不銹鋼復合鋼管制造工藝

韓儉超

（青島武曉集團股份有限公司，山東膠州266300）

不銹鋼復合鋼管制造工藝

韓儉超

（青島武曉集團股份有限公司，山東膠州266300）

不銹鋼復合鋼板是一種將耐腐蝕、耐熱、耐磨的不銹鋼作為覆層，采用強度相對較高、塑性韌性較好的碳鋼或低合金鋼作為基層的高效金屬材料。因此，由其制作而成的不銹鋼復合鋼管以其良好的力學性能、耐腐蝕性能和低廉的價格被廣泛應用于建筑、機械制造、壓力容器和石油化工等工業生產中。但不銹鋼復合鋼管的成型和焊接工藝較復雜，結合工程實際對（25 mm+3 mm）的Q245R+304L的不銹鋼復合鋼管的成型及焊接工藝進行探討分析。以Q245R+304L不銹鋼復合鋼管的成型和焊接工藝為例，通過分析材料的特性和焊接性，并經工藝試驗和焊接檢驗，最終確定了不銹鋼復合鋼管的制造工藝。

不銹鋼復合鋼管；成型工藝；焊接工藝；過渡層；焊接檢驗

1 材料特性和焊接性分析

Q245R+304L不銹鋼復合鋼板的覆層為304L，屬奧氏體不銹鋼；基層材料為Q245R，屬珠光體鋼，復合鋼板的化學成分如表1所示，其力學和物理性能如表2所示。由于基層碳鋼與覆層不銹鋼在化學成分、力學和物理性能方面存在較大差異，使得不銹鋼復合鋼管折彎成型和熔化焊接時會遇到較大困難。如果成型工藝控制不當，在折彎成型的最初階段，預彎邊時會因兩種材料的結合區承受拉應力易導致復合鋼板邊緣部位的兩種材料發生分離，一旦未發現將導致成型后的鋼管性能下降；同時因焊接工藝控制不當，焊縫中容易出現成分偏析和其他焊接缺陷，降低焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能，難以滿足工程結構的使用要求。

由表1、表2可知，基層與覆層的母材化學成分、力學和物理性能存在很大差異，因此Q245R+304L不銹鋼復合板的焊接過程具有以下特點。

表1 Q245R+304L的化學成分％

表2 Q245R+304L的力學和物理性能

1.1 焊縫稀釋率的影響

焊接時焊縫金屬稀釋對焊縫綜合性能影響很大。焊縫成分由填充金屬成分、母材成分及其熔合比確定。一般情況下，經熱源攪拌所形成的焊縫金屬其成分大體均勻。但由于珠光體母材Q245R的稀釋作用，往往會在焊接接頭過渡區產生脆性馬氏體組織，而這種組織存在于焊接接頭中，在熱應力的作用下很容易產生裂紋缺陷，從而導致接頭的性能惡化。

1.2 過渡層碳遷移形成擴散層的影響

Cr是強碳化物形成元素，因此過渡層焊接時在焊接熱作用下，熔合線處珠光體鋼Q245R一側的碳通過焊縫邊界向奧氏體鋼焊縫一側擴散遷移。結果在珠光體鋼一側產生脫碳層發生軟化，而奧氏體焊縫側形成增碳層發生硬化。導致焊接接頭的過渡層區域的焊縫金屬高溫持久強度和耐腐蝕性能下降，脆性增加，降低了接頭的承載能力。

1.3 焊接殘余應力大

由表2可知，304L奧氏體不銹鋼熱膨脹系數比Q245R珠光體鋼大約23％，而導熱系數只有Q245R珠光體鋼的1/3，因此在焊接受熱時覆層的膨脹變形量較基層大。接頭冷卻時，覆層收縮變形大于基層，同時基層金屬強烈束縛著過渡層金屬的收縮，從而使得過渡層焊縫金屬在焊縫方向上受拉應力作用。

為獲得優良的焊接接頭，應選用C含量低、Ni含量高的焊接材料用于過渡層的焊接。焊接過程嚴格控制焊接熱輸入量，即采取小電流、快速焊的焊接方法來減小焊接熔合比，并且層間溫度要求不高于60℃。

2 工藝方案

2.1 成型工藝

通常鋼管制作時普遍采取先下料開焊接坡口，后預彎、折彎、焊接的工藝流程。而復合鋼管制作時為100％確定預彎邊后不銹鋼復合鋼板邊緣處的不銹鋼層與碳鋼層沒有發生分離，采取先下料、預彎、后開焊接坡口并對坡口面進行PT檢查、折彎、焊接的工藝方案。

（1）采用數控等離子切割機按工藝要求的尺寸切割下料，切割時覆層應朝上。

（2）利用直縫焊管專用預彎機對不銹鋼復合鋼板的兩邊進行預彎，預彎后使用內圓弧樣板檢查預彎尺寸及弧度是否滿足鋼管的弧度要求。

（3）對預彎合格的不銹鋼復合鋼板加工焊接坡口。坡口加工應采取機械加工的方法。對接后的坡口形式為斜X型開槽坡口，如圖1所示。坡口加工完成后由專業的無損檢測人員對加工后的坡口面做PT檢查，確認坡口面沒有缺陷存在，尤其是不銹鋼與碳鋼結合處沒有裂紋缺陷。

圖1 斜X型開槽坡口

（4）利用折彎機的送料機構將待折彎的不銹鋼復合鋼板送入折彎機的工作區域。選擇半徑比待加工鋼管內半徑小約10～20 mm的上模具，并按不銹鋼復合鋼板厚度的8倍選擇下模具的開口尺寸為224 mm，進行折彎成型。

2.2 焊接工藝

2.2.1 焊接方法

考慮公司現有的焊接設備、生產效率和Q245R+ 304L復合鋼板的焊接性，在實際焊接生產中分別焊接基層和覆層。基層采用雙面埋弧自動焊，背面清根的焊接方法，既能提高焊接效率又能保證基層焊縫金屬的焊接質量；覆層采用焊接熱輸入量較低且焊接效率遠高于SMAW和GTAW的熔化極CO2氣體保護焊。同時，為了防止或減少焊接過程對焊縫金屬的稀釋作用，在基層與覆層之間增加過渡層焊縫，其焊接方法選用FCAW。Q245R+304L不銹鋼復合鋼管對接焊的焊接順序如圖2所示。

2.2.2 焊接材料

Q245R+304L不銹鋼復合鋼管的焊接過程較為復雜，其接頭金屬由基層焊縫金屬、過渡層焊縫金屬和覆層焊縫金屬三部分組成。其中基層焊縫金屬在接頭中主要承擔力學性能，覆層焊縫金屬主要起耐腐蝕的作用。因此，基層金屬的焊接材料可按強度匹配原則選用規格為φ4.0mm的埋弧焊絲H08A，配用熔煉型焊劑HJ431；覆層金屬的焊接材料按化學成分匹配原則選用規格為φ1.2mm的低碳型藥芯焊絲E308L。由于過渡層焊接時，不銹鋼焊縫容易被基層碳鋼稀釋，并且伴隨著碳的擴散遷移，為獲得性能優良的接頭，過渡層焊接材料選用Ni含量高的超低碳型藥芯氣保焊絲E309L，其規格為φ1.2 mm。

圖2 焊接順序示意

2.2.3 焊接工藝

為進一步降低Q245R與304L的熔合比，保證過渡層焊縫的焊接質量，坡口加工時在不銹鋼一面采取開槽的方式，如圖1所示。同時還規定了基層金屬焊接后的焊縫厚度要低于Q245R與304L的結合面1～2 mm，如圖2所示。

過渡層焊接前應打磨基層的焊縫金屬，直至露出金屬光澤，并使用丙酮、酒精將焊接區域清洗干凈。焊接時不預熱、不擺動焊槍、小電流、快速焊接。為獲得高質量的焊接接頭，應保證道與道間、層與層間打磨清理干凈。過高的層間溫度會導致接頭過熱而影響接頭的組織和性能，焊接時要求層間溫度不高于60℃。

經多次焊接工藝試驗，不斷調整焊接參數以調節焊接熱輸入量，最終確定優化后的焊接工藝參數如表3所示。

表3 焊接工藝參數

3 焊接檢驗

為驗證焊接接頭的質量能夠滿足Q245R+304L不銹鋼復合鋼管的使用要求，同時又避免對鋼管造成破壞，采取增加產品焊接試板的方法隨同鋼管焊縫一起焊接。焊后對鋼管和產品焊接試板分別進行X射線探傷檢驗，其焊接質量均符合JB/T4730.2標準中的I級質量要求。

對產品焊接試板取樣進行力學性能檢驗。按照標準的規定，試驗時分別制取2件全厚度拉伸試樣和4件側彎試樣。試驗后的拉伸試樣和彎曲試樣如圖3、圖4所示，拉伸試驗結果如表4所示。

圖3 試驗后的拉伸試樣

圖4 試驗后的彎曲試樣

表4 拉伸試驗結果

由表4可知，焊接接頭的強度分別為442 MPa、 450 MPa，均高于母材本身的抗拉強度430 MPa。觀察圖3接頭拉伸試樣的斷裂位置，發現T1、T2試樣的斷裂位置均遠離接頭的熔合線。根據拉伸試驗的合格指標——斷在焊縫或熔合線以外的母材上，其抗拉強度不得低于標準規定的母材抗拉強度最低值的95％，可認為試驗符合要求。

觀察圖4彎曲試樣的拉伸面上的焊縫和熱影響區內沒有任何缺陷存在，表明焊接接頭具有良好的塑性。根據彎曲試樣的合格指標：彎曲試樣彎曲到規定的角度后，其拉伸面上的焊縫和熱影響區內，沿任何方向不得有單條長度大于3mm的開口缺陷，即視為合格。

綜上所述，經該焊接工藝獲得的焊接接頭質量良好，可以滿足Q245R+304L不銹鋼復合鋼管對強度及塑性的要求。

目前公司共制作不銹鋼復合鋼管1 000余支，主要用于國內外大型污泥處理設備的攪拌輥上，至今未發現存在質量問題。

[1]張文鉞.焊接冶金學[M].北京：機械工業出版社，1999.

[2]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2009.

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在焊接接頭上就形成了冷裂紋。

2.3.3 建筑鋼結構冷裂紋的防止

從應用技術理論上講，控制冷裂紋主要是控制影響冷裂紋的三大要素，如改善接頭組織、消除一切氫的來源和盡可能降低焊接應力。

常用措施主要是采用理論上的無氫焊接，GMAW和SMAW采用超低氫型焊條，比如大西洋的E5015（RH）型焊條（本案例也是采用超低氫焊條處理橫向裂紋）。嚴格控制焊接工藝，優化焊接環境，焊前清潔坡口，采用預熱、控制道間溫度和后熱處理等。

研究證實，采用后熱工藝能夠大幅度降低產生冷裂紋的危險性；高強鋼焊接要特別重視后熱處理工藝。采用后熱處理能有效防止冷裂紋的理論依據如下：

一次結晶結束后，熔池變為固體焊縫，高溫的焊縫金屬冷卻到室溫時要經過一系列的相變過程，這種相變過程就稱為焊縫金屬的二次結晶。主要影響參數有t8/5、t8/3、t100等。

t8/5（t8/3）對焊縫硬度有較大影響；t8/5（t8/3）冷卻時間延長，硬度值減小。

t8/5（t8/3）冷卻時間的延長通常會導致沖擊性能的減少和熱影響區沖擊脆性溫度的上升，強度也會降低，降低的程度取決于鋼材種類及其化學成分。

t100越長，越有利于焊縫擴散氫的逸出，杜絕和減少延遲裂紋發生；但是t100的延長必須增加預熱溫度和焊接線能量，然而焊接線能量的增加會導致焊縫及HAZ晶粒粗大而降低焊接接頭的綜合性能，這是一對矛盾。解決這一矛盾的方法是采用合適的預熱溫度和焊接線能量獲得合適的t8/5（t8/3）后，采用后熱（200℃～350℃）去氫處理工藝；既保證了焊接接頭的綜合性能，又延長了t100，防止焊接接頭氫致裂紋的發生。

3 結論

高強鋼焊接性研究涉及面廣，技術要求較高，目前無論在理論和實際工作中，對新一代鋼種都有一個認識過程，也就是說設計、施工單位在相當長的時期內都要進行了解和掌握新一代鋼種的相關試驗研究工作，特別是與新一代鋼種相配套的焊接材料的開發研究以及目前焊接材料的配比的焊接工藝評定，這是有一定工作量、一定難度的工作。目前高強鋼的焊接尚有一些未知領域，新一代鋼種焊接性試驗研究工作將是一項必須進行的重要技術工作。

參考文獻：

[1]戴為志，劉景鳳，高良.建筑鋼結構焊接工程應用技術及案例[M].北京：化學工業出版社，2016.

Stainless steel compound steel pipe manufacturing technology

HAN Jianchao
（Qingdao Wuxiao Group Co.，Ltd.，Jiaozhou 266300，China）

Stainless steel composite plate is a kind of efficient metal material with corrosion resistant，heat resistant，wear resistant stainless steel as the cladding，with relatively high strength，good plasticity toughness of carbon steel or low alloy steel as the base.As a result，the stainless steel composite pipes that are made of stainless steel composite plates，with good mechanical properties，corrosion resistance and low price,are widely used in construction，machinery manufacturing，pressure vessels and petrochemical industrial production.But complicated forming and welding process of stainless steel composite pipe，combining with the engineering practice of(25 mm+3 mm)Q245R+304L stainless steel composite pipe forming and welding process are discussed in this paper.Taking Q245R+304L stainless steel compound steel pipe forming and welding technology for example，by analyzing the characteristics of material and the weldability，and through process test and welding inspection，finally determine the stainless steel compound steel pipe manufacturing process.

stainless steel composite pipe；molding process；welding process；transition layer；welding inspection

TG457.11

B

1001－2303（2016）12－0128-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.28

獻

韓儉超.不銹鋼復合鋼管制造工藝[J].電焊機，2016，46（12）：128-131.

2016-10-27

韓儉超（1983—），男，工程師，學士，主要從事焊接車間工藝設計及研究工作。