沈根平

摘要：通過(guò)對(duì)316L不銹鋼焊接性能的分析、手工鎢極氬弧焊焊接過(guò)程的控制、焊后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)、晶間腐蝕、力學(xué)性能等項(xiàng)目的數(shù)據(jù)分析，焊接接頭的機(jī)械性能和耐腐蝕性達(dá)到了工藝要求，保證了316L不銹鋼管的焊接質(zhì)量，為廣大焊接工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼;TIG焊;工藝

Abstract： Through the analysis of 316 l stainless steel welding performance， the manual tungsten argon arc welding process control， after welding， nondestructive testing， intergranular corrosion， mechanical property data analysis of the project， such as mechanical properties and corrosion resistance of welding joint meet the technological requirements， to ensure the welding quality of 316 l stainless steel tube， provide reference for the welding workers.

Key words： austenitic stainless steel;TIG welding;process

0? 引言

316L不銹鋼耐腐蝕性能強(qiáng)、綜合力學(xué)性能優(yōu)良，是目前耐腐蝕應(yīng)用較為廣泛的不銹鋼材料之一。其耐氯化侵蝕的特點(diǎn)較好地適應(yīng)海洋環(huán)境，316L不銹鋼鉻含量大于16%以上，鎳含量在12%左右，含鉬量2%左右及含有少量的氮、鈦等元素，同時(shí)還可耐多種介質(zhì)的腐蝕。奧氏體不銹鋼材料焊接性能比較好，其焊接接頭具有較好的韌性，不足之處是容易產(chǎn)生如焊接熱裂紋、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、接頭的σ相催化等缺點(diǎn)。

1? 焊接性分析

316L不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，其具有線膨脹系數(shù)大、熱導(dǎo)率低的特點(diǎn)。一般情況下，焊接性能良好。但如果焊接過(guò)程中，焊接在高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，焊縫晶粒易長(zhǎng)大，最終形成粗大的柱狀晶組織;在凝固結(jié)晶的過(guò)程中，磷、硫、錫、鈮、銻等雜質(zhì)元素含量超標(biāo)，易形低熔點(diǎn)共晶物。焊接接頭在熱脹冷縮過(guò)程中承受較高拉應(yīng)力時(shí)，焊縫中易產(chǎn)生凝固裂紋，導(dǎo)致在熱影響區(qū)形成液化裂紋，以上現(xiàn)象都是焊接熱裂紋。因此嚴(yán)格控制316L鋼以及焊材中的易形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素，使316L奧氏體不銹鋼中產(chǎn)生4～10%的鐵素體組織，這些是防止熱裂紋產(chǎn)生較為有效的途徑。[1][2]

2? 316L不銹鋼管氬弧焊焊接試驗(yàn)

2.1 焊接基本參數(shù)

316L屬于奧氏體不銹鋼，本次試驗(yàn)以小直徑鋼管316L不銹鋼管為例，其管徑為56mm，壁厚6mm，其性能參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

在實(shí)際生產(chǎn)中，管子一般采用手工電弧焊和TIG焊。小直徑管材焊接時(shí)應(yīng)采用單面焊雙面成形工藝，如用手工電弧焊焊，管材內(nèi)壁的焊縫成形難以控制，而用TIG焊就容易多了。使用TIG焊時(shí)，應(yīng)選用與316L不銹鋼相匹配的專(zhuān)用焊接材料，試驗(yàn)選用的是ST—316L型號(hào)的TIG焊絲，其焊絲成分見(jiàn)表3。

316L不銹鋼管的焊接過(guò)程中，為了降低產(chǎn)生熱裂紋的傾向，必須嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中的熱輸入和防止高溫停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致焊縫晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大。由于熱輸入與電流、電壓和焊接速度有關(guān)，因此焊接過(guò)程中，在滿(mǎn)足焊接質(zhì)量的前提下，盡量降低焊接電流和電壓，提高焊接速度，盡可能采用多層多道焊，同時(shí)多采用直線運(yùn)條法，減少高溫停留的時(shí)間。控制道間溫度不高于80°C，其焊接工藝要求見(jiàn)下：[3][4][5]

①焊接時(shí)，為了保證焊接的穩(wěn)定性，因而采用直流電源;同時(shí)為了降低鎢棒側(cè)的溫度，減少鎢棒的燒損，因此采用直流正接DC（-）。

②焊前需將管子坡口2側(cè)打磨光滑，去污除銹，進(jìn)行2點(diǎn)定位法或者3點(diǎn)定位法;水平定位焊時(shí)，為了保證焊接試樣取樣的準(zhǔn)確性，需在6點(diǎn)處做好標(biāo)記。為了保證焊接質(zhì)量，避免飛濺，應(yīng)在坡口以外的部位引弧，焊縫表面要求光潔，徹底清除殘?jiān)?/p>

③打底焊時(shí)焊縫厚度盡量薄而均勻，不要急于加絲，一定等熔池的溫度較高，能夠也與根部熔合良好，看到根部有一個(gè)很小的熔孔，說(shuō)明焊接背面成型良好。收弧時(shí)盡量采用要衰減收弧，如焊機(jī)無(wú)此功能，焊槍在收尾處停留的時(shí)間長(zhǎng)一些，以免產(chǎn)生縮孔。如有收弧縮孔，應(yīng)用磨光機(jī)清除掉。同時(shí)必須在坡口內(nèi)引弧熄弧，熄弧時(shí)應(yīng)填滿(mǎn)弧坑，防止弧坑裂紋。

④氬弧焊焊接時(shí)，為了保證管材內(nèi)壁良好結(jié)合性能和機(jī)械性能，必須在管內(nèi)充滿(mǎn)氬氣，與保護(hù)焊縫背面的成型。焊接前2～3分鐘應(yīng)提前通氣，通氣的流量為8～12L/min，結(jié)束后滯后2～3分鐘再停氣，以保證取代管內(nèi)原有的空氣，提高焊接質(zhì)量。

⑤施焊中間?；』蚝附咏Y(jié)束時(shí)，要用衰減法熄弧。即收弧時(shí)，將焊槍輕移至坡口外，使電弧熄滅，再立即將焊槍收至收弧處，繼續(xù)送氣3～5秒，使焊接熔池在延時(shí)氣體的保護(hù)下冷卻，以防止產(chǎn)生縮孔和裂紋，焊后在自然環(huán)境下冷卻。

⑥層間溫度應(yīng)不大于80°C。由于316L不銹鋼導(dǎo)熱性強(qiáng)、淬硬傾向小，在450-850°C易產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象，可以通過(guò)急冷方式進(jìn)行降溫控制（可采用水冷）。在焊接時(shí)，焊絲直線運(yùn)絲，不作橫向擺動(dòng)，可以避免焊縫過(guò)熱。[6][7]

對(duì)管子的焊接，一般采用垂直固定焊（2G）TIG316L2G-ABS和水平固定焊（5G）TIG316L5G-ABS兩種焊接位置，而針對(duì)2種工藝，考慮到焊后取樣，要做2個(gè)拉伸，4個(gè)彎曲和晶間腐蝕試驗(yàn)等，所以每個(gè)位置應(yīng)該至少有兩根管子以保證力學(xué)性能試驗(yàn)。焊接現(xiàn)場(chǎng)工藝記錄參考圖1、圖2，表4、表5工藝參數(shù)。

2.2 焊接試驗(yàn)項(xiàng)目

焊后進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，檢查焊縫外表面和內(nèi)表面，外表面無(wú)缺陷，主要檢查焊縫的熔合度，焊縫的直線度，焊縫的高度以及咬邊現(xiàn)象，內(nèi)表面經(jīng)仔細(xì)觀察，主要檢查有沒(méi)有未焊透和內(nèi)凹的現(xiàn)象，水平固定焊仰焊部位允許小于1mm內(nèi)凹;通過(guò)進(jìn)一步的無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)PT和RT，PT主要檢測(cè)焊縫近表面的質(zhì)量，RT主要檢測(cè)焊縫內(nèi)部的質(zhì)量，其檢驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)要求較高的壓力容器和海工項(xiàng)目，焊接試樣進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。晶間腐蝕試驗(yàn)包括壓扁和彎曲兩種，對(duì)于管狀試樣，大多數(shù)采用彎曲試驗(yàn)。按不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法，試樣經(jīng)650±10°C保溫30分鐘，然后水冷，在銅-硫酸銅-硫酸試驗(yàn)中進(jìn)行16小時(shí)左右的沸騰試驗(yàn)。以試樣管壁厚度小于1mm時(shí)，壓頭直徑為1mm，當(dāng)試樣大于1mm時(shí)，壓頭直徑為5mm，焊管或者焊接件試樣經(jīng)180°彎曲后再檢驗(yàn)，用10倍放大鏡管觀察焊接試樣外表面，不銹鋼試樣無(wú)晶間腐蝕裂紋，說(shuō)明耐晶間腐蝕性能合格。

用宏觀分析的方法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，同樣沒(méi)有發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷，如發(fā)現(xiàn)缺陷，只要缺陷小于3mm，也是合格的。宏觀金相檢驗(yàn)，焊道熔合較好，無(wú)焊接曲線，焊接熔深滿(mǎn)足要求（1.2mm左右）。微觀金相檢驗(yàn)，焊接金屬為95%奧氏體+5%鐵素體組織的雙相組織，抗晶間腐蝕要求得以保證，保證了焊接的耐腐蝕性能。[8][9]

經(jīng)分析，進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)，其中力學(xué)性能取樣為拉伸2根，正反彎各2根，以及宏觀一塊。拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合ABS船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，（注：ABS船級(jí)社規(guī)范即American Bureau of Shipping（ABS）船舶規(guī)范）數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表6，結(jié)果表明兩套焊接工藝的正彎、反彎均全部合格。[10]

3? 結(jié)束語(yǔ)

在試驗(yàn)中，嚴(yán)格遵守ABS船級(jí)社規(guī)范的要求，做了拉伸、彎曲、晶間腐蝕和鐵素體含量等試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出S316L管子氬弧焊焊接工藝研究特點(diǎn)：316L不銹鋼，雖然合金元素的含量大于30%，但整體性能良好，可以用手工焊、氣保焊、氬弧焊等焊接方法進(jìn)行施焊。采用氬氣惰性氣體保護(hù)，進(jìn)行316L不銹鋼管子手工鎢極氬弧焊焊接，焊接質(zhì)量外觀成型良好、美觀，而且焊接接頭的機(jī)械性能和耐腐蝕性可充分得到保證。經(jīng)測(cè)定其抗拉強(qiáng)度在540N/mm2左右，焊接金屬為95%奧氏體+5%鐵素體組織的雙相組織，達(dá)到材料焊接后不低于母材最小值的要求。因此焊接工藝獲得ABS船級(jí)社的認(rèn)證，獲得了相關(guān)的焊接工藝評(píng)定證書(shū)以及焊工證書(shū)。

對(duì)整個(gè)焊接工藝過(guò)程和試驗(yàn)結(jié)果綜合分析后，316L不銹鋼焊接得到如下結(jié)論：由于316L屬于奧氏體不銹鋼，其本身的焊接性能優(yōu)良，一般不要采用預(yù)熱。焊接只需要把焊縫2側(cè)20-30mm范圍內(nèi)清污除銹，坡口間隙2-3mm，坡口鈍邊1mm左右。但由于316L不銹鋼的熱導(dǎo)率小，而且熱膨脹系數(shù)大，焊接過(guò)程中熱脹冷縮，容易產(chǎn)生較大的焊接變形和焊接應(yīng)力。對(duì)此，應(yīng)盡可能選用焊接能量集中的焊接方法，如鎢極氬弧焊，采用較小的焊接電流和電壓，直線運(yùn)條，采用多層多道焊;同樣的焊接電流下，由于奧氏體不銹鋼熱導(dǎo)率小，可等到比低合金鋼較大的熔深，同時(shí)又由于其電阻率大，熱裂紋敏感性大，在焊接時(shí)，與碳鋼或低合金鋼相比，更應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱輸入，控制高溫停留的時(shí)間，防止焊縫晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大與焊接熱裂紋的發(fā)生。

為提高焊縫的抗熱裂性能和耐蝕性，焊接時(shí)要注意焊接區(qū)的清潔，避免有害元素滲入焊縫，316L不銹鋼焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱。同時(shí)，為了保證耐腐蝕性，盡可能避開(kāi)450-850°C區(qū)間，可采用水強(qiáng)制性冷卻。為了防止焊縫和熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大及碳化物的析出，保證焊接接頭的塑性、韌性和耐蝕性，應(yīng)控制較低的道間溫度，一般不超過(guò)80°C。

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