素体晶粒粗化；同时将1200~800℃温度区间的冷却时间调控至最优范围，为δ铁素体向奥氏体的逆转变提供充足的动力学条件，避免在600~900℃的敏感温度区间停留过久，抑制cr2n相等有害金属间化合物析出，最终使残留铁素体呈弥散断续分布，实现热影响区韧性与耐蚀性的协同提升；

25、（3）本发明工艺简单、成本低廉，无需更换专用焊丝、无需降低焊接线能量、无需额外焊后热处理，通过调整焊枪倾角结合精准调控埋弧焊工艺参数，实现热影响区性能的显著提升，便于在船舶建造现场推广应用，具有显著的经济和工程价值，突破本领域热影响区性能只能通过调整母材成分或降低线能量来改善的技术偏见，提供了一种全新的工艺调控思路，通过焊枪倾角改变电弧热流空间分布，在不改变母材、不降低线能量的前提下实现热影响区组织定向调控，为节镍型奥氏体不锈钢的大线能量高效焊接提供新的技术路径。