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摘要：不锈钢由于其具有优异的抗腐蚀能力、特殊的物理化学性能、优良的机械性能以及良好的高温性能而得到了广泛的应用，主要应用于核工业、航天、能源等领域管道及设备的制造。本文通过对各种不锈钢性能的分析和讨论，制定了不锈钢管道的焊接工艺规范，为不锈钢管道的焊接生产提供借鉴。
关键词：不锈钢管道；焊接工艺；分类；应用
不锈钢作为钢铁材料中最为复杂的一类钢，其种类繁多，在GB/T20878-2007《不锈钢和耐热钢 牌号和化学成分》中将其分为：奥氏体（A）型不锈钢、奥氏体-铁素体（A-F）型不锈钢、铁素体（F）型不锈钢、马氏体（M）型不锈钢等。由于合金成分的不同，不同种类的不锈钢在性能方面也存在很大的差异。然而，不锈钢的腐蚀，尤其是奥氏体不锈钢的晶间腐蚀是不锈钢生产制造过程中最大的障碍；另外在焊接时需要考虑薄壁件不锈钢管材的变形、氧化及热裂纹敏感性等问题。因此，在不锈钢焊接之前，有必要对各种不锈钢的成分以及相应的性能加以了解，从而选择合适的焊接方法及焊接设备，对不锈钢的焊接质量有着重要的实践指导意义。
一、不锈钢的分类及性能
不锈钢主要以不锈、耐蚀性为主要特性，且铬含量至少为10.5%，含碳量不超过1.2%，按照组织结构的不同将不锈钢分为马氏体、铁素体、奥氏体和奥氏体铁素体双相不锈钢等。
1.1.马氏体不锈钢
属于Cr-Fe基不锈钢的一种，是Cr13型不锈钢通过淬火工艺后得到的，其基体组织为马氏体组织，有磁性。由于马氏体不锈钢中碳的质量分数较高最高可达0.6%，这决定了其具有较高的强度和硬度，耐磨性较好，具有良好的机械性能。因此，马氏体不锈钢主要应用于力学性能要求较高的部件上，如弹簧、轴承、水轮机叶片等。通过淬火或低温回火工艺处理后，马氏体不锈钢的硬度会有一定提高，这类不锈钢材料主要用于制作医疗器械及刀具。
图1 马氏体不锈钢金相组织
1.2.铁素体不锈钢
与马氏体不锈钢一样，属于Cr-Fe基不锈钢，基体主要以体心立方晶体结构的铁素体为主，且铁素体不锈钢往往含有较高的铬，具有耐腐蚀性、韧性、焊接性良好的优点，并随着含铬量的增加而显著提升，同时也具有较强的抗氧化性和抗应力腐蚀的能力。相比其他不锈钢，铁素体不锈钢的热导率最高，而线膨胀系数较小，类似于普通碳钢。可用于制造耐酸性腐蚀的零件和在高温下工作的部件，在众多领域可以作为奥氏体不锈钢的替代品，从而降低了生产成本。
图2 铁素体不锈钢金相组织
1.3.奥氏体不锈钢
基体主要以面心立方晶体结构的奥氏体组织为主，含铬量约为15%～20%，含镍为8%～10%左右，无磁性，通过冷加工使其达到强化效果。奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的一类，由于具有良好的塑韧性、耐蚀、易成形及优良的可焊性而广泛应用于各行各业。其中06Cr19Ni10作为奥氏体不锈钢的一种，它的良好性能使其成为用量最大，应用范围最广的不锈钢牌号，尤其适用于制造冲压成形的部件和各种运输管道，也用于制造一些低温设备和无磁性的部件。
图3 奥氏体不锈钢金相组织
1.4.奥氏体和铁素体双相不锈钢
双相不锈钢中含有奥氏体和铁素体两种组织，兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的各种优点。与铁素体不锈钢相比，它的韧性更高、脆性转变温度降低和焊接性显著提高。与奥氏体不锈钢相比，其强度和耐应力腐蚀性能明显提高。因为双向不锈钢解决了单一组织带来的的各种问题，因此具有无可比拟的优越性，使其得到了快速的发展和应用。
二、不锈钢的焊接性分析
2.1.马氏体不锈钢焊接性
由于马氏体不锈钢在冷却时会发生奥氏体到马氏体的转变，而马氏体的硬度较高，因此马氏体不锈钢中含有淬硬组织，这样它的焊接性会变差。淬硬组织的存在导致焊接接头容易产生冷裂纹和接头发生硬化现象。虽然常见的不锈钢焊接工艺都可以焊接马氏体不锈钢，但是一般来说常用的有焊条电弧焊和熔化极气体保护焊两种方法，而氧-乙炔气焊不能用于马氏体不锈钢焊接。焊接时最好选择同质型的填充材料进行焊接，但是在焊接后粗大的铁素体和马氏体的混合物会出现在焊缝和热影响区，从而导致硬化变脆的发生。为了避免这些问题的出现，应该考虑合理的合金化，如添加微量元素来细化晶粒，降低淬硬性，同时通过焊前预热、焊后缓冷和热处理措施来改善接头的性能。
2.2.铁素体不锈钢焊接性
铁素体不锈钢的焊接性能要比马氏体不锈钢好一些，由于铁素体不锈钢线膨胀系数较小，所以能够有效避免焊接热裂纹和冷裂纹的问题。相比奥氏体不锈钢的焊接性，铁素体不锈钢焊接过程中可能会导致接头的塑性和韧性降低而发生脆化。另外，纯度不同的铁素体不锈钢所适应的焊接工艺也不同。普通纯度铁素体钢可以采用焊条、钨极氩弧焊、融化极气体保护焊等焊接方法。而对超高纯度铁素体不锈钢进行焊接时，可以选用等离子弧焊、氩弧焊、真空电子束焊等方法。
2.3.奥氏体不锈钢的焊接性
相比其他不锈钢，奥氏体不锈钢具有容易焊接的优点，大部分的焊接方法都可以用到奥氏体不锈钢的焊接，在焊接过程中很少会出现冷裂纹。但是，焊缝热裂纹敏感性程度高，接头处存在晶间腐蚀和应力腐蚀现象。其较理想的焊接方法是药芯焊丝电弧焊，这种焊接方法具有焊接接头数目少、能够连续焊接且不会发红发热等优点。
三、不锈钢管焊接工艺
笔者所从业的电子、面板领域中超纯水制备及废水处理水站建设工程中，大量的使用了不锈钢管道，材质主要以304和316L为主，等级以SCH5S和SCH10S居多，管径从DN15~DN800b不等。此类管道的焊接方法多采用钨极氩弧焊，通过上文对不锈钢的认识和各种不锈钢焊接性的分析，结合工程现场实际条件特制定不锈钢管的焊接工艺，以用于指导工业生产中不锈钢管道的焊接。
3.1.焊前准备
3.1.1下料
不锈钢材料中含有大量的铬，不能用氧¬乙炔火焰直接切割，管道工程预制和安装过程中，可以利用机械割刀或不不锈钢带锯切割；焊缝坡口加工采用专用的不锈钢磨片，水站不锈钢管道切割下料过程中禁止使用易产生残渣的等离子弧切割等热熔加工方法。
3.1.2坡口制备
为了保证管子焊缝根部单面焊双面成形，坡口制备时，如果管壁厚度大于3mm，应当开V形单面坡口，钝边0.5～1mm；壁厚小于3mm时，开I形坡口，对口时根部间隙为2～3mm。
3.1.3焊前清理
为管道焊接前管道坡口应平整、无毛刺，并且坡口两侧20～30mm范围内的油污等杂质已经清理干净，必要时可用酒精擦洗坡口面。
3.2焊接工艺
3.2.1定位焊
定位焊通常视为正式焊缝的一部分，所以定位焊时焊接材料、焊接电流、焊接线能量等焊接工艺参数必须等同于正式焊缝的焊接参数。管件的定位焊最少三处，焊缝长度约10mm，应均匀的分布在圆周方向上。对于单面V形坡口焊缝，定位焊缝应达到单面焊双面焊的成形要求。
3.2.2焊接方法
由于钨极氩弧焊热输入较小的优点，使其广泛应用于工程不锈钢焊接过程中，尤其在不锈钢管道焊接作业中，应用最为广泛。不锈钢管道焊接过程中，为了保证焊接质量，应对管内持续充入氩气进行保护，并将管子两端进行封堵。进行多层多道焊接时，应采用窄焊道、快速焊、小规范和短弧的焊接技术，防止层间温度过高而出现焊接缺陷。在焊接过程中尽量采用平焊位置，注意观察熔池的动态，发现有气孔、裂纹、未熔合、夹钨等缺陷时应及时清理，焊丝端部应处在电弧中央，不能触碰到钨极，也不能对熔池和保护气进行搅拌，以免影响焊缝质量。避免多次收弧、多次起弧，当每次中断焊接后，焊丝端部可能已被氧化，重新起弧前应去掉焊丝端部。
过程中如果遇到管壁较厚，焊接工程量较大的工程，可选择效率更高的手工电弧焊。焊前一定要将焊条在300℃下烘焙一小时，需要时把焊条装入保温桶，随用随取，防止焊条吸收水分，减少焊缝中气孔产生的概率。焊接时，首先要确保焊条与管子的角度合理，这样才能保证焊缝质量，避免气孔、夹渣等缺陷的产生。起弧后焊条应月牙形摆动，在破口两侧多停留一会，保证侧壁融合良好，中间速度稍微加快，避免焊缝中间凸起而不平整，每次停弧后要重新起弧填满弧坑，防止出现弧坑裂纹。盖面层选择小电流，电弧要稳定，焊缝才能光滑平整，焊条与工件保持2mm左右，降低金属飞溅物，如果焊条与工件距离过大，则会出现电弧不稳，飞溅严重，药皮保护效果变差，导致焊缝成形不良。
四、应用实例
笔者所参与的国家某重点项目超纯水制备站的建设工程中，用到的不锈钢材质以薄壁SUS304管道为主，管道安装量近两万米；焊接工作量大，管道焊接质量的合格与否，直接关系到工程质量的好坏。为此针对不锈钢管道的焊接，特采取如下焊接参数（见表1）。
表1 某项目SUS304管道焊接参数表
经在工程实例中的验证，该组焊接参数能很好的应用于不锈钢管道的焊接，焊缝成型良好；无未熔、氧化、咬边、气孔等焊接质量缺陷，大大提高了焊缝合格率，提高了经济效益，降低了工程成本，确保了工程质量。
五、结论
不锈钢管材的焊接要求非常严格，通过对不锈钢管焊接工艺规范的制定，在生产中选用合适的焊接工艺，可以提高不锈钢管件的焊接质量，降低焊缝中产生缺陷的概率，同时保证后期服役时焊接接头的质量。
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论文作者:谈学礼
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/30
标签：不锈钢论文; 奥氏体论文; 管道论文; 焊条论文; 马氏体论文; 裂纹论文; 焊接工艺论文; 《基层建设》2019年第11期论文;