不銹鋼復(fù)合鋼管制造工藝

韓儉超

（青島武曉集團(tuán)股份有限公司，山東膠州266300）

不銹鋼復(fù)合鋼管制造工藝

韓儉超

（青島武曉集團(tuán)股份有限公司，山東膠州266300）

不銹鋼復(fù)合鋼板是一種將耐腐蝕、耐熱、耐磨的不銹鋼作為覆層，采用強(qiáng)度相對(duì)較高、塑性韌性較好的碳鋼或低合金鋼作為基層的高效金屬材料。因此，由其制作而成的不銹鋼復(fù)合鋼管以其良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和低廉的價(jià)格被廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械制造、壓力容器和石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中。但不銹鋼復(fù)合鋼管的成型和焊接工藝較復(fù)雜，結(jié)合工程實(shí)際對(duì)（25 mm+3 mm）的Q245R+304L的不銹鋼復(fù)合鋼管的成型及焊接工藝進(jìn)行探討分析。以Q245R+304L不銹鋼復(fù)合鋼管的成型和焊接工藝為例，通過(guò)分析材料的特性和焊接性，并經(jīng)工藝試驗(yàn)和焊接檢驗(yàn)，最終確定了不銹鋼復(fù)合鋼管的制造工藝。

不銹鋼復(fù)合鋼管；成型工藝；焊接工藝；過(guò)渡層；焊接檢驗(yàn)

1 材料特性和焊接性分析

Q245R+304L不銹鋼復(fù)合鋼板的覆層為304L，屬奧氏體不銹鋼；基層材料為Q245R，屬珠光體鋼，復(fù)合鋼板的化學(xué)成分如表1所示，其力學(xué)和物理性能如表2所示。由于基層碳鋼與覆層不銹鋼在化學(xué)成分、力學(xué)和物理性能方面存在較大差異，使得不銹鋼復(fù)合鋼管折彎成型和熔化焊接時(shí)會(huì)遇到較大困難。如果成型工藝控制不當(dāng)，在折彎成型的最初階段，預(yù)彎邊時(shí)會(huì)因兩種材料的結(jié)合區(qū)承受拉應(yīng)力易導(dǎo)致復(fù)合鋼板邊緣部位的兩種材料發(fā)生分離，一旦未發(fā)現(xiàn)將導(dǎo)致成型后的鋼管性能下降；同時(shí)因焊接工藝控制不當(dāng)，焊縫中容易出現(xiàn)成分偏析和其他焊接缺陷，降低焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，難以滿(mǎn)足工程結(jié)構(gòu)的使用要求。

由表1、表2可知，基層與覆層的母材化學(xué)成分、力學(xué)和物理性能存在很大差異，因此Q245R+304L不銹鋼復(fù)合板的焊接過(guò)程具有以下特點(diǎn)。

表1 Q245R+304L的化學(xué)成分％

表2 Q245R+304L的力學(xué)和物理性能

1.1 焊縫稀釋率的影響

焊接時(shí)焊縫金屬稀釋對(duì)焊縫綜合性能影響很大。焊縫成分由填充金屬成分、母材成分及其熔合比確定。一般情況下，經(jīng)熱源攪拌所形成的焊縫金屬其成分大體均勻。但由于珠光體母材Q245R的稀釋作用，往往會(huì)在焊接接頭過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生脆性馬氏體組織，而這種組織存在于焊接接頭中，在熱應(yīng)力的作用下很容易產(chǎn)生裂紋缺陷，從而導(dǎo)致接頭的性能惡化。

1.2 過(guò)渡層碳遷移形成擴(kuò)散層的影響

Cr是強(qiáng)碳化物形成元素，因此過(guò)渡層焊接時(shí)在焊接熱作用下，熔合線(xiàn)處珠光體鋼Q245R一側(cè)的碳通過(guò)焊縫邊界向奧氏體鋼焊縫一側(cè)擴(kuò)散遷移。結(jié)果在珠光體鋼一側(cè)產(chǎn)生脫碳層發(fā)生軟化，而奧氏體焊縫側(cè)形成增碳層發(fā)生硬化。導(dǎo)致焊接接頭的過(guò)渡層區(qū)域的焊縫金屬高溫持久強(qiáng)度和耐腐蝕性能下降，脆性增加，降低了接頭的承載能力。

1.3 焊接殘余應(yīng)力大

由表2可知，304L奧氏體不銹鋼熱膨脹系數(shù)比Q245R珠光體鋼大約23％，而導(dǎo)熱系數(shù)只有Q245R珠光體鋼的1/3，因此在焊接受熱時(shí)覆層的膨脹變形量較基層大。接頭冷卻時(shí)，覆層收縮變形大于基層，同時(shí)基層金屬?gòu)?qiáng)烈束縛著過(guò)渡層金屬的收縮，從而使得過(guò)渡層焊縫金屬在焊縫方向上受拉應(yīng)力作用。

為獲得優(yōu)良的焊接接頭，應(yīng)選用C含量低、Ni含量高的焊接材料用于過(guò)渡層的焊接。焊接過(guò)程嚴(yán)格控制焊接熱輸入量，即采取小電流、快速焊的焊接方法來(lái)減小焊接熔合比，并且層間溫度要求不高于60℃。

2 工藝方案

2.1 成型工藝

通常鋼管制作時(shí)普遍采取先下料開(kāi)焊接坡口，后預(yù)彎、折彎、焊接的工藝流程。而復(fù)合鋼管制作時(shí)為100％確定預(yù)彎邊后不銹鋼復(fù)合鋼板邊緣處的不銹鋼層與碳鋼層沒(méi)有發(fā)生分離，采取先下料、預(yù)彎、后開(kāi)焊接坡口并對(duì)坡口面進(jìn)行PT檢查、折彎、焊接的工藝方案。

（1）采用數(shù)控等離子切割機(jī)按工藝要求的尺寸切割下料，切割時(shí)覆層應(yīng)朝上。

（2）利用直縫焊管專(zhuān)用預(yù)彎?rùn)C(jī)對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼板的兩邊進(jìn)行預(yù)彎，預(yù)彎后使用內(nèi)圓弧樣板檢查預(yù)彎尺寸及弧度是否滿(mǎn)足鋼管的弧度要求。

（3）對(duì)預(yù)彎合格的不銹鋼復(fù)合鋼板加工焊接坡口。坡口加工應(yīng)采取機(jī)械加工的方法。對(duì)接后的坡口形式為斜X型開(kāi)槽坡口，如圖1所示。坡口加工完成后由專(zhuān)業(yè)的無(wú)損檢測(cè)人員對(duì)加工后的坡口面做PT檢查，確認(rèn)坡口面沒(méi)有缺陷存在，尤其是不銹鋼與碳鋼結(jié)合處沒(méi)有裂紋缺陷。

圖1 斜X型開(kāi)槽坡口

（4）利用折彎?rùn)C(jī)的送料機(jī)構(gòu)將待折彎的不銹鋼復(fù)合鋼板送入折彎?rùn)C(jī)的工作區(qū)域。選擇半徑比待加工鋼管內(nèi)半徑小約10～20 mm的上模具，并按不銹鋼復(fù)合鋼板厚度的8倍選擇下模具的開(kāi)口尺寸為224 mm，進(jìn)行折彎成型。

2.2 焊接工藝

2.2.1 焊接方法

考慮公司現(xiàn)有的焊接設(shè)備、生產(chǎn)效率和Q245R+ 304L復(fù)合鋼板的焊接性，在實(shí)際焊接生產(chǎn)中分別焊接基層和覆層?；鶎硬捎秒p面埋弧自動(dòng)焊，背面清根的焊接方法，既能提高焊接效率又能保證基層焊縫金屬的焊接質(zhì)量；覆層采用焊接熱輸入量較低且焊接效率遠(yuǎn)高于SMAW和GTAW的熔化極CO2氣體保護(hù)焊。同時(shí)，為了防止或減少焊接過(guò)程對(duì)焊縫金屬的稀釋作用，在基層與覆層之間增加過(guò)渡層焊縫，其焊接方法選用FCAW。Q245R+304L不銹鋼復(fù)合鋼管對(duì)接焊的焊接順序如圖2所示。

2.2.2 焊接材料

Q245R+304L不銹鋼復(fù)合鋼管的焊接過(guò)程較為復(fù)雜，其接頭金屬由基層焊縫金屬、過(guò)渡層焊縫金屬和覆層焊縫金屬三部分組成。其中基層焊縫金屬在接頭中主要承擔(dān)力學(xué)性能，覆層焊縫金屬主要起耐腐蝕的作用。因此，基層金屬的焊接材料可按強(qiáng)度匹配原則選用規(guī)格為φ4.0mm的埋弧焊絲H08A，配用熔煉型焊劑HJ431；覆層金屬的焊接材料按化學(xué)成分匹配原則選用規(guī)格為φ1.2mm的低碳型藥芯焊絲E308L。由于過(guò)渡層焊接時(shí)，不銹鋼焊縫容易被基層碳鋼稀釋?zhuān)⑶野殡S著碳的擴(kuò)散遷移，為獲得性能優(yōu)良的接頭，過(guò)渡層焊接材料選用Ni含量高的超低碳型藥芯氣保焊絲E309L，其規(guī)格為φ1.2 mm。

圖2 焊接順序示意

2.2.3 焊接工藝

為進(jìn)一步降低Q245R與304L的熔合比，保證過(guò)渡層焊縫的焊接質(zhì)量，坡口加工時(shí)在不銹鋼一面采取開(kāi)槽的方式，如圖1所示。同時(shí)還規(guī)定了基層金屬焊接后的焊縫厚度要低于Q245R與304L的結(jié)合面1～2 mm，如圖2所示。

過(guò)渡層焊接前應(yīng)打磨基層的焊縫金屬，直至露出金屬光澤，并使用丙酮、酒精將焊接區(qū)域清洗干凈。焊接時(shí)不預(yù)熱、不擺動(dòng)焊槍、小電流、快速焊接。為獲得高質(zhì)量的焊接接頭，應(yīng)保證道與道間、層與層間打磨清理干凈。過(guò)高的層間溫度會(huì)導(dǎo)致接頭過(guò)熱而影響接頭的組織和性能，焊接時(shí)要求層間溫度不高于60℃。

經(jīng)多次焊接工藝試驗(yàn)，不斷調(diào)整焊接參數(shù)以調(diào)節(jié)焊接熱輸入量，最終確定優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)

3 焊接檢驗(yàn)

為驗(yàn)證焊接接頭的質(zhì)量能夠滿(mǎn)足Q245R+304L不銹鋼復(fù)合鋼管的使用要求，同時(shí)又避免對(duì)鋼管造成破壞，采取增加產(chǎn)品焊接試板的方法隨同鋼管焊縫一起焊接。焊后對(duì)鋼管和產(chǎn)品焊接試板分別進(jìn)行X射線(xiàn)探傷檢驗(yàn)，其焊接質(zhì)量均符合JB/T4730.2標(biāo)準(zhǔn)中的I級(jí)質(zhì)量要求。

對(duì)產(chǎn)品焊接試板取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)。按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)分別制取2件全厚度拉伸試樣和4件側(cè)彎試樣。試驗(yàn)后的拉伸試樣和彎曲試樣如圖3、圖4所示，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖3 試驗(yàn)后的拉伸試樣

圖4 試驗(yàn)后的彎曲試樣

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，焊接接頭的強(qiáng)度分別為442 MPa、 450 MPa，均高于母材本身的抗拉強(qiáng)度430 MPa。觀察圖3接頭拉伸試樣的斷裂位置，發(fā)現(xiàn)T1、T2試樣的斷裂位置均遠(yuǎn)離接頭的熔合線(xiàn)。根據(jù)拉伸試驗(yàn)的合格指標(biāo)——斷在焊縫或熔合線(xiàn)以外的母材上，其抗拉強(qiáng)度不得低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的母材抗拉強(qiáng)度最低值的95％，可認(rèn)為試驗(yàn)符合要求。

觀察圖4彎曲試樣的拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)沒(méi)有任何缺陷存在，表明焊接接頭具有良好的塑性。根據(jù)彎曲試樣的合格指標(biāo)：彎曲試樣彎曲到規(guī)定的角度后，其拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)，沿任何方向不得有單條長(zhǎng)度大于3mm的開(kāi)口缺陷，即視為合格。

綜上所述，經(jīng)該焊接工藝獲得的焊接接頭質(zhì)量良好，可以滿(mǎn)足Q245R+304L不銹鋼復(fù)合鋼管對(duì)強(qiáng)度及塑性的要求。

目前公司共制作不銹鋼復(fù)合鋼管1 000余支，主要用于國(guó)內(nèi)外大型污泥處理設(shè)備的攪拌輥上，至今未發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量問(wèn)題。

[1]張文鉞.焊接冶金學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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在焊接接頭上就形成了冷裂紋。

2.3.3 建筑鋼結(jié)構(gòu)冷裂紋的防止

從應(yīng)用技術(shù)理論上講，控制冷裂紋主要是控制影響冷裂紋的三大要素，如改善接頭組織、消除一切氫的來(lái)源和盡可能降低焊接應(yīng)力。

常用措施主要是采用理論上的無(wú)氫焊接，GMAW和SMAW采用超低氫型焊條，比如大西洋的E5015（RH）型焊條（本案例也是采用超低氫焊條處理橫向裂紋）。嚴(yán)格控制焊接工藝，優(yōu)化焊接環(huán)境，焊前清潔坡口，采用預(yù)熱、控制道間溫度和后熱處理等。

研究證實(shí)，采用后熱工藝能夠大幅度降低產(chǎn)生冷裂紋的危險(xiǎn)性；高強(qiáng)鋼焊接要特別重視后熱處理工藝。采用后熱處理能有效防止冷裂紋的理論依據(jù)如下：

一次結(jié)晶結(jié)束后，熔池變?yōu)楣腆w焊縫，高溫的焊縫金屬冷卻到室溫時(shí)要經(jīng)過(guò)一系列的相變過(guò)程，這種相變過(guò)程就稱(chēng)為焊縫金屬的二次結(jié)晶。主要影響參數(shù)有t8/5、t8/3、t100等。

t8/5（t8/3）對(duì)焊縫硬度有較大影響；t8/5（t8/3）冷卻時(shí)間延長(zhǎng)，硬度值減小。

t8/5（t8/3）冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)通常會(huì)導(dǎo)致沖擊性能的減少和熱影響區(qū)沖擊脆性溫度的上升，強(qiáng)度也會(huì)降低，降低的程度取決于鋼材種類(lèi)及其化學(xué)成分。

t100越長(zhǎng)，越有利于焊縫擴(kuò)散氫的逸出，杜絕和減少延遲裂紋發(fā)生；但是t100的延長(zhǎng)必須增加預(yù)熱溫度和焊接線(xiàn)能量，然而焊接線(xiàn)能量的增加會(huì)導(dǎo)致焊縫及HAZ晶粒粗大而降低焊接接頭的綜合性能，這是一對(duì)矛盾。解決這一矛盾的方法是采用合適的預(yù)熱溫度和焊接線(xiàn)能量獲得合適的t8/5（t8/3）后，采用后熱（200℃～350℃）去氫處理工藝；既保證了焊接接頭的綜合性能，又延長(zhǎng)了t100，防止焊接接頭氫致裂紋的發(fā)生。

3 結(jié)論

高強(qiáng)鋼焊接性研究涉及面廣，技術(shù)要求較高，目前無(wú)論在理論和實(shí)際工作中，對(duì)新一代鋼種都有一個(gè)認(rèn)識(shí)過(guò)程，也就是說(shuō)設(shè)計(jì)、施工單位在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)都要進(jìn)行了解和掌握新一代鋼種的相關(guān)試驗(yàn)研究工作，特別是與新一代鋼種相配套的焊接材料的開(kāi)發(fā)研究以及目前焊接材料的配比的焊接工藝評(píng)定，這是有一定工作量、一定難度的工作。目前高強(qiáng)鋼的焊接尚有一些未知領(lǐng)域，新一代鋼種焊接性試驗(yàn)研究工作將是一項(xiàng)必須進(jìn)行的重要技術(shù)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴為志，劉景鳳，高良.建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程應(yīng)用技術(shù)及案例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.

Stainless steel compound steel pipe manufacturing technology

HAN Jianchao
（Qingdao Wuxiao Group Co.，Ltd.，Jiaozhou 266300，China）

Stainless steel composite plate is a kind of efficient metal material with corrosion resistant，heat resistant，wear resistant stainless steel as the cladding，with relatively high strength，good plasticity toughness of carbon steel or low alloy steel as the base.As a result，the stainless steel composite pipes that are made of stainless steel composite plates，with good mechanical properties，corrosion resistance and low price,are widely used in construction，machinery manufacturing，pressure vessels and petrochemical industrial production.But complicated forming and welding process of stainless steel composite pipe，combining with the engineering practice of(25 mm+3 mm)Q245R+304L stainless steel composite pipe forming and welding process are discussed in this paper.Taking Q245R+304L stainless steel compound steel pipe forming and welding technology for example，by analyzing the characteristics of material and the weldability，and through process test and welding inspection，finally determine the stainless steel compound steel pipe manufacturing process.

stainless steel composite pipe；molding process；welding process；transition layer；welding inspection

TG457.11

B

1001－2303（2016）12－0128-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.28

獻(xiàn)

韓儉超.不銹鋼復(fù)合鋼管制造工藝[J].電焊機(jī)，2016，46（12）：128-131.

2016-10-27

韓儉超（1983—），男，工程師，學(xué)士，主要從事焊接車(chē)間工藝設(shè)計(jì)及研究工作。