不锈钢的现代焊接简介

1、不锈钢的焊接论述(合肥工业大学,合肥 230009) 吴信涛摘要：不锈钢具有耐高温、耐腐蚀、美观的表面等优点广泛应用于汽车、家电、造船以及核工业，不锈钢产业发展迅速，社会需求量不断增加，总体情况来看，国外不锈钢技术发展比国内先进，我国一些重大工程的核心零部件所用材料仍需进口，我国不锈钢的发展道路还很长。本文就不锈钢的定义、分类以及不锈钢的应用领域做了简单介绍，主要分析了不锈钢的几种焊接工艺，介绍了其优缺点，对实际生产具有一定的指导作用。一、不锈钢的定义在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，不锈钢是具有美观的表面和耐腐蚀性能好，不必经过镀色等表面处理，而发挥不锈钢所固有的表面性能,

2、使用于多方面的钢铁的一种，通常称为不锈钢。代表性能的有13铬钢，18-铬镍钢等高合金钢。从金相学角度分析，因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜，这个膜隔离开与钢内侵入的氧气起耐腐蚀的作用。为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性，钢必须含有12%以上的铬。按室温下的组织结构分类，有马氏体型、奥氏体型、铁素体和双相不锈钢；按主要化学成分分类，基本上可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大系统；按用途分则有耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐海水不锈钢等等，按耐蚀类型分可分为耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、耐晶间腐蚀不锈钢等；按功能特点分类又可分为无磁不锈钢、易切削不锈钢、低温不锈钢、高强度不锈钢等等。二、不锈钢的应用领

3、域由于不锈钢材具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中获取得广泛的应用。车辆/汽车工业：这是当前发展最快的不锈钢应用领域。采用高强度不锈钢制造车体结构可大大降低车辆自重，增强车体结构的强度，用不锈钢做车辆的面板与装饰部件可减少维护成本。此外，不锈钢还因具有抗氯离子腐蚀和耐热的优点而被由于汽车的排气系统。水工业：水在其储运过程中遭受污染的问题已为人们日益重视。大量实践证明，不锈钢是水的准备、贮存、输送、净化、再生、海水淡化等水工业最佳选材。环保工业：工业废气、垃圾和污水处理装置需采用不锈钢制造。在烟气脱硫过程中

4、，为抵御二氧化硫及氯离子、铁离子的腐蚀，在吸收塔、冷却器、泵、阀门、烟道等处需要采用双相不锈钢及高牌号奥氏体不锈钢。垃圾焚烧炉、废水处理等设施都需要采用高性能不锈钢材料制作。核工业：核电站主管道AP1000以及关键核心部件都是使用不锈钢制造，主要是利用不锈钢耐腐蚀、耐高温和抗蠕变性能等优良的综合性能。我国第一台 API000机组在2013年底在浙江三门建成并投入使用，代表着世界上第三代API000核电技术将第一次投入到核电站的实际运行中。三、不锈钢的焊接论述鉴于不锈钢应用范围不断加大，对不锈钢的焊接技术提出很大的要求。随着生产和科学技术的不断发展,金属焊接的方法种类很多,按照焊接过程的特点区分

5、,可以归纳为三大类:熔焊、压焊和钎焊。鉴于不锈钢的焊接主要采取的是熔焊的方式，下面主要讲下熔焊的概念特征。 熔焊是指在不施加压力的情况下，将待焊接处的母材金属熔化形成焊缝的焊接方法。主要包括电弧焊接和非熔化极焊接两大类别，这一焊接方法的共同特点是利用局部的热源将焊件的结合处以及填充的金属材料熔化，不施加压力相互融合，冷却后形成牢固的接头。不锈钢具有优异的耐腐蚀、耐高温和抗蠕变性能，在核电、石油化工、生物医疗等领域得到了广泛应用1。由于不锈钢的种类很多，下面以316L不锈钢的一些焊接特性为例进行论述。1、 不锈钢焊接接头性能与合金成分的关系2 在316L钢焊接性能的影响因素中，碳、硫、磷、锰等起

6、着举足轻重的作用，主要表现在六个方面:一是碳含量。当碳含量偏高时，在晶界面上易生成碳铬化合物，降低焊接接头的耐腐蚀性能;二是硅含量。当含量偏高时，硅能溶于铁素体，产生很强的抗氧化作用，严重影响到了31L6高压钢管钢的焊接性能;三是锰含量。当锰含量过高时，由于锰能置换硫化亚铁为硫化锰，同时也能调整硫化物的分布形态，有助于焊缝抗裂性的提高，因此降低了316L高压钢管的耐蚀性;四是硫、磷的含量。当硫、磷含量过高时，由于316L晶界自身的特性影响，因而在焊接过程中容易产生焊接热裂纹;五是铬含量。在焊接的过程中，当铬含量增加时，由于加热不平衡，冲击值会下降，同时在316L晶界面上产生了偏析产物，导致焊接

7、热裂纹的不断增加;六是钥含量。当钥增加时，对不锈钢的韧性会产生一定影响。2、 不锈钢管道焊接前的准备在焊接前，首先要做好准备工作，要严格遵循相关设计标准，同时还要充分结合现场实际施工方案，从而进行焊接工艺指导书的编制。同时，在施工现场要严格督促焊工和管工，积极完成焊接技术质量交底工作。3、 坡口加工和组队要求在316L高压管道的切割上，一般而言，为了使坡口尺寸能够适应焊缝透度的变化以及母材的熔合，因此通常采用机械方法。同时，综合31L6高压管道导热系数小以及热膨胀系数大等因素，坡口的角度一般为35度，同时坡口的倾角类似与U型坡口，坡口的钝边要尽可能减小。同时，为了提高焊缝焊接的质量，因此需要对

8、坡口进行渗透检测。首先，在施焊前必须要对焊缝坡口及两侧一定范围内的油污、铁锈必须要用角磨机进行清理。同时，要尽量使接焊口的内壁平齐，内壁错边量要控制在一定范围内。在焊接的过程中，为了提高接焊口组对的准确度，因此要构建组对质检停止点，从而保证己组对但未正式施焊的管段的材质、角度、尺寸等方面的合格。4、 316L不锈钢焊接的几种方法（1）钨极氩弧焊打底焊接+手工电弧焊盖面一般不锈钢的焊接是采用钨极氩弧焊做打底焊，手工电弧焊盖面工艺流程来完成的。同时，为了保障焊透及熔合条件的稳定，降低焊接线能量，因此焊接必须要选用小电流、小电压的参数。为了控制焊接线能量，在焊接工艺，可以采用短电弧、窄道焊、小摆动等

9、操作方法。在钨极氩弧焊的操作过程中，对于焊机的选择，通常都采用带高频的引弧，同时对于钨极有着严格的要求，钨极的磨成尖部直径一般为0.4mm，同时使用氩气的纯度控制在99.96%以上。同时，为了提高氩气的利用率，一般的充氩保护措施有两种:一是置换充氩。一般用于小直径管以及短管。首先将充氩堵板安装好，并把回收绳置于管外，通过充氩堵板上的开孔进行充氩，最后进行焊接。氩这种方法主要用于较大直径的管子对接焊口。一般而言，在置换充氩保护时，一般利用氩气流量计，从而进行氩气流量的调节，同时氩气的保护效果主要是依据焊缝的颜色变化状况来判断的。(2)316L不锈钢管道的免充氩气打底焊打底焊的质量直接决定了焊接接

10、头的质量。合金管道焊接时普遍采用钨极氩弧焊打底，配合管内充入氩气保护焊缝背面不被氧化，可以得到高质量的焊接接头。 但是管内充氩气也存在以下问题：氩气消耗量大；当管内的空气置换不彻底时极易导致焊接质量不稳定；充氩在某些特殊环境下实施困难，例如在高空作业或者复杂管道组焊的最后一个管口时。在涉外工程建设中，许多偏远落后的非洲国家无氩气供应，周边国家有氩气供应但价格昂贵，如果从国内长途运输，运输周期长，影响工程按时完工，同时增加了工程成本。针对这种情况，使用药芯焊丝进行小口径管道的打底焊，打底时背面无需充氩，熔渣通过熔孔流到焊缝背面保护焊缝，能够达到单面焊双面成形的效果。兰州理工大学材料科学与工程学院

11、的王晓军3老师对L不锈钢管道进行了免氩气打底的焊接试验，焊接试验分为两组：第一组使用药芯焊丝E316LT1-1 打底盖面，焊接方法为熔化极气体保护焊，保护气体为 CO2；第二组使用药芯焊丝 E316LT1-5打底，焊接方法为钨极氩弧焊，保护气体为氩气，盖面选用 E316L-16 手工焊条，焊接方法为焊条电弧焊。316L 为奥氏体不锈钢，线膨胀系数大，焊接时坡口一般取 55°±5°，打底焊焊接电流较小，钝边取2 mm。焊丝直径不同间隙随之改变，用 1.2 mm的药芯焊丝 E316LT1-1 打底时，间隙取 2 mm；用2.5 mm 的药芯焊丝 E316LT1-5 打

12、底时间隙取3 mm。 焊前清理坡口面及周围 10 mm，熔化极气体保护焊采用直流反接，钨极氩弧焊采用直流正接。焊接位置为全位置，焊前不预热，焊后不进行热处理。具体焊接工艺参数如下图所示：然后对焊接过后的接头进行了100%RT 探伤实验，对焊缝组织进行了进行分析，对试样进行了拉伸和晶间腐蚀实验，组织形貌、力学性能和晶间腐蚀都满足了要求。（3）316L不锈钢的等离子弧焊接等离子弧焊( PAW) 是普通钨极气体保护焊的一种特殊形式。等离子弧是一种高度离子化的高温电弧，由钨极产生之电弧及通过喷嘴造成的气体集中和机械压缩之联合作用而产生。其结果是在一个很小的区域内产生了一个非常集中的能量电弧 。电弧直接

13、穿透工件并形成小孔，由于表面张力的作用， 围绕在小孔周围的金属熔化，在电弧后面冷却而形成焊缝。 316L不锈钢材料现行主要焊接工艺为钨极氩弧焊、 电弧焊等，10 mm 以上厚板焊接时道次多、变形大、效率低。等离子焊一次可焊透 12 mm， 既减少了焊接道次，又降低了焊接变形， 同时提高了焊接效率。中国船舶重工集团公司第七二五研究所的徐希军4等人采用了本工艺对316L不锈钢进行了等离子弧焊接的具体研究。试验用焊接设备为法国 SAF 公 司 生 产 的NERTAMATIC300 + SP6 全自动等离子弧焊接系统。具体焊接工艺如下：机械加工 I 型坡口， 使用硬质合金电磨头清理坡口周围约 20 m

14、m 范围内氧化皮，使用丙酮擦拭去除油污、 杂质。装配时保证间 隙 1 mm， 错 边 量 1. 5 mm， 使 用H00Cr19Ni12Mo2 不锈钢焊丝点焊固定。针对 12 mm 厚 316L 不锈钢对接接头， 通过多次焊接工艺试验，摸索出各焊接参数对焊缝成形质量的影响，得到了合适的等离子弧焊工艺参数，最终确定了 12 mm 厚 316L 板等离子弧一次性焊透 + 自动 TIG 盖面焊接工艺。等离子气及焊接保护气体选用纯氩， 焊接速度 16 18 mm /min， 焊缝表面成型均匀、 光滑，无裂纹焊瘤和咬边。焊缝余高为 1. 0 1. 5 mm，正面宽 9 12 mm，反面宽 3 4 mm。

15、焊缝照片如下所示：然后对焊接后的接头进行了无损检测、低倍组织试验以及晶间腐蚀试验，组织形貌，力学性能和晶间腐蚀结果都满足要求，达到了理想的结果。（4）窄间隙焊接技术窄间隙焊接首先起源于日本，然后风靡欧美，其主要特点是采用现有的焊接技术、添加焊接材料少的I形坡口、低线能量输入、多层多道焊和全位置焊接的可能性。对比宽坡口，由于采用I形坡口，需要熔敷金属含量大幅度减少，需要热输入量也同步减少，因此在高温停留时间非常短，冷却速度也非常快，因此晶粒粗化趋势显著降低，不利的热影响区形成也不明显、有害的残余应力也明显减小，最终得到优异的组织和性能的焊接接头。高效率和高质量的窄间隙焊接在核电站制造中具有广阔的

16、应用市场，特别有利于厚度超过20mm的厚壁的焊接。已有的窄间隙焊, 可以无任何技术障碍焊接500-600mm板厚。因此，窄间隙自动焊接特别适合应用在核电站主管道的厚壁焊接上，对比焊条电弧焊，既可以实现高的焊接质量、短的焊接工期、可控制的焊接全过程等现代焊接。总之，窄间隙自动焊接在核电站制备中就有无以伦比的优点。按照焊接所采取的工艺将窄间隙焊接技术进行如下分类5：窄间隙埋弧焊、窄间隙熔化极气体保护焊、窄间隙焊条电弧焊、窄间隙激光焊、窄间隙钨极氩弧焊等。上述窄间隙焊接方法均有着自己本身的特点，也在各个工业领域里有着各自广泛的应用。窄间隙埋弧焊(NG-SAW)是电弧在焊剂层下燃烧来完成焊接的，在这过

17、程中, 焊剂可以机械保护熔池和焊缝金属，还可以与熔化金属发生冶金反应，从而影响焊缝金属的化学成分。相对于采用宽坡口的埋弧焊而言，窄间隙埋弧焊由于窄的坡口、少的熔敷金属、低的输入热量和短的焊接时间，所以焊接变形和焊接应力小，开裂倾向有所降低，从而可以实现该种焊接的低成本、高效率和高质量等特点。窄间隙激光焊接技术是利用激光的强度高、单色性好、方向性强的特点，普遍采用 CO2激光器，对材料进行激光焊接。激光加热范围精确，可用于非接触精确定位和局部加热，可实现高效率、高柔性自动化焊接，焊接后组织含有马氏体组织，硬度较高，后续还需经进一步的热处理来提高材料综合性能。但是对于激光焊接技术，因为需要具备大功

18、率的激光器，能耗和成本较高，在目前的实际生产中应用有限。窄间隙钨极氩弧焊(NG-GTAW)，焊接过程中，不产生飞溅和熔渣，电弧较为稳定，焊接缺陷较小，是焊接质量最为可靠的焊接工艺之一。窄间隙钨极氩弧焊利用氩气保护作用可以用于焊接易于氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合金等。而目前高强钢的飞速发展，也促进了 TIG 焊接工艺在窄间隙焊接技术中的应用。Tabatabaeipour 等人分别采用了窄间隙钨极氩弧焊与手工氩弧焊对 316L奥氏体不锈钢进行焊接。并采用超声检测法来检测其二者相对的组织和性能。奥氏体晶粒取向分布以及各项异性测定表明窄间隙钨极氩弧焊由于晶粒取向的原因有着较手工氩弧焊更强的各

19、项同性。而且对于前者焊接方法，与手工氩弧焊相比，回声幅度衰减更大。C.Liu 等人6采用数值分析技术对使用窄间隙焊接后的不锈钢管进行残余应力分布研究，并建立起数学模型，给出了采用窄间隙焊接后焊缝及热影响区附近的残余应力类型以及分布情况。O.H.Ibrahim 等人7则进一步研究了采用 TIG 焊接方法对奥氏体不锈钢316L 及 304L 焊接后，温度对其冲击性能的影响，由试验结果可知，随着温度下降其冲击功有明显降低，且逐渐向脆性断裂转变。综合上述文献，我们可以看出，近年来，窄间隙自动焊接技术有着广泛的研究前景，而且尤其对于不锈钢的连接领域应用更广。因此在我国核电事业的发展过程中，尤其是核管道的

20、连接与建设，将该种焊接技术应用于此，将大大减少人力和物力，提升建设效率的同时也使焊接质量有更进一步的提升。（5）埋弧焊接工艺韩书芹8等人对316L不锈钢采用了埋弧焊工艺进行焊接，试验用 316L 不锈钢板的厚度为 10 mm。 正面采用 I 形破口； 背面采用碳弧气刨进行清根后 ， 用砂轮打磨， 经着色检验结果合格后， 进行埋弧焊。选用ER316L焊丝配用SJ601焊剂，并且对焊接工艺做了评定试验，用评定合格的SAW 工艺， 对厚度分别为 6 mm 和 5 mm 的 316LMA 水解塔的纵焊缝和环焊缝进行施焊。 焊后依据 JB/T 473022005 标准进行了RT 检验， 其一次合格率为

21、100。安徽淮南石油化工机械厂的刘贤成等人对316L厚板不锈钢压力容器埋弧焊进行了研究，厚板容器常用的坡口形式是丫形坡口或双丫形坡口，他们设计为不对称的双丫形坡口，内侧坡LI小作为首焊侧，以避免焊穿，使角变形量小;外侧坡口大，作为后焊侧，使其根部焊缝形状系数值提高。如下图所示：埋弧焊所采用的工艺参数如下： 随后将该工艺用于超低碳不锈钢水解塔制造，其焊缝各项技术指标均达到GB150一89和图样设计要求。共有25道环缝，28条纵缝，拍片402张，经X光探伤一次合格率达到98%以上。焊缝成形美观，在4.5MPa压.力下进行水压试验，未发现任何泄漏现象，水压试验合格，与手弧焊相比，除工作效率与经济效益显著外，主要是焊缝内在质量的提高。四、 结论综上所述，不锈钢应用范围较广泛，比较常用的有钨极氩弧焊、埋弧焊和等离子弧焊接等，各种焊接工艺有自己的优缺点，在实际的焊接过程中，要根据现场的实际情况采取合理的焊接工艺，制定焊接质量操作要点与质量检验手册，从而提高焊接效果，保证焊接件的质量合格。参考文献：1 Jayakumar T， Mathew M D， Laha K， et al Materials develop