不銹鋼與低碳鋼焊接裂紋的預防措施

陸山等

[摘要]針對不銹鋼與低碳鋼焊接接頭，易產(chǎn)生裂紋的問題進行剖析以及解決此問題所采取的方法和措施。

[關鍵詞]異種鋼的焊接 裂紋 方法和措施

前言

在采油一廠采油十五隊的三采注聚站內(nèi)，由許多奧氏體不銹鋼閥門直接與低碳鋼管焊接，由于管內(nèi)的介質為腐蝕性的聚合物，管線內(nèi)的壓力又高，高達22Mpa，焊縫長時間受高壓、腐蝕介質的作用，有十幾道焊接在靠近碳鋼的一側出現(xiàn)了裂紋，若不能及時補焊，不僅浪費能源，惡化環(huán)境，而且還會給我們廠的原油生產(chǎn)帶來很大的影響。

一、低碳鋼和奧氏體不銹鋼在物理性能、化學性能和機械性能上的差異

（一）物理性能 1Cr18Ni9Ti不銹鋼與Q235鋼相比，（1）低的熱導率，不到碳鋼的1/3倍，（2）高的電阻率，為碳鋼的近5倍，（3）大的線膨脹系數(shù)，比碳鋼高40%左右。

（二）1Cr18Ni9Ti不銹鋼與Q235鋼化學成分的比較，見表一。

從表一中可以看出：兩種金屬的化學成分存在著較大的差異，1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼中不但含有較高的合金元素，而且含碳量也比Q235鋼低60%左右。當兩種金屬焊接時，Q235鋼就會對焊接接頭進行稀釋，造成焊接頭的組織成分分布不均勻。

1.31Cr18Ni9Ti不銹鋼與Q235鋼機械性能的比較，見表二。

從表二中可以看出1Cr18Ni9Ti不銹鋼與Q235鋼的機械性能相差較大，焊接時就會存在一定的困難，焊接接頭就會出現(xiàn)應力分布不均勻的現(xiàn)象。

二、裂紋產(chǎn)生的機理

對采油一廠采油十五隊三采注聚站站內(nèi)的Q235鋼管與1Cr18Ni9Ti不銹鋼閥門連接的焊縫，進行補焊時所產(chǎn)生裂紋的問題進行分析，原因有以下幾個方面：

（一）補焊時，由于時間太緊，開口坡口小，造成焊接接頭中溶入過多的Q235鋼成分，熔入的母材對焊縫金屬具有稀釋的作用，使焊縫中的奧氏體形成元素的含量減少，出現(xiàn)了淬硬的馬氏體組織，導致焊縫產(chǎn)生裂紋。所謂稀釋作用，是指碳素鋼與奧氏體不銹鋼焊接時，由于碳素鋼成分熔入焊縫，使焊縫的合金元素成分被沖淡的現(xiàn)象。焊縫的稀釋程度主要取決于母材金屬的溶入量，即“熔合比”。異種金屬焊接時應盡量減小熔合比。因為熔和比越小，焊縫金屬中填充材料占的比例就越大，就可有效的防止裂紋產(chǎn)生。

（二）焊接接頭的塑性和韌性降低，導致焊接接頭產(chǎn)生裂紋。焊接Q235鋼與1Cr18Ni9Ti不銹鋼時，焊接接頭塑性和韌性降低的主要原因，是在熔合區(qū)出現(xiàn)脆性層，其原因有：（1）在焊接時，由于溶池邊緣金屬的溫度較低，流動性較差，使熔化的母材金屬和填充材料不能充分混合，其結果是在Q235鋼一側的焊縫金屬中，Q235鋼的成分所占比例較大，而且越靠近熔合線，母材所占比例越大。這樣在碳素鋼母材一側的熔和區(qū)金屬中，容易形成與焊縫金屬內(nèi)部成分不同的脆性層，脆性層的寬度為0.2mm-0.6mm。（2）由于Q235鋼含碳量比1Cr18Ni9Ti不銹鋼高，合金元素含量較少，因而使得Q235鋼對焊縫金屬的稀釋作用較強，使熔和區(qū)的脆性層中含鉻、鎳量減少，形成組織為高硬度的馬氏體，造成脆性增加，塑性和韌性下降。

（三）由于兩種金屬性能上差異很大，導致焊縫出現(xiàn)裂紋。在焊接Q235鋼與1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼時，由于不銹鋼的線膨脹系數(shù)、電阻率都比低碳鋼大，而熱導率又比低碳鋼小，焊接后焊縫內(nèi)部會產(chǎn)生很大的熱應力，當熱應力值超過焊縫金屬的強度極限時，就會沿溶合線產(chǎn)生裂紋。

三、對出現(xiàn)的裂紋采取的方法和措施

根據(jù)Q235鋼與1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼焊接時產(chǎn)生裂紋的原因，采取了以下方法和措施：

（一）嚴格控制焊縫的溶合比。實踐證明，在Q235鋼與1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼焊接時，焊縫熔合比控制在30%以下，能有效的防止母材金屬對焊縫金屬的稀釋作用。主要是通過選擇焊接方法、坡口大小和填充材料，來控制合比。對Q235鋼與1Cr18Ni9Ti不銹鋼焊縫進行補焊時，由于條件的限制，在選擇焊條電弧焊的前提下，就應該選擇A307焊條，U型坡口或大V型披口，并且坡口兩側50mm都要清理干凈，焊接后得到的焊縫組織為5%的鐵素體和奧氏體的雙相組織，使得焊縫金屬的抗裂性能顯著提高。

（二）采用過度層。焊接Q235鋼與1Cr18Ni9Ti不銹鋼時，可先在Q235鋼的坡口表面上，用含鉻、鎳量高的焊條堆焊一層奧氏體過度層。先用A307或A302作為過度層，在碳鋼一側的坡口面上堆焊一層，然后再選用A102焊條將過度層與1Cr18Ni9Ti不銹鋼焊接。這樣，不但脫碳層區(qū)域變小了，而且也減小了熔合比，降低了焊縫產(chǎn)生裂紋的可能性。

（三）嚴格控制冷速度，降低焊縫產(chǎn)生裂紋的可能性。由于在站內(nèi)補焊時管線內(nèi)還有水，冷卻速度很快，在熱影響區(qū)產(chǎn)生很大的焊接應力，造成了焊接接頭的焊趾處出現(xiàn)了裂紋。在Q235鋼管與1Cr18Ni9Ti不銹鋼閘門焊接時，要先把水排掉，再對碳鋼一側預熱150℃左右后再進行焊接，盡量采用小規(guī)范焊接，焊后還要用毛氈等覆蓋焊縫，達到緩冷的目的，使焊接應力在緩冷過程中能充分消除。

四、結論

實踐證明，在正確選擇坡口型式、坡口尺寸以及正確的焊接方法的情況下，選用A307焊條焊接或選擇先用A307焊條在碳鋼一側堆焊一層后再用A102焊條焊接，所得到的焊縫都能達到質量的要求，在投入運行兩年多以來，均未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

[參考文獻]

[1]高忠民的《實用焊接技術》

[2]劉云龍《焊工技術手冊》

（作者單位：中原油田）