20號碳鋼與316L不銹鋼鋼管的焊接工藝研究

摘要： 316L不銹鋼管由于具有良好的耐腐蝕、表面光潔度高，因此316L不銹鋼管在很多液壓管道和傳輸管道應(yīng)用較廣。同時(shí)與原有碳鋼產(chǎn)品就存在異種鋼焊接，由于的兩種材料差異、出現(xiàn)焊接接頭軟化、焊接的質(zhì)量不穩(wěn)定，通過母材材料的化學(xué)成分、物理性能和焊接性能的分析，提出可靠焊接方法和工藝措施。

Abstract： 316L stainless steel pipe because of its good corrosion resistance， high surface finish， so 316L stainless steel pipe is widely used in many hydraulic pipelines and transmission pipe lines. At the same time， there are dissimilar steel welding with the original carbon steel products， because of the difference between the two materials， the welding joint softening， welding quality is not very stable， through the chemical composition of the base material， physical properties and welding performance analysis， put forward reliable welding methods and technological measures.

關(guān)鍵詞： 碳鋼鋼管;不銹鋼;焊接

Key words： carbon steel pipe;stainless steel;welding

中圖分類號：U671.81? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）19-0037-02

0? 引言

近年來隨著海工裝備和承壓管道的迅猛發(fā)展，新型裝備在材料耐腐蝕、外觀質(zhì)量等方面提出了更高的要求，這些管道在持續(xù)向高性能化發(fā)展的同時(shí)，更加追求經(jīng)濟(jì)效益。其中，316L不銹鋼鋼管為一種塑性好、強(qiáng)度高、耐腐蝕好的材料，海工裝備管系和承壓管道中的應(yīng)用持續(xù)擴(kuò)大。因此，316L不銹鋼鋼管與20號碳鋼鋼管等異種材料的焊接逐漸明顯增多，但20號鋼管與316L不銹鋼管焊接，由于兩種材料的物理性能差異大以及工藝條件的限制，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性較差。我們從兩種材料的焊接性能分析入手，選擇恰當(dāng)?shù)暮附臃椒?，確定了合理的焊接工藝參數(shù)，通過焊接工藝評定試驗(yàn)，最終使20號鋼管與316L不銹鋼鋼管異種材料的焊接，在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

1? 母材焊接性能分析

20號碳鋼鋼管是經(jīng)冷拔成型，一般正火狀態(tài)交貨，其含碳量為0.2%，屬于低碳的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其機(jī)械加工性能和焊接性能都非常好，廣泛的應(yīng)用在無腐蝕介質(zhì)的，常溫和壓力不高的管系結(jié)構(gòu)中。316L不銹鋼是屬于含碳為0.025%的一種超低碳奧氏體不銹鋼，它是在鉻不銹鋼中添加較高的鎳而形成的具有奧氏體組織的不銹鋼，由于含有較高的鉻、鎳、鉬等合金元素，能夠使表面形成一層堅(jiān)固的氧化薄膜（鈍化膜），使表面金屬與介質(zhì)隔離而不發(fā)生化學(xué)作用，因而具有良好的抗氧化性，耐腐蝕性，同時(shí)具有塑性、韌性和較好的加工性能和焊接性能。目前在海工裝備和承壓管道等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。兩種材料的化學(xué)成分和物理性能如表1和表2。

2? 異種材料焊接特點(diǎn)及易出現(xiàn)的問題分析

2.1 異種金屬焊接的特點(diǎn)

20號鋼管與316L不銹鋼鋼管焊接時(shí)，由于焊縫兩側(cè)的電阻率和熱導(dǎo)率有明顯的差別，焊縫2側(cè)的熱量和熔化速度就不同，母材、焊條藥皮、保護(hù)氣體形成的保護(hù)圈，焊接熔池的行為也不一樣。因而，母材2側(cè)的熔化量也將隨之而不同，熔融金屬與母材的化學(xué)反應(yīng)就不同，相互之間稀釋規(guī)律也不同。由此可見，20號鋼管與316L不銹鋼鋼管焊接接頭各區(qū)域化學(xué)成分，不僅取決于母材和填充材料各自的原始成分，同時(shí)也隨焊接方法和工藝的變化而變化。所以，20號鋼管與316L不銹鋼鋼管施焊時(shí)，不論采用何種方法，盡量采用小的焊接參數(shù)，以降低對焊接接頭化學(xué)成分的影響?；瘜W(xué)成分的差異和冷卻速度的不同，造成各區(qū)域組織的不同;組織的不同，接頭各區(qū)域的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性就不同。有時(shí)幾個(gè)晶粒的范圍內(nèi)，顯微硬度變化幅度達(dá)100%;在兩側(cè)的熱影響區(qū)的沖擊韌度有幾倍之差。總之，對于20號鋼管與316L不銹鋼鋼管焊接接頭來說，成分、組織、性能的不均勻性，是其焊接的主要特征。

2.2 異種金屬焊接的主要問題

雖然20號碳鋼和316L不銹鋼各自的同種金屬焊接性良好，但兩者在物理性能如熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)等方面有較大差異。將兩者通過焊接連接在一起即屬于異種金屬焊，比同種金屬的焊接要困難得多，存在的主要問題如下。

①因20號鋼的線膨脹系數(shù)316L不銹鋼小，20號鋼一側(cè)的焊接過程的熱脹冷縮量小得多，焊接過程中在接頭區(qū)域產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，如果是薄構(gòu)件將產(chǎn)生較大的變形。若焊接在高溫停留的時(shí)間過長，熔合區(qū)將產(chǎn)生很大的附加蠕變，進(jìn)而造成接頭的早期破壞。

②20號鋼一側(cè)碳含量比與316L不銹鋼一側(cè)含量高近10倍，在焊接高溫作用下，熔合區(qū)附近碳會從20號鋼一側(cè)向316L不銹鋼一側(cè)擴(kuò)散遷移的情況。因此在20號鋼一側(cè)產(chǎn)生脫碳層，熔合區(qū)降低，組織發(fā)生變化，接頭強(qiáng)度降低。而316L不銹鋼一側(cè)形成增碳層，且隨著焊接加熱時(shí)間延長，擴(kuò)散層就越寬，焊接接頭耐腐蝕性能會大大降低。

③20號鋼具有鐵磁性，而316L不銹鋼無鐵磁性，當(dāng)這兩種金屬材料焊接時(shí)，由于電磁性差異較大，易造成焊接時(shí)焊接電弧偏弧或者電弧燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，影響焊縫的外觀成形和內(nèi)部質(zhì)量。同時(shí)20號鋼與316L不銹鋼2種黑色金屬焊接，可能會形成某些金屬間的化合物，其中大部分金屬化合物性能硬而脆，會降低焊縫的塑性和韌性，對焊接接頭的力學(xué)性能影響很大。

3? 焊接工藝選擇

海工項(xiàng)目和承壓管道，通常用的20號碳鋼與316不銹鋼管子直徑從10-500mm，板厚從3-16mm，根據(jù)不同的使用工況，不同的厚度和直徑，可以選擇最佳的焊接方法、坡口形式等。

①焊接方法。根據(jù)20號鋼和316L不銹鋼焊接特點(diǎn)，常用的焊接方法：鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、焊條電弧焊和埋弧焊都可以進(jìn)行焊接。但考慮到主要是管子，同時(shí)異種金屬焊接，熔合比是很重要的質(zhì)量指標(biāo)，以及考慮到生產(chǎn)現(xiàn)場的具體情況和焊接的生產(chǎn)效率。我們采用小直徑管子的焊接采用鎢極氬弧焊打底和蓋面的焊接方法，中等管徑采用氬弧焊打底，手工電弧焊填充蓋面的方法;大直徑管的選用鎢極氬弧焊進(jìn)行打底焊，熔化極氣體保護(hù)焊填充蓋面焊的方法。

②焊接材料。由于這種材料焊接屬于異種材料的焊接，為控制碳的遷移和合金元素的稀釋，我們采用Cr、Ni含量更高的奧氏體不銹鋼焊條。鎢極氬弧焊，選用性能較高的ER309L氬弧焊絲，鎢極選用放射性較小，承載電流容量較大的鈰鎢極，保護(hù)氣體采用純度為99.99%的氬氣;手工焊選用E309MoL焊條，直徑根據(jù)母材的直徑和厚度來確定2.5mm還是3.2mm;氣保焊采用直徑為1.2mm藥芯焊絲E309LT1 1，保護(hù)氣體采用二氧化碳。這樣可以減少焊接接頭區(qū)的應(yīng)力，改善焊接接頭的性能，從而提高產(chǎn)品的使用性能。

③焊接接頭坡口?？紤]管子是承受壓力的，因此管子對接必須開坡口，以保證焊縫全熔透。考慮到焊縫的熔合比和焊縫的性能，以及操作的具體要求，一般開30±2.5℃的單側(cè)坡口，鈍邊厚度為0-0.5mm，坡口間隙為1-3mm，如圖1所示。

④焊接操作要點(diǎn)。為保證20號碳鋼與316不銹鋼異種鋼的焊接質(zhì)量，在每一個(gè)操作環(huán)境都要注意操作細(xì)節(jié)。在焊接接頭組對前，將焊縫2側(cè)母材20-30mm內(nèi)外壁表面的油污、氧化皮等雜質(zhì)清理干凈，防止焊接過程中在焊縫金屬中產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷，進(jìn)而影響焊接接頭的使用性能。裝配過程中，采用“V”型槽上裝配，以保證同心度和錯邊量，同時(shí)要采用內(nèi)外部同時(shí)保護(hù)的方法，提高焊縫內(nèi)部的質(zhì)量，防止內(nèi)部焊縫氧化。在焊接，嚴(yán)格控制焊接線能量的大小和層間溫度。如果焊接線能量很小，焊接過程中冷卻速度很大，焊縫金屬中將產(chǎn)生較多的鐵素體組織;如果焊接線能量過大，焊縫的冷卻速度過慢，焊縫金屬中將析出過多的金屬間化合物，這2種情況都會對焊接接頭的性能產(chǎn)生很大的影響。盡量選用合適的焊接電流和電壓，較快的焊接速度，盡可能采用多層多道焊，同時(shí)減少在焊縫邊緣停留的時(shí)間。焊接前不需要進(jìn)行預(yù)熱處理，但在焊接過程中應(yīng)對層間溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證層間溫度不超過100℃，目的是防止焊縫和熱影響區(qū)晶粒長大以及碳化物的析出，避免產(chǎn)生晶間腐蝕，防止不銹鋼的塑韌性以及耐腐性性能的降低，具體參數(shù)見表3。

4? 結(jié)束語

焊接后，對焊縫的表面質(zhì)量進(jìn)行檢測，無氣孔、夾渣和裂紋，焊縫的焊直線度、對稱度、焊縫余高、焊縫的寬度都符合產(chǎn)品的外觀質(zhì)量要求;對接頭進(jìn)行PT和RT檢測，符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。同時(shí)，對接頭進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)（以Φ200×10為例，見表4）、宏觀金相和硬度檢測，都符合產(chǎn)品和規(guī)范的要求。通過多個(gè)項(xiàng)目焊接使用效果良好，20號碳鋼和316L不銹鋼焊接雖然屬于異種材料焊接，但只要焊接方法選擇恰當(dāng)，焊接工藝注重細(xì)節(jié)，以及合理的焊接材料，是可以獲得良好的焊接接頭和使用效果的。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈根平.焊接基本技能實(shí)訓(xùn)[M].北京：高等教育出版社，2016.

[2]周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[3]李亞江.焊接組織性能與質(zhì)量控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社工業(yè)裝備與信息工程出版中心，2005.

[4]王瑞，王鳳會，田華明，等.低碳鋼與不銹鋼焊接接頭彎曲性能的分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2013（2）.

[5]孔祥明.異種鋼焊接的特點(diǎn)及工藝[J].中國化工貿(mào)易，2012（9）.

[6]周靈軍.異類異種鋼焊接問題及對策[J].化工機(jī)械，2010（3）.

[7]ASME美國鍋爐及壓力容器規(guī)范第九卷《焊接和釬焊評定》（2019版）.