不銹鋼復合管的焊接性探討

孫倩+范蕙萍

摘 要：不銹鋼復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構、物理化學性能；鑒于不銹鋼復合管焊接的特殊性，應從焊接材料、焊接方法、焊接坡口和工藝參數方面著手，關鍵在于坡口形式的合理設計。

關鍵詞：不銹鋼復合管 焊接坡口 焊接

中圖分類號：G45 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）02（c）-0118-03

近些年來，節約資源、能源成為國家大力倡導建設節約型社會的一個重要主題。其中金屬基復合材料的研究及應用空間越來越廣泛，因為金屬基復合材料集合了兩種或兩種以上材料的優異性能，一方面解決了單一材料性能應用的局限性；另一方面又為生產企業降低成本，節約資源。該文對不銹鋼復合管的焊接性方面作簡要陳述，在企業在不銹鋼復合管焊接應用中具有工程指導意義。

1 不銹鋼復合管的焊接性

不銹鋼復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；此類結構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構、物理化學性能等。現以常用的不銹鋼-碳鋼內襯式復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約為碳鋼的1.3倍左右，過渡層焊縫在焊接熱循環的作用下，很容易引起熱應力，而且這種熱應力不容易消除，易于產生焊接變形，最終導致接頭處產生裂紋。

（2）碳元素擴散遷移。在焊接時，碳由低Cr的碳鋼基層向高Cr的不銹鋼覆層金屬擴散遷移，在過渡層熔合區靠近碳鋼基層一側產生脫碳層，靠近不銹鋼覆層一側產生增碳層，這種增碳和脫碳現象在焊接熱循環作用下會引起熔合區的脆化和軟化。

（3）焊縫稀釋率的影響。當采用不銹鋼焊材焊接過渡層時，由于基層和過渡層焊縫的化學成分不同，基層金屬勢必會對過渡層焊縫金屬產生稀釋，容易形成馬氏體淬硬組織，熔合區附近的狹小區域硬度和脆性增加，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，靠近不銹鋼側的熔合區附近由于過熱大部分碳化物被溶解。當焊接基層材料時，在焊接熱循環的作用下，碳化物被重復受熱，沿晶界間析出含有鉻的碳化物，焊縫晶間造成“貧鉻”現象，導致晶間腐蝕的發生；另也有點蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕產生的可能。

2 不銹鋼復合管焊接的工藝措施

針對上述不銹鋼復合管焊接過程中出現的問題，應采取一定的工藝措施，防止裂紋的出現，避免增碳脫碳現象，提高焊縫過渡層金屬的耐蝕性，進而得到性能優良的焊接接頭。

（1）焊接材料。基層和覆層焊材較易選擇，嚴格控制焊縫中S、P雜質含量，基層按等強度原則來選擇，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，都會使覆層和部分基層同時熔化，而且基層材料所熔化的量很難把握，導致焊接接頭耐腐蝕性能可能達不到要求。經改進后對冶金復合管的焊接常采用圖2b（覆層材料剝離式坡口）；機械復合管的焊接常采用圖2c，一定要封焊上復合界面。圖2d是文獻[2]設計的機械結合復合管的坡口圖，采用此坡口，保證了接頭的強度和性能質量，并提高了工作生產效率。綜上，圖2b、d有較高的應用性。

（3）焊接方法。打底層和過渡層的焊接較為重要，打底層要實現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。過渡層焊接時為了避免馬氏體的出現，焊接線能量不能過大；但也不能太小，太小影響接頭韌性，易產生再熱裂紋。故應采用小的焊接線能量、短道快速焊接的方法。

文獻[3]基層焊接時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不移位。文獻[4-5]研究多層焊接再熱作用對覆層組織形態的影響，當單層焊接覆層時金相組織為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生δ鐵素體轉變為γ奧氏體，且δ鐵素體組織變成均勻球狀。文獻[6]研究主體材料316/20 g復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。對焊接接頭的化學成分、金相組織抗腐蝕性能等進行了研究，結果表明過渡層焊縫的化學成分與316 L母材相當，組織為γ+δ雙相組織，焊接接頭的抗電化學腐蝕性能能保證接頭在使用過程中需要。

3 結語

針對不銹鋼復合管的焊接，首先對基層材料和覆層材料進行焊接性分析，結合這兩種材料的特點確定焊接工藝，尤其過渡層的焊接應合理地選擇填充材料、坡口形式和焊接方法；經過系統的焊接工藝實驗、焊接工藝評定，從而制定最優的焊接工藝，解決過渡層焊接這一難題，進而制造出高性能、高質量的復合管。

參考文獻

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[6] 張萬鵬.316L/20g內襯式不銹鋼復合管的焊接工藝研究[J].兵器材料科學與工程，2006，29（4）：72-75.