劉應(yīng)虎 王長健

(1.二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013;2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，四川 618000)

不銹鋼SA376與20鋼的焊接試驗及應(yīng)用

劉應(yīng)虎1王長健2

(1.二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013;2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，四川 618000)

對不銹鋼SA-376與碳鋼20鋼的焊接進行焊接工藝評定，制定了有關(guān)的焊接工藝參數(shù)，并在實際生產(chǎn)中得到了成功應(yīng)用，為核電波動管的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

不銹鋼;碳鋼;異種鋼焊接;工藝

不銹鋼核電波動管是核電產(chǎn)品的重要部件之一，其彎管的制作過程復(fù)雜而且技術(shù)含量較高。在管道彎制過程中，為了更好地控制彎曲，通常采取在不銹鋼波動管端頭焊接一段碳鋼的方案。二重集團公司在生產(chǎn)核電波動管的過程中合理地應(yīng)用了異種鋼焊接工藝方案，取得了一定的效果。

1 材料焊接性分析

SA-376等級為TP316LN的不銹鋼是核電波動管的常用材料，是美國ASME規(guī)范中的標準鋼號，屬于奧氏體316L系列不銹鋼。其組織穩(wěn)定性高，綜合性能好，有足夠的強度和良好的塑性，焊

接性也良好［1］。20鋼管符合 GB/T8163—2008，是用于輸送流體的普通厚壁無縫鋼管。通常情況下的焊接不會在熱影響區(qū)產(chǎn)生硬化組織，而且塑性較好，焊接接頭產(chǎn)生裂紋的傾向性小。這兩類鋼的主要化學(xué)成分和性能見表1。

由于這兩種金屬在化學(xué)性能、物理性能、力學(xué)性能以及金相組織等方面存在較大的差異，焊接時要注意避免不銹鋼SA-376受到污染而使焊接接頭表面硬化，導(dǎo)致焊接接頭性能變差［3］。另外，奧氏體不銹鋼按照碳含量、鉻鎳含量比，焊接工藝條件以及組織特征的不同，焊接接頭可能發(fā)生熱裂紋(凝固裂紋和失塑裂紋等)，在熱影響區(qū)易發(fā)生鉻和鉬的碳化物沉淀，降低耐腐蝕性和耐熱性;在鐵素體含量較高時，還可能出現(xiàn)475℃脆性相或者σ相脆化等現(xiàn)象［4］。

為了克服這兩類異種材料焊接時可能出現(xiàn)的問題，減小它們由于焊接性的差異給焊縫和母材質(zhì)量造成的影響，試驗人員根據(jù)異種金屬的焊接原理，同時結(jié)合異種金屬的焊接特征，在試驗中采用了預(yù)堆焊過渡層的方式，先在碳鋼側(cè)預(yù)堆焊E309L系列焊材，然后形成不銹鋼309堆焊層與不銹鋼SA-376 TP316LN材料的焊接，從而較好地實現(xiàn)了不銹鋼SA-376和20碳鋼的焊接。

表1 SA-376 TP316LN不銹鋼和20鋼管的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能［2］Table 1 Main chem ical compositions and mechanical properties of SA-376 TP316LN stainless steel and 20 steel pipe

2 焊接工藝評定及試驗分析

2.1 坡口的準備

為了模擬產(chǎn)品接頭形式，工藝人員采用管對接形式進行了試驗分析。其焊接接頭形式如圖1所示。右側(cè)為SA376 TP316LN不銹鋼，采用核電鍛件余料加工而成，加工后規(guī)格為?352 mm×38 mm，坡口角度30°;左側(cè)為20普通厚壁鋼管，其執(zhí)行標準為 GB/T8163—2008，該材料相當于ASME/ASTM標準中SA36鋼的成分和性能，將規(guī)格為?377 mm×56 mm的厚壁管加工成?352 mm×38 mm尺寸，以進行坡口對接焊。根據(jù)ASME焊接工藝評定的有關(guān)要求，采用厚度為38 mm的試件可以覆蓋較大厚度產(chǎn)品的焊接。

2.2 堆焊碳鋼側(cè)坡口邊緣

采用SMAW焊接方法對20碳鋼側(cè)坡口進行預(yù)堆焊，堆焊焊條為E309L-17，規(guī)格為?4.0 mm，其堆焊參數(shù)如表2所示。堆焊第一層時需要進行預(yù)熱以減少焊接區(qū)域的溫度差，降低焊接應(yīng)力，避免產(chǎn)生焊接裂紋，同時也可以適當減少試件的變形。在堆焊的過程中，要注意控制層間溫度，最高層間溫度不易超過150℃。堆焊時應(yīng)注意控制好第一層堆焊的稀釋率，后焊道對前一焊道的搭接量一般為1/2～2/3，通常堆焊2～3層后要求堆焊厚度達到(4～5)mm。為了確保加工后的不銹鋼堆焊層厚度達到3.5 mm以上，堆焊時要控制好堆焊面的平整度，可以采用機械加工的方法加工堆焊后的坡口面，使其坡口角度為30°;也可以采用打磨的方式來保證堆焊不銹鋼后的坡口角度，應(yīng)采用圓棒形的打磨工具打磨清除內(nèi)壁過多的焊肉，保證對接時所需要的坡口形狀。

圖1 SA376 TP316LN和20鋼管焊接坡口形式Figure 1 Groove shape of SA376 TP316LN and 20 steel pipe welding

2.3 過渡層堆焊后的消氫處理

預(yù)堆過渡層后，需要及時對工件進行300℃×2 h的焊后消氫熱處理，以消除焊縫中擴散氫對堆焊面產(chǎn)生的不良影響，防止產(chǎn)生氫致裂紋，降低冷裂紋傾向，改善接頭性能。

2.4 對接接頭焊接工藝

在20鋼管與SA-376 TP316LN鋼管組對前要對坡口及其鄰近20 mm區(qū)域的內(nèi)外表面采用機械加工打磨出金屬光澤，并用丙酮去油。采用手工氬弧焊組對點固焊，焊點數(shù)量為4～6個，沿管周長均勻分布。對接接頭根部焊如圖2所示。

施焊根部第一層焊道時，采用手工氬弧焊單面焊背面成形法。通過采取在管子正反面同時充氬氣的保護措施來有效保證根部焊縫質(zhì)量，其焊接工藝參數(shù)如表3所示。第二層、第三層填充焊仍采用手工氬弧焊，氬弧焊焊縫總厚度大于5 mm為佳。其余部分采用SMAW工藝進行焊接，選用E316L不銹鋼焊條。因為奧氏體不銹鋼焊接時變形大、容易產(chǎn)生熱裂紋，焊接時需要采取防護措施。通常施焊時弧長控制在(2～3)mm之間，直線焊不作或稍作橫向擺動，以減小熔池?zé)崃浚乐广t等有利元素的燒損。層間溫度不宜過高，控制在≤150℃，適當?shù)慕档秃附与娏?，以減小焊接過程中的熱輸入。層間若有焊渣必須使用不銹鋼絲刷或砂輪等工具清除后再焊，以防止產(chǎn)生夾渣。每層焊縫接頭應(yīng)相互錯開，焊縫收弧一定要填滿弧坑，否則可能產(chǎn)生弧坑裂紋成為腐蝕起源點。

圖2 SA376 TP316LN和20鋼管焊接接頭示意圖Figure 2 Illustration of SA376 TP316LN and 20 steel pipe welded joint

表2 20鋼管坡口預(yù)堆焊工藝參數(shù)Table 2 Pre build-up welding technical parameters of 20 steel pipe groove

表3 SA376 TP316LN和20鋼管焊接工藝參數(shù)Tab le 3 W elding technical parameters of SA376 TP316LN and 20 steel pipe

2.5 接頭性能分析

坡口對接焊完成后，按照相應(yīng)ASME標準對焊縫進行 RT、PT檢測，結(jié)果合格。然后依據(jù)ASMEⅨ卷及有關(guān)的技術(shù)條件要求對管子試件進行了破壞性試驗。

接頭拉伸試驗:對接頭的檢測表明整個焊接接頭中沒有出現(xiàn)較為明顯的硬化組織，焊接接頭的拉伸試驗表現(xiàn)出較好的性能，其斷裂位置在20鋼母材一側(cè)。兩件抗拉強度值分別為480 MPa、480 MPa，屈服強度分別為 365 MPa、360 MPa，延伸率分別為22%和23%，其數(shù)據(jù)與20鋼管母材吻合。

接頭彎曲試驗:彎曲參數(shù)a=10 mm，D=38 mm，α=180°，側(cè)彎后4件側(cè)彎試樣無裂紋。

接頭宏觀檢測:20鋼管與SA-376 TP316LN異種鋼接頭的宏觀金相照片如圖3所示，通過放大鏡觀察未發(fā)現(xiàn)任何可見缺陷。從接頭中可以清楚觀察到采用SMAW工藝預(yù)堆焊的不銹鋼309L過渡層和采用GTAW打底SMAW填充的坡口焊縫。

3 應(yīng)用

根據(jù)焊接工藝評定結(jié)果，技術(shù)人員編制了相關(guān)焊接工藝并應(yīng)用到波動管的焊接上，焊接出的波動管熱彎和冷彎性能均能夠滿足產(chǎn)品制造要求。

4 結(jié)論

(1)20鋼管與SA-376TP316LN鋼管的焊接工藝采用先在20鋼管側(cè)堆焊一層不銹鋼E309過渡層，再實現(xiàn)與SA-376 TP316LN鋼管對接焊，有效的克服了兩種異種鋼在焊接時由于焊接性的差異給焊縫質(zhì)量帶來的不利影響。

(2)20鋼管與SA-376 TP316LN鋼管對接焊時，根部焊通常采用手工氬弧焊單面焊雙面成形的方法，通過采取在管子正反面同時充氬氣的保護措施來有效地保證根部焊縫質(zhì)量。

(3)采用SMAW方法，使用E309L和E316L不銹鋼焊條在進行預(yù)堆焊和坡口焊時，應(yīng)充分考慮到奧氏體不銹鋼焊接時變形大、容易產(chǎn)生熱裂紋的特性，焊接操作時焊條采用直線焊不作或稍作橫向擺動，壓低電弧控制弧長，控制層間溫度在150℃以下，并適當降低焊接電流，以有效地保證焊縫質(zhì)量。

圖3 SA-376 TP316LN與20鋼管焊縫接頭照片F(xiàn)igure 3 Welded joint picture ofSA376 TP316LN and 20 steel pipe

［1］ASME Code，Boiler＆ Pressure Pessel Code，SectionⅡ，Part A-Ferrous Material Specifications［S］2007 Edition.

［2］GB/T8163—2008，輸送流體用無縫鋼管［S］.中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2008－08－19發(fā)布.

［3］劉中青，等編著.異種材料的焊接［M］.北京:科學(xué)出版社，1991:12.

［4］陳劍虹，周昭偉，任家烈，等.焊接手冊:第2卷材料的焊接［M］.北京:機械工業(yè)出版社出版，2001，8:807－810.

［5］劉應(yīng)虎，何鵬，葉小松，等.2.25Cr1Mo與0Cr18Ni9鋼焊接工藝研究［J］.大型鑄鍛件，2008(5).

編輯 杜 敏

Welding Test and Application of Stainless Steel SA376 and 20 Steel

Liu Yinghu，W ang Changjian

Welding procedure of stainless steel SA-376 and carbon steel20 has been estimated and relativewelding technical parameters have been established，themethod has been applied successfully in practice，which set up basis for nuclear power fluctuating pipe.

stainless steel;carbon steel;heterogeneous steel weld;technology

TG457.11

B

2013—08—20