不銹鋼復(fù)合管的焊接性探討

孫倩+范蕙萍

摘 要：不銹鋼復(fù)合管的焊接中基層材料和覆層材料的焊接屬于同種材料的焊接，同種材料焊接工藝比較容易選擇；過渡層的焊接屬于異種金屬的焊接，異種材料的焊接性取決于兩種材料的組織結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性能；鑒于不銹鋼復(fù)合管焊接的特殊性，應(yīng)從焊接材料、焊接方法、焊接坡口和工藝參數(shù)方面著手，關(guān)鍵在于坡口形式的合理設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：不銹鋼復(fù)合管 焊接坡口 焊接

中圖分類號(hào)：G45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）02（c）-0118-03

近些年來，節(jié)約資源、能源成為國家大力倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的一個(gè)重要主題。其中金屬基復(fù)合材料的研究及應(yīng)用空間越來越廣泛，因?yàn)榻饘倩鶑?fù)合材料集合了兩種或兩種以上材料的優(yōu)異性能，一方面解決了單一材料性能應(yīng)用的局限性；另一方面又為生產(chǎn)企業(yè)降低成本，節(jié)約資源。該文對不銹鋼復(fù)合管的焊接性方面作簡要陳述，在企業(yè)在不銹鋼復(fù)合管焊接應(yīng)用中具有工程指導(dǎo)意義。

1 不銹鋼復(fù)合管的焊接性

不銹鋼復(fù)合管的焊接包括基層材料的焊接、覆層材料的焊接和過渡層材料的焊接；此類結(jié)構(gòu)件采用不銹鋼作為覆層材料，基層材料一般選用低碳鋼或低合金鋼。在焊接冶金領(lǐng)域分析中，基層和覆層材料的焊接屬于同種材料的焊接，焊接工藝比較容易選擇；關(guān)鍵問題在于過渡層的焊接，過渡層的焊接屬于異種金屬的焊接，異種材料的焊接性取決于兩種材料的組織結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性能等。現(xiàn)以常用的不銹鋼-碳鋼內(nèi)襯式復(fù)合管為例分析其焊接性。

（1）母材物理性能的差異。不銹鋼的線膨脹系數(shù)約為碳鋼的1.3倍左右，過渡層焊縫在焊接熱循環(huán)的作用下，很容易引起熱應(yīng)力，而且這種熱應(yīng)力不容易消除，易于產(chǎn)生焊接變形，最終導(dǎo)致接頭處產(chǎn)生裂紋。

（2）碳元素?cái)U(kuò)散遷移。在焊接時(shí)，碳由低Cr的碳鋼基層向高Cr的不銹鋼覆層金屬擴(kuò)散遷移，在過渡層熔合區(qū)靠近碳鋼基層一側(cè)產(chǎn)生脫碳層，靠近不銹鋼覆層一側(cè)產(chǎn)生增碳層，這種增碳和脫碳現(xiàn)象在焊接熱循環(huán)作用下會(huì)引起熔合區(qū)的脆化和軟化。

（3）焊縫稀釋率的影響。當(dāng)采用不銹鋼焊材焊接過渡層時(shí)，由于基層和過渡層焊縫的化學(xué)成分不同，基層金屬勢必會(huì)對過渡層焊縫金屬產(chǎn)生稀釋，容易形成馬氏體淬硬組織，熔合區(qū)附近的狹小區(qū)域硬度和脆性增加，使焊縫性能降低。

（4）腐蝕性影響。在不銹鋼覆層和過渡層熔化焊接時(shí)，靠近不銹鋼側(cè)的熔合區(qū)附近由于過熱大部分碳化物被溶解。當(dāng)焊接基層材料時(shí)，在焊接熱循環(huán)的作用下，碳化物被重復(fù)受熱，沿晶界間析出含有鉻的碳化物，焊縫晶間造成“貧鉻”現(xiàn)象，導(dǎo)致晶間腐蝕的發(fā)生；另也有點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的可能。

2 不銹鋼復(fù)合管焊接的工藝措施

針對上述不銹鋼復(fù)合管焊接過程中出現(xiàn)的問題，應(yīng)采取一定的工藝措施，防止裂紋的出現(xiàn)，避免增碳脫碳現(xiàn)象，提高焊縫過渡層金屬的耐蝕性，進(jìn)而得到性能優(yōu)良的焊接接頭。

（1）焊接材料?；鶎雍透矊雍覆妮^易選擇，嚴(yán)格控制焊縫中S、P雜質(zhì)含量，基層按等強(qiáng)度原則來選擇，覆層按等性能原則來選擇，過渡層由于合金元素稀釋作用應(yīng)選Cr、Ni元素稍高的焊接材料，并保證焊縫中含有δ鐵素體、γ奧氏體雙相組織，且δ鐵素體含量控制在4%～12%，根據(jù)Schaeffer相圖（如圖1所示）按焊后所需的金相組織來選擇合適的焊接材料。

（2）焊接坡口。焊接坡口選擇原則：①要盡可能降低基層對覆層合金元素的稀釋，減小母材熔合比；②要利于車削加工。

如圖2所示，圖2a[1]無論過渡層怎樣施焊，都會(huì)使覆層和部分基層同時(shí)熔化，而且基層材料所熔化的量很難把握，導(dǎo)致焊接接頭耐腐蝕性能可能達(dá)不到要求。經(jīng)改進(jìn)后對冶金復(fù)合管的焊接常采用圖2b（覆層材料剝離式坡口）；機(jī)械復(fù)合管的焊接常采用圖2c，一定要封焊上復(fù)合界面。圖2d是文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)合復(fù)合管的坡口圖，采用此坡口，保證了接頭的強(qiáng)度和性能質(zhì)量，并提高了工作生產(chǎn)效率。綜上，圖2b、d有較高的應(yīng)用性。

（3）焊接方法。打底層和過渡層的焊接較為重要，打底層要實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型工藝，過渡層焊接盡量降低母材熔合比，形成優(yōu)良的焊接接頭，一般選用焊條電弧焊和鎢極氬弧焊。

（4）工藝參數(shù)。過渡層焊接時(shí)為了避免馬氏體的出現(xiàn)，焊接線能量不能過大；但也不能太小，太小影響接頭韌性，易產(chǎn)生再熱裂紋。故應(yīng)采用小的焊接線能量、短道快速焊接的方法。

文獻(xiàn)[3]基層焊接時(shí)加入了一塊截面為等腰梯形的定位塊，保證了坡口組對的間隙均勻性和根焊時(shí)不移位。文獻(xiàn)[4-5]研究多層焊接再熱作用對覆層組織形態(tài)的影響，當(dāng)單層焊接覆層時(shí)金相組織為γ+δ，且δ鐵素體組織較為粗大；多層焊接再熱作用后覆層發(fā)生δ鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)棣脢W氏體，且δ鐵素體組織變成均勻球狀。文獻(xiàn)[6]研究主體材料316/20 g復(fù)合管采用焊條電弧焊打底、過渡（焊接材料為2.5 mm的A042A焊條）和蓋面的焊接工藝。對焊接接頭的化學(xué)成分、金相組織抗腐蝕性能等進(jìn)行了研究，結(jié)果表明過渡層焊縫的化學(xué)成分與316 L母材相當(dāng)，組織為γ+δ雙相組織，焊接接頭的抗電化學(xué)腐蝕性能能保證接頭在使用過程中需要。

3 結(jié)語

針對不銹鋼復(fù)合管的焊接，首先對基層材料和覆層材料進(jìn)行焊接性分析，結(jié)合這兩種材料的特點(diǎn)確定焊接工藝，尤其過渡層的焊接應(yīng)合理地選擇填充材料、坡口形式和焊接方法；經(jīng)過系統(tǒng)的焊接工藝實(shí)驗(yàn)、焊接工藝評定，從而制定最優(yōu)的焊接工藝，解決過渡層焊接這一難題，進(jìn)而制造出高性能、高質(zhì)量的復(fù)合管。

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