奧氏體不銹鋼管道焊接質(zhì)量控制措施

 奧氏體不銹鋼管具有很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，良好的焊接性，在低溫環(huán)境仍能保持足夠的塑性和韌性，而且具有無(wú)磁性的特點(diǎn)，是一種性能十分優(yōu)良的材料，作為管道材料廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、醫(yī)療、食品等領(lǐng)域中。 奧氏體不銹鋼管有很多優(yōu)點(diǎn)，但在焊接過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)一些影響材料性能的缺陷，比如產(chǎn)生嚴(yán)重的焊接變形、發(fā)生焊接接頭晶間腐蝕、出現(xiàn)焊接熱裂紋等，這些缺陷一旦發(fā)生，不僅增加施工成本，而且在使用過(guò)程中勢(shì)必影響使用壽命，造成安全隱患。本文在對(duì)奧氏體不銹鋼焊接過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷的原因進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，提出了減少或防止焊接缺陷產(chǎn)生的措施，對(duì)提高焊接質(zhì)量、使用壽命具有重要意義。

一、焊接變形

 1. 焊接變形的影響因素

  奧氏體不銹鋼管焊接變形有兩方面的原因：

   a. 奧氏體不銹鋼管和碳鋼相比，線膨脹系數(shù)比碳鋼大40%左右，隨著溫度的升高，線膨脹系數(shù)也相應(yīng)的增加，熱導(dǎo)率約為碳鋼單的1/3，在焊接局部加熱和冷卻的條件下，焊接接頭在冷卻過(guò)程中形成較大拉應(yīng)力，形成焊接接頭變形；

   b. 在實(shí)際焊接中，不銹鋼管熔池流體粘性大，焊接困難，施焊時(shí)往往需增大焊接電流，這樣焊接線能量增加容易產(chǎn)生焊接變形。此外，固定焊口管段長(zhǎng)度不足，焊縫過(guò)于集中，施焊順序不當(dāng)也是造成奧氏體不銹鋼管焊接變形的原因。

 2. 焊接變形控制措施

   a. 由于奧氏體不銹鋼管熱導(dǎo)率低、線脹系數(shù)大，為控制產(chǎn)生較大的焊接變形 ，應(yīng)選用焊接線能量集中、快速焊接的方法，如氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊。為防止過(guò)熱，與低合金鋼所用焊接電流相比，奧氏體不銹鋼管焊接電流一般要小10%～20%；在實(shí)際焊接時(shí)，盡量采用細(xì)直徑焊材；在手工電弧焊時(shí)，焊接電流值宜為焊條直徑的25～35倍。

   b. 焊接時(shí)必須嚴(yán)格按照焊接工藝卡上的焊接電壓、焊接電流和焊接速度施焊，以確保低的線能量輸入。焊縫道間溫度嚴(yán)格控制在100℃之內(nèi)。

   c. 將管道壁厚偏差和橢圓度沿圓周對(duì)稱錯(cuò)開(kāi)，盡量減少壁厚偏置引起的變形。管道沿圓周的坡口角度大小應(yīng)均勻，盡量減小對(duì)口間隙，以減少填充金屬。在焊縫的11點(diǎn)和1點(diǎn)位置進(jìn)行點(diǎn)焊，點(diǎn)焊數(shù)目可按管道公稱直徑/50來(lái)確定，點(diǎn)焊長(zhǎng)度不小于10mm，厚度不小于3mm。

   d. 正式施焊時(shí)，將管道分成4個(gè)1/4圓周，對(duì)稱施焊。對(duì)于DN≥200的管道，應(yīng)有2名焊工對(duì)稱焊，且焊接速度基本一致。

二、焊接接頭晶間腐蝕

  1. 焊接接頭晶間腐蝕的機(jī)理

  在焊接時(shí)，奧氏體不銹鋼管最容易產(chǎn)生的問(wèn)題就是晶間腐蝕。奧氏體不銹鋼管會(huì)發(fā)生晶間腐蝕是由于這類鋼加熱到450℃～850℃溫度區(qū)間會(huì)發(fā)生敏化，其機(jī)理是過(guò)飽和固溶的碳向晶粒邊界擴(kuò)散，與晶界附近的鉻結(jié)合形成鉻的碳化物（Cr，F(xiàn)e）23C6，并在晶界沉淀析出；由于碳比鉻的擴(kuò)散速度快得多，鉻來(lái)不及從晶內(nèi)補(bǔ)充到晶界附近，因而在晶界形成貧鉻區(qū)。當(dāng)貧鉻區(qū)鉻含量低于12.5%時(shí)，在腐蝕介質(zhì)作用下就會(huì)發(fā)生晶間腐蝕。某些超低碳含鉬奧氏體不銹鋼中，在敏化溫度的區(qū)間晶界析出鉻含量很高的σ相，其臨近區(qū)也會(huì)貧鉻，在腐蝕介質(zhì)作用下，發(fā)生晶間腐蝕。這都是金屬出現(xiàn)晶間腐蝕的原因。

  2. 晶間腐蝕的預(yù)防措施

   a. 合理選擇焊材

   奧氏體不銹鋼管焊接填充金屬應(yīng)盡量降低碳含量，選用超低碳（碳含量≤0.03%）焊絲或焊條；加入穩(wěn)定化元素，鈦、鈮等元素與碳親和力很強(qiáng)能生成穩(wěn)定的化合物，避免出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象。另外，加入能形成雙相組織的元素，如硅、鋁、鉬等，可大大提高焊縫抗晶間腐蝕能力。

   b. 選擇合適的焊接工藝

    ①. 奧氏體不銹鋼管焊縫在敏化溫度區(qū)間停留時(shí)間越長(zhǎng)，其發(fā)生晶間腐蝕的傾向越大。所以不銹鋼管焊接時(shí)，可采用焊后澆水冷卻的方式加快冷卻速度，減少在敏化溫度區(qū)間的時(shí)間，提高接頭耐腐蝕性能。 

    ②. 焊接線能量的增大，將加速奧氏體不銹鋼管晶間腐蝕。在焊接工藝上，采用小電流、大的焊接速度，短弧、多道焊等方法，減少焊接線能量，避免焊接接頭產(chǎn)生晶間腐蝕。

    ③. 采用氣體保護(hù)焊進(jìn)行奧氏體不銹鋼管焊接時(shí)，保護(hù)氣體中不能含有二氧化碳成分。因?yàn)槎趸技尤?，使焊縫增碳，不利于焊接接頭耐腐蝕性能。

  3. 焊后固溶處理

   焊后將奧氏體不銹鋼管焊接接頭加熱到1110℃左右，使碳化物充分溶解到奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使碳達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)的熱處理方式，可有效的防止焊接接頭晶間腐蝕。

三、焊接接頭熱裂紋

  1. 焊接接頭熱裂紋成因

  奧氏體不銹鋼管焊接時(shí)，焊縫和近縫區(qū)均可產(chǎn)生熱裂紋，其原因主要有四個(gè)方面：焊接應(yīng)力，金相組織，雜質(zhì)和焊件溫度過(guò)低。首先，奧氏體不銹鋼管的熱導(dǎo)率小和線脹系數(shù)大，局部加熱后，焊接接頭在冷卻過(guò)程中可形成較大的拉應(yīng)力；其次，奧氏體不銹鋼管易形成方向性強(qiáng)的柱狀晶的焊縫組織，有利于有害雜質(zhì)偏析而形成晶間液態(tài)夾層，易于產(chǎn)生熱裂紋；再次，單相奧氏體焊接接頭具有較強(qiáng)的熱裂紋敏感性。最后，一般認(rèn)為，不銹鋼管材料焊接應(yīng)該增大熔池與母材的溫度梯度，加快焊縫冷卻速度，母材溫度較低有利于保證焊接質(zhì)量，而無(wú)需采取預(yù)熱措施。其實(shí)，當(dāng)焊件母材溫度過(guò)低，奧氏體不銹鋼管的剛性極大，容易產(chǎn)生焊接裂紋。

  2. 焊接熱裂紋預(yù)防措施

  如何防止奧氏體不銹鋼管焊接熱裂紋呢？首先選用同材質(zhì)的焊接材料，應(yīng)嚴(yán)格限制填充金屬有害雜質(zhì)；采取低的焊接線能量，控制道間溫度，避免形成粗大的柱狀晶粒組織；合理安排裝配工藝和焊接順序，降低焊接應(yīng)力；當(dāng)焊接環(huán)境溫度低于0℃或焊件溫度低于-18℃時(shí)，應(yīng)將焊件焊縫兩側(cè)100mm范圍內(nèi)預(yù)熱到15℃以上再施焊，防止裂紋的產(chǎn)生。

四、結(jié)論

  奧氏體不銹鋼管是應(yīng)用最廣的不銹鋼材料，由于焊接缺陷的產(chǎn)生，在一定程度上制約了不銹鋼管的廣泛使用。針對(duì)奧氏體不銹鋼管焊接中經(jīng)常出現(xiàn)的焊接變形大，焊接接頭晶間腐蝕，焊接熱裂紋等缺陷，可通過(guò)改善焊接工藝，調(diào)整焊接材料等措施來(lái)預(yù)防和控制，從而提高奧氏體不銹鋼管道的使用壽命，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。