許　驥，王　鵬，焦德義

(海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽 蚌埠 233012)

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船用20鋼與316L不銹鋼的異種鋼管焊接工藝

許驥，王鵬，焦德義

(海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽 蚌埠 233012)

針對船用20鋼管與316L不銹鋼管的異種鋼焊接中存在的材料差異、接頭組織軟化、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，對比兩種材料的化學(xué)成分、物理性能和焊接性，提出更為可靠焊接工藝和方法。

船用20鋼；316L不銹鋼；異種鋼；焊接

近年來海軍艦船裝備迅猛發(fā)展，新型艦艇在新材料應(yīng)用、船體建造工藝等方面都取到了長足進(jìn)步，船體結(jié)構(gòu)鋼材在繼續(xù)向高性能化發(fā)展的同時(shí)，更追求低成本的經(jīng)濟(jì)性。其中，不銹鋼作為一種強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕的材料，在艦船修造特別是艦艇管系中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，也使其與碳鋼、合金鋼等異種材料的焊接逐漸增多，如船用20鋼管與316L不銹鋼管對接焊，由于材料的差異和工藝條件的限制，焊接質(zhì)量不夠穩(wěn)定。下面從兩種材料的焊接性能入手，對其焊接方法、工藝參數(shù)等進(jìn)行分析，提出質(zhì)量更可靠的焊接工藝。

1　船用20鋼與316L不銹鋼的焊接性分析

20鋼與316L不銹鋼的化學(xué)成分及物理性能分別如表1、表2所示。

表1　20鋼與316L不銹鋼的化學(xué)成分

表2　20鋼與316L不銹鋼的物理性能

由表1可見，316L不銹鋼屬于奧氏體型不銹鋼，它是在高鉻不銹鋼中添加適當(dāng)鎳而形成的[1]。該鋼含碳量為0.025%，屬超低碳不銹鋼，因而抗晶間腐蝕能力強(qiáng)，且由于鉻、鎳、鉬等合金元素含量較多，因而使金屬表面形成了一層穩(wěn)定致密、難溶耐腐的堅(jiān)固鈍化膜，將金屬基材與外界隔離，而不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具有優(yōu)良的耐腐蝕性和抗氧化性，其機(jī)械性能、加工性能及焊接性能均較好，目前在造船中得到了廣泛應(yīng)用。艦船上在一定腐蝕介質(zhì)下工作的管道，就大量采用了冷軋成型后經(jīng)固溶酸洗處理的316L不銹鋼管?？傮w來看，316L不銹鋼的焊接性能良好。但在焊接時(shí)，易產(chǎn)生以下問題。

1)應(yīng)力腐蝕開裂。316L不銹鋼屬純奧氏體型不銹鋼，導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)，焊縫在約束狀態(tài)下，焊后接頭會有較大的殘余焊接應(yīng)力。焊縫在使用過程中，與腐蝕介質(zhì)接觸的接頭表面，將首先發(fā)生電化學(xué)腐蝕，經(jīng)過一段時(shí)間后，會在金屬表面產(chǎn)生微裂紋，在裂紋端部會出現(xiàn)應(yīng)力集中，加上滲入裂紋內(nèi)部呼吸介質(zhì)的鍥入作用，將促使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，繼而又暴露出新的金屬面，造成腐蝕進(jìn)一步加劇。焊接殘余應(yīng)力還會加速這一進(jìn)程，嚴(yán)重時(shí)，將使接頭產(chǎn)生脆性斷裂。

2)熱裂紋。由于316L鋼中含有較多的鉻、鎳等合金元素，因而有較大的熱裂紋傾向。原因主要在于焊縫凝固時(shí)，鋼中的硫、磷等有害雜質(zhì)容易形成液態(tài)易溶夾層，聚積于熔池的中心區(qū)域，在焊接應(yīng)力作用下會造成開裂，冷卻后形成熱裂紋。

20鋼屬于低碳鋼中的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，含碳量較低，含錳、硅較少，材料的塑性和沖擊韌性較好，焊接性能良好，一般不會因焊接而產(chǎn)生嚴(yán)重的硬化組織和淬火組織，在焊接實(shí)施過程中不需要特殊的工藝措施[2]，可以采用各種焊接工藝方法，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件、板材、管道等的焊接生產(chǎn)。艦船的液壓管由于使用溫度和壓力都不高，而且在無腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中使用，因此大量選用正火狀態(tài)下冷拔成型并經(jīng)過熱處理的20無縫鋼管。

2　船用20鋼與316L不銹鋼焊接的主要問題

雖然20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)異種鋼焊接時(shí)，焊縫金屬的組分是由兩種不同類型的母材與填充金屬混合而成的。由于20鋼中合金元素含量較少，如果它在焊縫金屬的份額增大，將會沖淡焊縫金屬的合金質(zhì)量濃度[3]。因此在焊接時(shí)，為降低開裂傾向，保證接頭性能，一般要求母材在焊縫金屬中所占份額要小，即稀釋度小一些而且要求熔合比穩(wěn)定，而由焊接材料來主導(dǎo)和控制焊縫金屬的成分和組織，力求得到較理想的“奧氏體+鐵素體”雙相組織，避免脆硬的馬氏體組織出現(xiàn)，降低焊縫金屬受熔合比波動(dòng)的影響程度。

2)20鋼與316L不銹鋼在焊接時(shí)，熔池邊緣的金屬在液態(tài)持續(xù)時(shí)間最短，溫度也較低，流動(dòng)性較差，容易結(jié)晶成固態(tài)。特別是在20鋼一側(cè)的熔池邊緣，熔化的母材金屬與填充金屬混合不充分，將造成焊縫金屬中20鋼所占份額增大，形成一個(gè)成分梯度很大、寬度很窄的凝固過渡層(也稱熔合區(qū)，見圖1)，并產(chǎn)生一個(gè)硬度很大的馬氏體脆性層，這樣就有可能使熔合區(qū)遭到破壞，降低焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。因此要選擇合理的焊接工藝規(guī)范，使熔池邊緣金屬高溫停留時(shí)間延長，同時(shí)采用鎳基焊接材料，以減小馬氏體脆性層的寬度。

圖1　焊縫熔合區(qū)組織形貌

3)20鋼與316L不銹鋼的焊接接頭，在焊后熱處理時(shí)或高溫狀態(tài)下，熔合區(qū)附近會發(fā)生碳由20鋼側(cè)向316L不銹鋼側(cè)擴(kuò)散的情況，從而會在20鋼一側(cè)產(chǎn)生脫碳層，316L不銹鋼一側(cè)形成增碳層，且隨著加熱時(shí)間延長，擴(kuò)散層就趙來越寬。碳遷移將會使熔合區(qū)的珠光體組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體組織，進(jìn)而導(dǎo)致組織軟化，焊接接頭抗蠕變性能會大大降低。在高溫下長時(shí)間服役，會最終導(dǎo)致接頭產(chǎn)生斷裂而失效。

4)因316L不銹鋼的線膨脹系數(shù)比20鋼大，20鋼的冷卻收縮量與316L不銹鋼相比小得多，焊后的拉應(yīng)力區(qū)大幅減小，很有可能使熔合線位于壓應(yīng)力區(qū)。這種接頭若長時(shí)間處在高溫狀態(tài)，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。解決的方法是選用一個(gè)膨脹系數(shù)與20鋼相近的奧氏體焊縫成分，來改變整個(gè)焊縫的性能。

5)20鋼與316L不銹鋼焊接時(shí)，在20鋼一側(cè)的熔合線區(qū)，焊縫中聚集的較多過飽和氫難于直接析出，會向擴(kuò)散系數(shù)較大的20鋼側(cè)擴(kuò)散，進(jìn)而造成20鋼中氫的大量聚集而無法排出，以至很有可能會形成延遲裂紋。

3　船用20鋼與316L不銹鋼的焊接工藝

綜上所述，20鋼與316L不銹鋼的異種鋼焊接，要想獲得性能優(yōu)良的焊縫，就需要根據(jù)這兩種材料的焊接性能，選擇正確的焊接工藝[4]。在艦船修造過程中，20鋼與316L不銹鋼異種鋼對接焊的鋼管通徑一般在20～400 mm之間，管子壁厚在3.5～14 mm之間，這就需要根據(jù)不同的材料規(guī)格和工況條件，采用科學(xué)合理的焊接工藝，選擇合適的焊接材料、坡口形式和工藝參數(shù)。

3.1焊接方法

根據(jù)20鋼與316L不銹鋼的特性，可選用手工鎢極氬弧焊(TIG焊)、CO2氣體保護(hù)焊、焊條電弧焊和埋弧焊等焊接工藝，結(jié)合具體焊接條件，為提高焊接生產(chǎn)效率，綜合熔合比對焊接質(zhì)量的影響因素，在實(shí)施中可以根據(jù)不同的管徑，選擇不同的焊接方法[5]：小直徑管可以采用手工鎢極氬弧焊(TIG焊)；大直徑管可采用“手工鎢極氬弧焊打底焊+CO2氣體保護(hù)焊蓋面焊”的方法。

3.2焊接材料

分析20鋼與316L不銹鋼兩種材料的焊接性能，從調(diào)整焊縫的組織與性能、抑制熔合區(qū)碳的擴(kuò)散、改善接頭應(yīng)力分布、提高焊縫抗裂紋能力等角度出發(fā)[6]，針對不同的焊接工藝，選擇相應(yīng)的焊接材料：當(dāng)采用手工鎢極氳弧焊時(shí)，可以選擇綜合性能較好的ER309L焊絲；采用CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，可選擇E309LT1-1藥芯焊絲[7]。

3.3焊接坡口

為確保熔合比，使焊絲(填充金屬)與母材充分熔合，保證焊接質(zhì)量，可以根據(jù)管子直徑和管壁厚度，采用V形坡口形式，不留鈍邊，坡口間隙1.5～2.5 mm，坡口角度(60±5)°，見圖2。

圖2　坡口示意圖

3.4焊接工藝參數(shù)

焊接時(shí)，為了減少熔合比[8]，在保證焊接質(zhì)量的前提下，應(yīng)選擇小工藝參數(shù)，即采用較小的焊接電流和較快的焊接速度，對厚壁管盡可能采用多層多道焊，以縮短焊接電弧在焊縫邊緣的停留時(shí)間，減少碳遷移，增強(qiáng)接頭的耐熱性能[9]。幾種典型焊接工藝的規(guī)范參數(shù)見表3。

表3　幾種典型焊接工藝的赫爾辛基參數(shù)

3.5焊后檢驗(yàn)

焊后對20鋼與316L不銹鋼管對接焊縫進(jìn)行外觀檢測，無焊瘤、咬邊、成形不良等明顯的外部缺陷；24 h后，進(jìn)行著色探傷、射線探傷等無損檢測，無裂紋、氣孔等內(nèi)部缺陷；通過宏觀金相檢驗(yàn)和機(jī)械性能試驗(yàn)，所有檢測結(jié)果均符合質(zhì)量要求。

4　結(jié)束語

異種鋼焊接中，影響焊接質(zhì)量的因素很多，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況制訂合理的焊接工藝，才能保證焊接質(zhì)量[10]。綜合以上檢驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了20鋼與316L不銹鋼異種焊工藝的可行性，也充分說明，只要選用合適的焊接材料、采取有效的工藝措施和正確的操作方法，船用20鋼與316L不銹鋼的異種鋼焊接完全可以獲得滿意的焊接質(zhì)量。

[1] 劉政軍，徐德昆．不銹鋼焊接及質(zhì)量控制[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

[2] 周振豐，張文鉞．焊接冶金與金屬焊接性[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，1994．

[3] 武守輝，陳思杰．鋼/鋁異種金屬的焊接[J]．熱加工工藝，2012(15)：170-173．

[4] 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)：154-154，98．

[5] 韓瑜．異材焊接：1Cr18Ni9Ti與16Mn焊接工藝分析[J]．科技資訊，2010(14)：107-107．

[6] 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會．焊接手冊：第2卷[M]． 3版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

[7] 鐘文彬．碳鋼和奧氏體不銹鋼管道焊接焊材選用分析[J]．化工裝備技術(shù)，2013(6)：59-61．

[8] 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)：58-62．

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Research on Welding Process of Marine 20 Steel and 316L Stainless Steel Dissimilar Materials Pipe

XU Ji, WANG Peng, JIAO De-yi

(Bengbu Navy Petty Officer Academy, Bengbu Anhui 233012, China)

Aim at the problems of material difference, soften mechanism of welded joints, welding quality unstable in the welding process of marine 20 steel and 316L stainless steel dissimilar materials, according the analysis of the chemical composition, physical properties and welding property of the two material, a more reliable welding procedures and methods is put forward.

marine 20 steel; 316L stainless steel; dissimilar steel; welding

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.005

2015-10-15

2015-11-11

許驥(1978-)，男，學(xué)士，講師

U671.83

A

1671-7953(2016)01-0023-04

研究方向:艦船修理及監(jiān)測

E-mail:andyxu78@163.com