不銹鋼SA376與20鋼的焊接試驗(yàn)及應(yīng)用

劉應(yīng)虎 王長(zhǎng)健

(1.二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司，四川618013;2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，四川 618000)

不銹鋼SA376與20鋼的焊接試驗(yàn)及應(yīng)用

劉應(yīng)虎1王長(zhǎng)健2

(1.二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司，四川618013;2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，四川 618000)

對(duì)不銹鋼SA-376與碳鋼20鋼的焊接進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，制定了有關(guān)的焊接工藝參數(shù)，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了成功應(yīng)用，為核電波動(dòng)管的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

不銹鋼;碳鋼;異種鋼焊接;工藝

不銹鋼核電波動(dòng)管是核電產(chǎn)品的重要部件之一，其彎管的制作過(guò)程復(fù)雜而且技術(shù)含量較高。在管道彎制過(guò)程中，為了更好地控制彎曲，通常采取在不銹鋼波動(dòng)管端頭焊接一段碳鋼的方案。二重集團(tuán)公司在生產(chǎn)核電波動(dòng)管的過(guò)程中合理地應(yīng)用了異種鋼焊接工藝方案，取得了一定的效果。

1 材料焊接性分析

SA-376等級(jí)為T(mén)P316LN的不銹鋼是核電波動(dòng)管的常用材料，是美國(guó)ASME規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)，屬于奧氏體316L系列不銹鋼。其組織穩(wěn)定性高，綜合性能好，有足夠的強(qiáng)度和良好的塑性，焊

接性也良好［1］。20鋼管符合 GB/T8163—2008，是用于輸送流體的普通厚壁無(wú)縫鋼管。通常情況下的焊接不會(huì)在熱影響區(qū)產(chǎn)生硬化組織，而且塑性較好，焊接接頭產(chǎn)生裂紋的傾向性小。這兩類(lèi)鋼的主要化學(xué)成分和性能見(jiàn)表1。

由于這兩種金屬在化學(xué)性能、物理性能、力學(xué)性能以及金相組織等方面存在較大的差異，焊接時(shí)要注意避免不銹鋼SA-376受到污染而使焊接接頭表面硬化，導(dǎo)致焊接接頭性能變差［3］。另外，奧氏體不銹鋼按照碳含量、鉻鎳含量比，焊接工藝條件以及組織特征的不同，焊接接頭可能發(fā)生熱裂紋(凝固裂紋和失塑裂紋等)，在熱影響區(qū)易發(fā)生鉻和鉬的碳化物沉淀，降低耐腐蝕性和耐熱性;在鐵素體含量較高時(shí)，還可能出現(xiàn)475℃脆性相或者σ相脆化等現(xiàn)象［4］。

為了克服這兩類(lèi)異種材料焊接時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，減小它們由于焊接性的差異給焊縫和母材質(zhì)量造成的影響，試驗(yàn)人員根據(jù)異種金屬的焊接原理，同時(shí)結(jié)合異種金屬的焊接特征，在試驗(yàn)中采用了預(yù)堆焊過(guò)渡層的方式，先在碳鋼側(cè)預(yù)堆焊E309L系列焊材，然后形成不銹鋼309堆焊層與不銹鋼SA-376 TP316LN材料的焊接，從而較好地實(shí)現(xiàn)了不銹鋼SA-376和20碳鋼的焊接。

表1 SA-376 TP316LN不銹鋼和20鋼管的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能［2］Table 1 Main chem ical compositions and mechanical properties of SA-376 TP316LN stainless steel and 20 steel pipe

2 焊接工藝評(píng)定及試驗(yàn)分析

2.1 坡口的準(zhǔn)備

為了模擬產(chǎn)品接頭形式，工藝人員采用管對(duì)接形式進(jìn)行了試驗(yàn)分析。其焊接接頭形式如圖1所示。右側(cè)為SA376 TP316LN不銹鋼，采用核電鍛件余料加工而成，加工后規(guī)格為?352 mm×38 mm，坡口角度30°;左側(cè)為20普通厚壁鋼管，其執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T8163—2008，該材料相當(dāng)于ASME/ASTM標(biāo)準(zhǔn)中SA36鋼的成分和性能，將規(guī)格為?377 mm×56 mm的厚壁管加工成?352 mm×38 mm尺寸，以進(jìn)行坡口對(duì)接焊。根據(jù)ASME焊接工藝評(píng)定的有關(guān)要求，采用厚度為38 mm的試件可以覆蓋較大厚度產(chǎn)品的焊接。

2.2 堆焊碳鋼側(cè)坡口邊緣

采用SMAW焊接方法對(duì)20碳鋼側(cè)坡口進(jìn)行預(yù)堆焊，堆焊焊條為E309L-17，規(guī)格為?4.0 mm，其堆焊參數(shù)如表2所示。堆焊第一層時(shí)需要進(jìn)行預(yù)熱以減少焊接區(qū)域的溫度差，降低焊接應(yīng)力，避免產(chǎn)生焊接裂紋，同時(shí)也可以適當(dāng)減少試件的變形。在堆焊的過(guò)程中，要注意控制層間溫度，最高層間溫度不易超過(guò)150℃。堆焊時(shí)應(yīng)注意控制好第一層堆焊的稀釋率，后焊道對(duì)前一焊道的搭接量一般為1/2～2/3，通常堆焊2～3層后要求堆焊厚度達(dá)到(4～5)mm。為了確保加工后的不銹鋼堆焊層厚度達(dá)到3.5 mm以上，堆焊時(shí)要控制好堆焊面的平整度，可以采用機(jī)械加工的方法加工堆焊后的坡口面，使其坡口角度為30°;也可以采用打磨的方式來(lái)保證堆焊不銹鋼后的坡口角度，應(yīng)采用圓棒形的打磨工具打磨清除內(nèi)壁過(guò)多的焊肉，保證對(duì)接時(shí)所需要的坡口形狀。

圖1 SA376 TP316LN和20鋼管焊接坡口形式Figure 1 Groove shape of SA376 TP316LN and 20 steel pipe welding

2.3 過(guò)渡層堆焊后的消氫處理

預(yù)堆過(guò)渡層后，需要及時(shí)對(duì)工件進(jìn)行300℃×2 h的焊后消氫熱處理，以消除焊縫中擴(kuò)散氫對(duì)堆焊面產(chǎn)生的不良影響，防止產(chǎn)生氫致裂紋，降低冷裂紋傾向，改善接頭性能。

2.4 對(duì)接接頭焊接工藝

在20鋼管與SA-376 TP316LN鋼管組對(duì)前要對(duì)坡口及其鄰近20 mm區(qū)域的內(nèi)外表面采用機(jī)械加工打磨出金屬光澤，并用丙酮去油。采用手工氬弧焊組對(duì)點(diǎn)固焊，焊點(diǎn)數(shù)量為4～6個(gè)，沿管周長(zhǎng)均勻分布。對(duì)接接頭根部焊如圖2所示。

施焊根部第一層焊道時(shí)，采用手工氬弧焊單面焊背面成形法。通過(guò)采取在管子正反面同時(shí)充氬氣的保護(hù)措施來(lái)有效保證根部焊縫質(zhì)量，其焊接工藝參數(shù)如表3所示。第二層、第三層填充焊仍采用手工氬弧焊，氬弧焊焊縫總厚度大于5 mm為佳。其余部分采用SMAW工藝進(jìn)行焊接，選用E316L不銹鋼焊條。因?yàn)閵W氏體不銹鋼焊接時(shí)變形大、容易產(chǎn)生熱裂紋，焊接時(shí)需要采取防護(hù)措施。通常施焊時(shí)弧長(zhǎng)控制在(2～3)mm之間，直線焊不作或稍作橫向擺動(dòng)，以減小熔池?zé)崃?，防止鉻等有利元素的燒損。層間溫度不宜過(guò)高，控制在≤150℃，適當(dāng)?shù)慕档秃附与娏鳎詼p小焊接過(guò)程中的熱輸入。層間若有焊渣必須使用不銹鋼絲刷或砂輪等工具清除后再焊，以防止產(chǎn)生夾渣。每層焊縫接頭應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)，焊縫收弧一定要填滿弧坑，否則可能產(chǎn)生弧坑裂紋成為腐蝕起源點(diǎn)。

圖2 SA376 TP316LN和20鋼管焊接接頭示意圖Figure 2 Illustration of SA376 TP316LN and 20 steel pipe welded joint

表2 20鋼管坡口預(yù)堆焊工藝參數(shù)Table 2 Pre build-up welding technical parameters of 20 steel pipe groove

表3 SA376 TP316LN和20鋼管焊接工藝參數(shù)Tab le 3 W elding technical parameters of SA376 TP316LN and 20 steel pipe

2.5 接頭性能分析

坡口對(duì)接焊完成后，按照相應(yīng)ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫進(jìn)行 RT、PT檢測(cè)，結(jié)果合格。然后依據(jù)ASMEⅨ卷及有關(guān)的技術(shù)條件要求對(duì)管子試件進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)。

接頭拉伸試驗(yàn):對(duì)接頭的檢測(cè)表明整個(gè)焊接接頭中沒(méi)有出現(xiàn)較為明顯的硬化組織，焊接接頭的拉伸試驗(yàn)表現(xiàn)出較好的性能，其斷裂位置在20鋼母材一側(cè)。兩件抗拉強(qiáng)度值分別為480 MPa、480 MPa，屈服強(qiáng)度分別為 365 MPa、360 MPa，延伸率分別為22%和23%，其數(shù)據(jù)與20鋼管母材吻合。

接頭彎曲試驗(yàn):彎曲參數(shù)a=10 mm，D=38 mm，α=180°，側(cè)彎后4件側(cè)彎試樣無(wú)裂紋。

接頭宏觀檢測(cè):20鋼管與SA-376 TP316LN異種鋼接頭的宏觀金相照片如圖3所示，通過(guò)放大鏡觀察未發(fā)現(xiàn)任何可見(jiàn)缺陷。從接頭中可以清楚觀察到采用SMAW工藝預(yù)堆焊的不銹鋼309L過(guò)渡層和采用GTAW打底SMAW填充的坡口焊縫。

3 應(yīng)用

根據(jù)焊接工藝評(píng)定結(jié)果，技術(shù)人員編制了相關(guān)焊接工藝并應(yīng)用到波動(dòng)管的焊接上，焊接出的波動(dòng)管熱彎和冷彎性能均能夠滿足產(chǎn)品制造要求。

4 結(jié)論

(1)20鋼管與SA-376TP316LN鋼管的焊接工藝采用先在20鋼管側(cè)堆焊一層不銹鋼E309過(guò)渡層，再實(shí)現(xiàn)與SA-376 TP316LN鋼管對(duì)接焊，有效的克服了兩種異種鋼在焊接時(shí)由于焊接性的差異給焊縫質(zhì)量帶來(lái)的不利影響。

(2)20鋼管與SA-376 TP316LN鋼管對(duì)接焊時(shí)，根部焊通常采用手工氬弧焊單面焊雙面成形的方法，通過(guò)采取在管子正反面同時(shí)充氬氣的保護(hù)措施來(lái)有效地保證根部焊縫質(zhì)量。

(3)采用SMAW方法，使用E309L和E316L不銹鋼焊條在進(jìn)行預(yù)堆焊和坡口焊時(shí)，應(yīng)充分考慮到奧氏體不銹鋼焊接時(shí)變形大、容易產(chǎn)生熱裂紋的特性，焊接操作時(shí)焊條采用直線焊不作或稍作橫向擺動(dòng)，壓低電弧控制弧長(zhǎng)，控制層間溫度在150℃以下，并適當(dāng)降低焊接電流，以有效地保證焊縫質(zhì)量。

圖3 SA-376 TP316LN與20鋼管焊縫接頭照片F(xiàn)igure 3 Welded joint picture ofSA376 TP316LN and 20 steel pipe

［1］ASME Code，Boiler＆ Pressure Pessel Code，SectionⅡ，Part A-Ferrous Material Specifications［S］2007 Edition.

［2］GB/T8163—2008，輸送流體用無(wú)縫鋼管［S］.中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2008－08－19發(fā)布.

［3］劉中青，等編著.異種材料的焊接［M］.北京:科學(xué)出版社，1991:12.

［4］陳劍虹，周昭偉，任家烈，等.焊接手冊(cè):第2卷材料的焊接［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社出版，2001，8:807－810.

［5］劉應(yīng)虎，何鵬，葉小松，等.2.25Cr1Mo與0Cr18Ni9鋼焊接工藝研究［J］.大型鑄鍛件，2008(5).

編輯 杜 敏

Welding Test and Application of Stainless Steel SA376 and 20 Steel

Liu Yinghu，W ang Changjian

Welding procedure of stainless steel SA-376 and carbon steel20 has been estimated and relativewelding technical parameters have been established，themethod has been applied successfully in practice，which set up basis for nuclear power fluctuating pipe.

stainless steel;carbon steel;heterogeneous steel weld;technology

TG457.11

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2013—08—20