劉金滿

摘要：本文首先介紹了奧氏體不銹鋼焊接的特點，并簡要闡明了不銹鋼管道焊接過程中采用的三種焊縫背面保護方法。本文主要探討的是不銹鋼管道焊接過程中背面焊縫以及熱影響區(qū)容易氧化變色的問題，基于原因分析對現(xiàn)有的工藝提出一定的改進措施，進而采用混合氣作為背面保護氣，同時使用纏繞有循環(huán)水的鋼管或者棉濕布對焊縫進行降溫處理，配合焊接熱輸入等工藝，解決不銹鋼焊接背面氧化的問題。

Abstract： This article first introduces the features of austenitic stainless steel welding and briefly describes the three methods of weld back protection used in the welding of stainless steel pipes. This article mainly discusses the problem of easy oxidation and discoloration of the back welding seam and the heat-affected zone during the welding of stainless steel pipes. Based on the analysis of the cause， certain improvement measures are proposed to the existing process， and then the mixed gas is used as the back protection gas， and the winding Circulating water steel pipes or cotton damp cloth are used to cool the welds and cooperate with welding heat input to solve the problem of back oxidation of stainless steel welding.

關(guān)鍵詞：不銹鋼焊接;氧化;焊縫;熱影響區(qū)

中圖分類號：TG457.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0114-02

0? 引言

大量的實踐證明，不銹鋼管具有經(jīng)久耐用的優(yōu)點，隨著成本和質(zhì)量等方面的問題的解決，其在我國各類工程建設(shè)中的推廣速度持續(xù)加快。但隨著不銹鋼產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，不銹鋼管道焊接過程中的背面保護問題逐漸引起了人們的重視。不銹鋼材料中包含的合金元素與氧具有較高的親和力，在焊接過程中若是不加保護，會導致焊縫和熱影響區(qū)出現(xiàn)氧化燒損現(xiàn)象，影響到焊接作業(yè)的整體質(zhì)量。因此有必要從工藝上做出改進調(diào)整，以解決此類問題。

1? 奧氏體不銹鋼焊接的特點

不銹鋼按其組織形態(tài)可以分為A不銹鋼、F不銹鋼、M不銹鋼和A-F雙相不銹鋼。我公司生產(chǎn)的燃氣輪機配套天然氣管道和滑油管道等使用的不銹鋼管道主要以Cr-Ni型奧氏體不銹鋼為主（如：0Cr18Ni9、00Cr19Ni10、0Cr18Ni10Ti等），我公司常用材料的化學成分見表1所示。A不銹鋼的耐蝕性優(yōu)良，具有較好的力學性能，可焊性也較好。但在具體產(chǎn)品的施焊過程中，一旦工藝使用不合理，就會在焊接接頭部位產(chǎn)生嚴重的晶間腐蝕和熱裂紋現(xiàn)象。

眾所周知，A不銹鋼的熱傳導率小、線膨脹系數(shù)大，焊接過程中易產(chǎn)生較大的變形和殘余應力。由于冷卻速度慢，致使焊縫在高溫停留時間長，從而在焊縫中容易形成粗大的柱狀晶組織，利于低熔點共晶物在晶界的形成，在熔池凝固結(jié)晶產(chǎn)生的拉應力和外界拉應力的作用下，容易產(chǎn)生焊縫凝固裂紋和熱影響區(qū)液化裂紋。

我們知道，不銹鋼具備耐蝕性的前提是鋼中Cr元素的質(zhì)量占比必須大于12%。但在焊接過程中，當焊縫熱影響區(qū)的溫度處于敏化溫度區(qū)間（450～850℃）時，在晶粒內(nèi)部碳的擴散速度大于Cr的擴散速度，多余的碳向奧氏體晶粒邊界擴散，與鉻結(jié)合，在晶界形成碳化鉻，而擴散速度慢的Cr元素卻來不及填補晶界Cr的損失，從而造成晶界的貧鉻。致使產(chǎn)品在遇到腐蝕性介質(zhì)時，貧鉻的晶界就會失去抵抗腐蝕的能力，造成晶間腐蝕，進而引起應力腐蝕開裂。

所以，我們在進行具體產(chǎn)品焊接時，務必綜合考慮不銹鋼焊接的特點，制定合理的焊接工藝，避免熱裂紋和晶間腐蝕等問題的出現(xiàn)。

2? 現(xiàn)今不銹鋼管道焊接中采用的焊縫背面保護方法介紹

目前，在不銹鋼管道焊接作業(yè)中，焊縫背面保護所采用的方法主要有三種：

①背面加襯墊法，具體操作是在焊縫背面加設(shè)襯墊以承托熔池金屬，以此實現(xiàn)對其冷卻凝固過程的控制，獲得良好的背面成形，因此也被稱作焊縫強制成形，見圖1所示。該方法的主要形式有三種，分別是銅襯墊、焊劑襯墊和焊劑—銅組合襯墊。這一方法的局限性十分明顯，特定條件下在管道內(nèi)部布設(shè)襯墊比較困難，在我公司很少使用。

②采用熔化極藥芯焊絲氣體保護焊。具有自我保護作用的藥芯焊絲將焊劑包裹在內(nèi)部，在焊接作業(yè)中，內(nèi)部焊劑經(jīng)高溫燃燒產(chǎn)生氣體和渣皮，對背面焊縫起自我保護作用，阻止氧氣和氮氣的侵入。自保護焊絲的應用優(yōu)勢在于不受管材規(guī)格、焊接位置等客觀因素的影響，但由于其表面涂層的存在，可能會給操作人員帶來一定的不適感，如果焊工操作水平較低，很容易留下焊接缺陷。

③管道焊口內(nèi)側(cè)通氣保護。我公司不銹鋼管焊接作業(yè)中采用的保護氣體主要是氬氣，屬于惰性氣體。氬氣的特點是耐高溫且不與焊縫金屬發(fā)生化學反應，因此應用較為廣泛。管道焊口內(nèi)側(cè)采用堵板封堵焊口兩側(cè)，焊口外側(cè)采用錫箔紙膠帶粘貼封堵，見圖2所示。焊接時，采用預先通氣、施焊作業(yè)、滯后通氣工藝，外側(cè)粘貼得錫箔紙邊撕除邊焊接，防止氧氣侵入，從而保證焊縫內(nèi)側(cè)不被氧化，保證打底焊縫的質(zhì)量。

3? 不銹鋼管道焊接背面氧化的原因及防止工藝的改進

不銹鋼管道在焊接過程中，其背部焊道表面和熱影響區(qū)容易出現(xiàn)氧化變色燒損的現(xiàn)象，損害不銹鋼的耐腐蝕性。為了保障不銹鋼管道的焊接接頭質(zhì)量，不損傷不銹鋼材質(zhì)原有的耐腐蝕性能，必須要對現(xiàn)有工藝進行改進，防止焊縫背面出現(xiàn)氧化燒損現(xiàn)象。在此之前，首先要對不銹鋼管道焊接中焊縫背面出現(xiàn)氧化燒損的原因進行分析，可概括為六點：①采用氬弧焊單面焊雙面成形工藝時，管道焊口內(nèi)側(cè)沒有充氬氣保護。焊把中的氬氣只能對施焊側(cè)的熔池起到保護作用，而背面沒有任何防護與空氣直接接觸，高溫的焊縫金屬與空氣中的氧發(fā)生化學反應，在背面焊縫形成氧化燒損。②雖然對管道焊縫背面充惰性氣體進行了保護，但是由于充氣方式不當，致使氬氣在官腔內(nèi)形成渦旋，很難將空氣置換徹底，這樣一旦開始焊接，未置換掉的殘余空氣中的氧氣與熔融金屬發(fā)生化學反應，導致焊道背面出現(xiàn)氧化燒損現(xiàn)象。③在進行起弧或斷弧操作時，空氣會經(jīng)由開啟的焊接坡口進入到里口，導致里口含氧量的增加，從而導致高溫焊道被氧化燒損。④在進行填充和蓋面層焊接時，因焊接電流等參數(shù)控制不當，導致焊接熱輸入過大，引起焊道背面的氧化或燒損。⑤保護氣的純度過低，未能起到對焊縫良好保護的效果。⑥不銹鋼的導熱性較差，散熱效率也偏低，焊接作業(yè)中將長時間處于高溫狀態(tài)下，尤其是焊道和熱影響區(qū)部位，被氧化燒損的幾率大幅度提高。

基于以上各種因素，想要有效防止不銹鋼管道焊接背面氧化燒損現(xiàn)象的發(fā)生，可以從以下幾個方面入手對焊接工藝進行改進：首先，針對里口保護氣中混入過多氧氣導致焊道和熱影響區(qū)被氧化燒損的問題，只需要將保護氣中的氧氣排除即可。對此，我們采用錫箔紙和堵板等材料進行封堵，向管內(nèi)充入氬氣將空氣置換出來，采用合適的充氣方式防止管內(nèi)側(cè)出現(xiàn)氣體渦旋;同時可以提高保護氣純度，如采用純度為99.99%的氬氣作為保護氣。其次，采用置換方式排出不銹鋼管內(nèi)空氣時，基于氬氣密度大于空氣的特點，應遵循低充高排的原則進行操作，并酌情增加操作時間。第三在正式開始焊接前，提前充入保護氣，同時通過燃燒的電弧將其中混入的氧氣燒除，如此就可以從源頭上降低焊道背面被氧化的風險。同時，滯后停氣可以保障焊道在斷弧后的一段時間內(nèi)仍舊處于氬氣的保護之中，直至順利冷卻。第四，在封坡口時采用具有良好密封性能的錫箔紙膠帶，防止焊接開始時空氣經(jīng)由坡口進入管道。并使用具有提前送氣、滯后停氣功能的專業(yè)焊機和高頻引弧焊槍，邊撕紙邊焊接，撕開錫箔紙的焊口部位一次焊完，避免出現(xiàn)斷弧操作。第五，焊接過程中，盡量采用小參數(shù)對稱焊接，嚴格控制層間溫度，盡可能的提高焊接速度，最大程度的減少焊接過程中的熱量輸入，防止背面焊道在高溫下出現(xiàn)氧化燒損現(xiàn)象。最后，在焊接過程中在焊縫兩側(cè)可以纏繞循環(huán)水冷卻銅管進行降溫操作，或是在焊道兩側(cè)纏繞棉濕布，這樣可以加快焊道的冷卻速度，防止氧化燒損的發(fā)生。

4? 結(jié)語

綜上所述，在不銹鋼管道焊接作業(yè)的過程中，想要有效防止焊道背面氧化燒損現(xiàn)象發(fā)生，需要對現(xiàn)有的焊接工藝進行針對性的改進。結(jié)合以往操作實踐可知，導致焊道背面氧化的原因主要集中在焊槍使用、保護氣填充方式、焊接參數(shù)使用等環(huán)節(jié)，本文針對各環(huán)節(jié)的不利因素，提出了相應的改進措施，如更換專業(yè)焊槍、更改充氣方式、提高保護氣純度、采用小參數(shù)焊接、控制層間溫度等，有效地解決了不銹鋼管道背面氧化的問題。希望可以為不銹鋼焊接工藝的改進提供一定的參考。

參考文獻：

[1]劉新海，劉新儒，丁自力，王俊峰，曹遂軍，裴先峰.不銹鋼管道焊接防止背面氧化工藝措施[J].金屬加工（熱加工），2020（01）：16-17.

[2]鄭祥超.不銹鋼背面保護劑焊接性研究[D].蘭州理工大學，2012.

[3]樊鴻杰.背面涂覆保護劑焊接奧氏體不銹鋼爐管的研究[D].蘭州理工大學，2013.