奧氏體不銹鋼管道焊接質量控制措施

 奧氏體不銹鋼管具有很強的化學穩(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，而且具有無磁性的特點，是一種性能十分優(yōu)良的材料，作為管道材料廣泛應用于石油化工、電力、醫(yī)療、食品等領域中。 奧氏體不銹鋼管有很多優(yōu)點，但在焊接過程中往往會出現(xiàn)一些影響材料性能的缺陷，比如產生嚴重的焊接變形、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，而且在使用過程中勢必影響使用壽命，造成安全隱患。本文在對奧氏體不銹鋼焊接過程中產生的缺陷的原因進行理論分析的基礎上，提出了減少或防止焊接缺陷產生的措施，對提高焊接質量、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，線膨脹系數比碳鋼大40%左右，隨著溫度的升高，線膨脹系數也相應的增加，熱導率約為碳鋼單的1/3，在焊接局部加熱和冷卻的條件下，焊接接頭在冷卻過程中形成較大拉應力，形成焊接接頭變形；

   b. 在實際焊接中，不銹鋼管熔池流體粘性大，焊接困難，施焊時往往需增大焊接電流，這樣焊接線能量增加容易產生焊接變形。此外，固定焊口管段長度不足，焊縫過于集中，施焊順序不當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率低、線脹系數大，為控制產生較大的焊接變形 ，應選用焊接線能量集中、快速焊接的方法，如氬弧焊、熔化極氣體保護焊。為防止過熱，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%；在實際焊接時，盡量采用細直徑焊材；在手工電弧焊時，焊接電流值宜為焊條直徑的25～35倍。

   b. 焊接時必須嚴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。焊縫道間溫度嚴格控制在100℃之內。

   c. 將管道壁厚偏差和橢圓度沿圓周對稱錯開，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均勻，盡量減小對口間隙，以減少填充金屬。在焊縫的11點和1點位置進行點焊，點焊數目可按管道公稱直徑/50來確定，點焊長度不小于10mm，厚度不小于3mm。

   d. 正式施焊時，將管道分成4個1/4圓周，對稱施焊。對于DN≥200的管道，應有2名焊工對稱焊，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理

  在焊接時，奧氏體不銹鋼管最容易產生的問題就是晶間腐蝕。奧氏體不銹鋼管會發(fā)生晶間腐蝕是由于這類鋼加熱到450℃～850℃溫度區(qū)間會發(fā)生敏化，其機理是過飽和固溶的碳向晶粒邊界擴散，與晶界附近的鉻結合形成鉻的碳化物（Cr，F(xiàn)e）23C6，并在晶界沉淀析出；由于碳比鉻的擴散速度快得多，鉻來不及從晶內補充到晶界附近，因而在晶界形成貧鉻區(qū)。當貧鉻區(qū)鉻含量低于12.5%時，在腐蝕介質作用下就會發(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)也會貧鉻，在腐蝕介質作用下，發(fā)生晶間腐蝕。這都是金屬出現(xiàn)晶間腐蝕的原因。

  2. 晶間腐蝕的預防措施

   a. 合理選擇焊材

   奧氏體不銹鋼管焊接填充金屬應盡量降低碳含量，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)間停留時間越長，其發(fā)生晶間腐蝕的傾向越大。所以不銹鋼管焊接時，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，避免焊接接頭產生晶間腐蝕。

    ③. 采用氣體保護焊進行奧氏體不銹鋼管焊接時，保護氣體中不能含有二氧化碳成分。因為二氧化碳加入，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，使碳達到過飽和狀態(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，焊縫和近縫區(qū)均可產生熱裂紋，其原因主要有四個方面：焊接應力，金相組織，雜質和焊件溫度過低。首先，奧氏體不銹鋼管的熱導率小和線脹系數大，局部加熱后，焊接接頭在冷卻過程中可形成較大的拉應力；其次，奧氏體不銹鋼管易形成方向性強的柱狀晶的焊縫組織，有利于有害雜質偏析而形成晶間液態(tài)夾層，易于產生熱裂紋；再次，單相奧氏體焊接接頭具有較強的熱裂紋敏感性。最后，一般認為，不銹鋼管材料焊接應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量，而無需采取預熱措施。其實，當焊件母材溫度過低，奧氏體不銹鋼管的剛性極大，容易產生焊接裂紋。

  2. 焊接熱裂紋預防措施

  如何防止奧氏體不銹鋼管焊接熱裂紋呢？首先選用同材質的焊接材料，應嚴格限制填充金屬有害雜質；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，降低焊接應力；當焊接環(huán)境溫度低于0℃或焊件溫度低于-18℃時，應將焊件焊縫兩側100mm范圍內預熱到15℃以上再施焊，防止裂紋的產生。

四、結論

  奧氏體不銹鋼管是應用最廣的不銹鋼材料，由于焊接缺陷的產生，在一定程度上制約了不銹鋼管的廣泛使用。針對奧氏體不銹鋼管焊接中經常出現(xiàn)的焊接變形大，焊接接頭晶間腐蝕，焊接熱裂紋等缺陷，可通過改善焊接工藝，調整焊接材料等措施來預防和控制，從而提高奧氏體不銹鋼管道的使用壽命，具有重要的經濟意義。