奥氏体不锈钢中径管焊接工艺
摘要: 本文主要介绍SA213-TP304奥氏体耐热不锈钢中径管Ø159×7mm在焊接过程中存在的应力腐蚀开裂，焊缝成形不良所形成的缺陷和它们形成的主要原因,再根据焊接工艺评定，焊接工艺措施与实际应用中的效果,采纳的一些方法和措施。
关键词： 奥氏体不锈钢；焊接缺陷；解决方法
中图分类号：TG156.92;TG142.71 文献标志码：A
前言：在检修焊接过程中经常遇到SA213-TP304奥氏体不锈钢的材料。SA213-TP304奥氏体不锈钢是美国试验材料协会标准（ASTM）用钢。主要用于锅炉过热器、再热器、化学补水管道等部件。在实际焊接工作过程中，发现焊缝根部易出现类似于未焊透的根部缺陷，这种所谓的未焊透实际上是合金元素的氧化、烧损造成的，在焊缝根部位置处，可发现有起皮问题，于此同时，金属组织表面具备松疏性特征。实际焊接环节，焊丝与母材熔合得比较困难。焊缝易有明显的如焊丝头状的夹渣物存在。本文具体分析了奥氏体不锈钢的焊接性能，改进了焊接工艺，焊后对焊缝进行外观检查没有发现裂纹、根部烧损、气孔，夹渣等缺陷。经历多次采用本方法施焊SA213-TP304钢外观质量取得了良好的效果。
1 奥氏体耐热不锈钢焊接时存在的主要问题
SA213-TP304奥氏体耐热不锈钢的主要化学成分见表1。
表1奥氏体不锈钢的化学成分%
钢 号 Cr C Ni P Si S Mn
SA213-TP304 18.00-20.00 ≤0.08 8.00-11.00 ≤0.045 ≤1.00 ≤0.030 ≤2.00
1.1 有产生焊接热裂纹的倾向
由于奥氏体不锈钢导热性差，其电阻率是低碳钢的4倍；线膨胀系数大，约是低碳钢的2倍，这种情况下，当焊接局部发生冷却及加热情况时，会造成焊缝结晶，最终在较大拉应力的作用下，形成裂纹；此类型材质中会还有较多杂质，如硫、磷以及镍等，这些杂质元素在熔池中会产生新的共晶体，故含Ni量越高，则越容易产生热裂纹问题；这一类型的材质固相线及液相线通常存在较大的距离，不容易结晶，同时奥氏体结晶由于存在较强的枝晶方向性，因此会存在较严重的杂质偏析问题。以上原因的存在，使得奥氏体不锈钢容易产生裂纹。
1.2 晶间腐蚀及475℃脆性
奥氏体不锈钢众多破坏形式中，晶间腐蚀是极其危险的一种，它的特点是沿晶界开始腐蚀，从表面上看一般不容易发现，但它使受力管道焊接接头的机械性能显著下降，并且容易发生早期破坏，根据“碳化物析出，造成晶间贫铬理论，在450—850℃（范围内C和Cr易在奥氏体晶粒边界产生碳化铬，使得晶粒边界局部贫铬，晶界处的铬下降到12%以下，使得耐腐蚀性下降。此外，如奥氏体不锈钢焊缝长时间处于450～850℃环境状态下，很容易形成硬脆(HRC﹥60)金属间化合物。因为这种化合物的存在，阻断了晶间的联系，大大降低了该位置处的韧性以及塑性，同时抗晶间腐蚀性能也有所下降，也即475℃脆性。
1.3 焊缝成形不良产生原因
焊接过程中，焊缝中会存在较多的合金元素，降低了熔池的流动性，这是焊缝成形不良主要原因。这种情况下，根部位置处盖面焊道表面较为粗糙并且焊道的背面位置也成形较差。常温以及高温工况下，这一问题不会对焊缝性能产生明显的影响，不过在低温工况下，会出现应力集中问题，严重影响了焊缝性能质量。
1.4应力腐蚀开裂
产生该类型裂缝的主要原因为：特定腐蚀环境下，焊接接头受到拉伸应力影响进而出现开裂问题。应力腐蚀开裂主要发生位置是焊接接头位置，因此是较为严重的一种失效形式，具体表现形式为脆性破坏，不会发生塑性变形现象。
2 奥氏体不锈钢的焊接工艺要点
SA213-TP304奥氏体耐热不锈钢的焊接要比珠光体耐热钢(12Cr1MoV)等钢的焊接复杂得多，这是因为焊接时不仅考虑焊接接头的一般强度问题，而且还要考虑焊接接头需具有的特殊性能，主要是抗晶间腐蚀能力，高温强度，以及抗氧化性能等。同时还要注意防止焊接过程中出现4750脆性。这些因素给SA213-TP304焊接带来一定的困难。
2.1 正确选择焊接材料
根据奥氏体不锈钢焊接的主要问题，需要正确选择焊接材料，可以选择超低碳焊丝或者焊条，主要是由于晶间腐蚀会随着含碳量的升高而增大，因此，通过降低焊缝含碳量可有效防止晶间腐蚀问题的发生，可在一定程度上提升焊缝耐晶间腐蚀能力。当奥氏体中溶解的碳≤0．03％时，不会产生碳化铬，因此，通常会保证焊丝碳的含量不超过0.04%，这也是超低碳的关键标准。在超低碳焊丝的良好应用下，有效控制了贫铬问题的发生，并且为对敏化温度区间范围进行控制，使用钨极氩弧焊打底，自然就提高了焊缝抗晶间腐蚀的能力。
2.2 焊接注意事项
根据上述不锈钢的焊接特点，为保证接头的质量，防止焊缝成形不良，应力腐蚀开裂，焊接工艺如下：
焊前准备。清除各种污染，尽可能降低焊缝金属增碳现象的出现。焊接工作开展前，选择酒精或者丙酮去除焊接区及破口位置出的油及水，注意不可应用碳钢钢丝。利用砂轮等工具进行除锈及清渣操作，避免强制组装，必须采用合理的成形加工和组装工艺，合理选择焊材，使焊缝与母材应有良好的匹配。
第二，选择小的线能量，同种条件下，会减少10%至20%的焊接电流。
第三，实际焊接环节，需要将焊件层间温度控制在150℃以下。焊接不锈钢厚板过程中，可利用压缩空气吹焊缝表面，或者采取焊缝背面喷水的方式，达到加快冷却的目的，不过需要做好层间清理工作，以免对焊接区产生污染。
第四，选择窄焊道技术进行焊接操作，焊接环节将焊丝固定住，确保融合质量的同时，提升焊接速度。
第五，除了以上的注意事项，还应着重注意以下内容：最后焊接接触介质的焊缝；避免飞溅；为防止接头背面氧化同时保证良好成形，应对接头背面加氩气保护；焊缝表面应光洁无杂质，不能存有残渣；焊缝交接处应错开；不可随意打弧；工件上的焊接电缆卡头要卡紧；应保证焊缝根部焊透。
3 具体焊接工艺参数与方法
对接焊选择的焊接方法为手工钨极氩弧焊打底，手工电弧焊盖面。因为根部采用手工钨极氩弧焊比手工电弧焊打底质量好，效率高，变形小的优点。此外氩弧焊保护效果好合金过渡系数高，焊缝成分均匀而且稳定。
3.1 焊前准备
（1）采用奥氏体不锈钢专用焊丝H0Cr19Ni9Ti（规格ø2.5mm）氩气纯度为99.99%，直流正接电源。
（2）氩弧焊焊接场地需要做好防风、防雨雪等工作，以确保氩气保护效果。
（3）检查氩气流量计橡胶皮管有无损坏，焊件在组装前，需要保持焊口表面及两侧一定范围内的清洁干净，去除其中杂质。
3.2 背面充氩保护
SA213-TP304钢在手工钨极氩弧焊打底时，应进行焊缝背面充氩保护，确保背面成形良好，避免氧化、烧损问题的出现。充氩保护时，焊缝内壁采用可溶纸等粘贴在坡口两侧距离200～300mm的管子内，使之形成小的气塞，堵住空气的流动。然后在该小气室内进行充氩，这样有利于保护焊缝根部和节约氩气，最好采用ø3～ø5mm的微细不锈钢管固定在氩气皮管的输出接头上。将不锈钢管砸扁但不能堵塞，在两边缘磨成几个缺口，使氩气分布均匀（图1）。
图1 充氩保护装配示意图
然后将细微管通过焊缝的对口间隙伸进去打开氩气开关，将氩气流量调到15-20L/min对焊缝根部进行充氩保护（图2）。
图2 充氩保护示意图
3.3 定位焊
SA213-TP304奥氏体不锈耐热钢的导热系数小，而膨胀系数大，在自然状态下焊接时易产生焊接变形，如在焊接时定位不牢固，就可能因焊接变形而导致坡口间隙缩小严重时，甚至没有间隙就会造成管口焊接时经常出现未焊透的一个主要原因。因此，在定位焊时不能按照常规点焊两点，应该沿管子四周均匀点焊4点，各点长度保持在5～10mm范围内，通过这样的方式才不会使对口间隙变小。
3.4 焊接过程快速冷却
为避免SA213-TP304钢在焊接过程中可能发生475℃脆性而产生裂纹。焊后或焊接环节可直接浇水或用湿毛巾进行冷却，由于奥氏体不锈钢冷却环节不会存在马氏体相变，因此，不会出现淬硬组织。
3.5 填丝方式
氩弧焊打底时，焊丝填加最好选用断续加丝法。电焊盖面时最好选用连弧焊，小线能量，小电流，小摆动，快速焊，焊条选用E347-16（A132）。见表2
表2 SA213-TP304母材与焊材成分对照表
3.6 焊接工艺参数
实际焊接过程中涉及到的焊接工艺参数如表3所示。
表3 焊接工艺参数表
4 操作技巧
（1）焊接过程中焊丝不能与钨极接触或直接深入电弧的弧柱区，否则造成焊缝夹钨和破坏电弧稳定燃烧，焊丝端部不得抽离保护区，以避免氧化，影响质量。
（2）填丝环节，不可扰乱氩气气流，并且在停弧时还要通过氩气保护熔池，从而避免焊缝发生氧化。焊后半圈时，电弧熔化前半圈仰焊部位，待出现熔孔时给送焊丝，前两滴可以多给点焊丝，避免接头内凹，然后按正常焊接。
（3）焊到12点收尾处，暂停给丝，用电弧把斜坡处熔化成熔孔，收口后再将电弧后移加丝焊接，保证焊缝的宽窄差和高低差。注意焊到后半圈剩一小半时，需要减小内部保护气体流量，具体数值是3 L/min即可，起到防止气口或使焊缝形成内凹的作用。
（4）焊条电弧焊焊接时采用小线能量，小电流快速焊。焊条不可出现横向摆动现象，焊道不宜过宽，应尽可能的降低宽度，保持在焊条直径3倍宽度之下。相同条件下，与低碳钢焊条相比应降低20%左右的焊接电流值，通常保持在焊条的25~30倍之间即可。小线能量应用下，会有较快的冷却速度，不会在敏化温度区停留较长时间，可起到防止晶间腐蚀的作用；由于小线能量热输入小，并且焊接应力也较小，会有效防止热裂纹以及应力腐蚀问题的发生。此外，因为焊接电流较小，会防止焊条药皮开裂，也会避免焊条药皮发红问题的出现。
（5）焊接层间用机械清理，打磨出金属光泽。收弧采用断续收弧，以防止产生弧坑裂纹及缩孔。焊后可应用强制冷却的方法，从而有效缩短敏化温度区停留时间，最终避免晶间腐蚀问题的出现。
（6）实际焊接过程中，不可进行后热以及预热技术手段，不可降低焊后冷却温度。若焊接处理涉及多层多道，应注意保证各层道间温度不超过150℃。
5 结论
本文主要讲述了SA213-TP304奥氏体耐热不锈钢在实际工作焊接时有产生热裂纹、晶间腐蚀和475℃脆性、应力腐蚀开裂、焊缝成形不良、根部烧损、气孔、夹渣等缺陷。通过合理选择焊材采取合适的焊接工艺，合理定制成形加工和组装工艺，焊缝的背面充氩保护，焊口及母材内外壁清理干净，采用较小的焊接线能量进行快速焊接，基本解决了上述的焊接过程中出现的问题。本套工艺在多个项目中应用取得了良好满意的效果。
参考文献
[1]葛兆祥.焊接工艺及原理[M].北京：中国电力出版社,1997.
[2]钱昌黔.耐热钢焊接[M].北京：水利电力出版社,1988.
[3]焊接工艺评定规程：DL/T868—2004[S].
作者简介：祝春兰（1977—），女，本科，江苏海安人，高级实习指导教师，主要从事焊接理论教学工作。
