尚才眾

（河北海乾威鋼管有限公司，河北 滄州 061300）

隨著碳鋼/不銹鋼復(fù)合板生產(chǎn)工藝的日臻成熟，其價格日趨合理，這使得綜合性能優(yōu)異、性價比突出的復(fù)合焊接鋼管的批量化生產(chǎn)成為可能。本文以焊接科學(xué)基礎(chǔ)為依據(jù)，結(jié)合某公司在JCO生產(chǎn)線上生產(chǎn)直縫復(fù)合管的實際情況，探討了直縫復(fù)合管焊接的核心問題，分析了其生產(chǎn)中的兩類現(xiàn)象，以及影響其耐腐蝕性能的4個因素。

1 復(fù)合管焊接概論

碳鋼/不銹鋼復(fù)合管既具不銹鋼的耐腐蝕性能，又兼?zhèn)涮间摰膹姸龋?-3］。復(fù)合管焊接的特殊之處在于既要處理好常規(guī)焊接鋼管焊接接頭的力學(xué)性能問題，又要保證復(fù)合管的耐腐蝕性能，并努力克服復(fù)合材料異種金屬焊接的排斥性。

復(fù)合管焊接的核心問題是保證管材的耐腐蝕性能，在生產(chǎn)過程中有兩類現(xiàn)象需要重視。

（1）物理現(xiàn)象：過渡層、復(fù)層焊接時，過渡層焊縫金屬受到基層母材或復(fù)層焊縫金屬受到過渡層的熔入而引發(fā)化學(xué)成分降低的稀釋現(xiàn)象。當(dāng)復(fù)層鉻含量降低到鈍化所需的極限（鉻當(dāng)量Creq=12.5%）以下時，不銹鋼的耐蝕性趨于臨界邊緣。

（2）化學(xué)現(xiàn)象：焊接熱循環(huán)達到敏化溫度，碳、鉻親和反應(yīng)，晶間腐蝕使焊縫接頭喪失耐蝕能力。

影響直縫復(fù)合管耐腐蝕性能的4個因素分析如下。

（1） 過渡層。

為防止基層成分對復(fù)層焊縫金屬的不利影響，預(yù)先在基層焊縫金屬表面熔敷一層規(guī)定成分的金屬層，該過程稱為過渡層焊接［4］。過渡層焊接完全是工藝的需要，目的是降低基層金屬對復(fù)層焊縫金屬的稀釋而增設(shè)的一道“防火墻”。過渡層介乎于基層碳鋼和復(fù)層不銹鋼之間，主要起隔離稀釋作用；此外，過渡層還應(yīng)該具有良好的塑性、韌性吸收性，并緩沖應(yīng)力對兩金屬交界面的破壞作用。不銹鋼復(fù)合鋼板焊接的關(guān)鍵工序是復(fù)層與基層交接部位的焊接，也就是過渡層的焊接［5］。

（2）熔合比和稀釋率。

焊接時，被熔化的母材部分在焊縫金屬中所占的比例稱為熔合比，而稀釋率一般用熔合比來表達［6］。在復(fù)合管焊接中，通過控制熔合比達到降低稀釋率的目的。復(fù)合管母材與填充金屬成分差別較大，母材的熔入必然稀釋焊縫金屬的合金含量。這種稀釋作用造成焊縫的奧氏體形成元素（Ni、C、N、Mn）含量不足，使焊縫可能出現(xiàn)奧氏體+馬氏體雙相組織，從而惡化接頭質(zhì)量，甚至引起焊接裂紋。熔合比與焊接接頭形式、焊接工藝密切相關(guān)。

（3）晶間腐蝕和貧鉻。

焊接奧氏體不銹鋼時，可能會產(chǎn)生焊縫晶間腐蝕、熔合區(qū)“刀蝕”和熱影響區(qū)敏化區(qū)腐蝕。奧氏體產(chǎn)生晶間腐蝕的原因可以用“貧鉻理論”來解釋［7］。在727℃的純鐵中，碳在γ相中的溶解度是α相的40倍，不銹鋼中的奧氏體晶粒對碳溶解性極強；復(fù)合管焊接電弧加熱到450~850℃會發(fā)生敏化，出現(xiàn)碳鋼一側(cè)的碳元素通過界面向不銹鋼焊縫中發(fā)生遷移的現(xiàn)象，在焊縫中的α/γ邊界析出M23C6相、發(fā)生“貧鉻”現(xiàn)象，危害焊接接頭。

因此，焊接奧氏體不銹鋼復(fù)合管時應(yīng)先焊接基層和過渡層，避免不銹鋼焊縫以及母材多次受到熱影響，并注意控制層間溫度不高于100℃［8］。

（4） δ鐵素體。

焊接碳鋼/不銹鋼復(fù)合管的復(fù)層（不銹鋼）時，可能會出現(xiàn)晶間腐蝕和熱裂紋［9］。δ鐵素體是焊縫金屬在一次結(jié)晶過程中生成并保留至常溫的，含碳量很低，塑性和韌性極佳。δ鐵素體對S、P、Si、Nb等元素溶解度較大，可以防止這些元素偏析和形成低熔點共晶，阻止凝固裂紋。因此，奧氏體不銹鋼焊縫中常常需要形成一定數(shù)量δ鐵素體，以防止焊縫產(chǎn)生凝固裂紋［10］。

δ鐵素體散布呈小坑狀存在于奧氏體晶粒之間。晶格取向自由、成大角度晶界分布，削弱奧氏體柱狀晶和樹枝晶的方向性，隔斷奧氏體晶界連續(xù)網(wǎng)狀碳化鉻析出，防止晶間腐蝕。

2 直縫復(fù)合管焊接工藝

河北海乾威鋼管有限公司（簡稱河北海乾威）采用山東鮑德金屬復(fù)合板有限公司生產(chǎn)的熱軋R1鋼板（L245/S30403復(fù)合板）。L245/S30403復(fù)合板在高度真空條件下軋制而成，軋制中兩種金屬擴散實現(xiàn)完全的冶金結(jié)合，其剪切強度為313 MPa，在JCO冷彎成型時不發(fā)生分層開裂、焊接熱影響區(qū)開裂。L245/S30403復(fù)合板的物理性能見表1。

表1 L245/S30403復(fù)合板的物理性能

從表1可以看出：復(fù)層奧氏體不銹鋼S30403較基層碳鋼L245合金元素含量高，物理性能相差較大。

2.1 焊接方法

不銹鋼復(fù)合管導(dǎo)熱系數(shù)小，焊接時高溫停留時間不宜過長；過渡層焊接需要控制熔合比，適合小電流、高焊接速度的焊接方法。TIG（非熔化極惰性氣體保護焊）焊接采用氬氣作為保護氣體，氬氣的電離勢高、弧穩(wěn)性好，焊接電流在10~500 A內(nèi)電弧穩(wěn)定燃燒，低熱量輸入、低熱影響區(qū)、低熱變形、低沖淡；TIG焊接時，高頻振動的焊絲對熔池的攪拌功能可以改善熔敷性能，使熔池產(chǎn)生裹挾的氣體、有助雜質(zhì)逃逸。TIG焊接方法可以滿足不銹鋼直縫復(fù)合管的焊接要求。

（1）使用Φ3.2 mm鈰鎢極，尖端角度30°~50°，鎢極針尖前端應(yīng)該磨出0.5~1.0 mm的平臺，以減緩電極熔化損失，穩(wěn)定焊接。鎢極針尖角度對焊縫熔池有影響，減小針尖角度會增加弧柱的錐角，導(dǎo)致焊縫熔深減小，熔寬增大；反之亦然。焊接時焊絲應(yīng)通過鎢極針中心線，針尖與焊絲的距離在2~3 mm為宜。TIG焊焊槍、焊絲、工件位置如圖1所示。

（2）焊接速度為40~50 cm/min時，保護氣體流量15~40 L/min。假如焊道表面無金屬光澤，呈灰黑色，說明氬氣流量小或純度不足。

圖1 TIG焊焊槍、焊絲、工件位置示意

2.2 焊材遴選

（1）基層焊材采用與基管等強度匹配的原則。復(fù)層焊縫金屬面臨基層、過渡層的稀釋侵害，復(fù)層焊材應(yīng)采用提高級別匹配的模式；過渡層焊材選擇原則上采取與復(fù)層焊材通用的方針。擬選擇CHM-308L或CHM-309L作為TIG焊接用焊絲。L245/S30403直縫復(fù)合管母材和遴選焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）見表2。

表2 L245/S30403直縫復(fù)合管母材和遴選焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

圖2 舍費勒（Schaeffier）組織圖

（2）避免在過渡層、復(fù)層焊縫處形成單相奧氏體組織，焊縫組織應(yīng)為γ+δ雙相組織。適量的δ鐵素體可以減少熱裂紋的產(chǎn)生［7］，防止晶間腐蝕，提高耐腐蝕性能。借助舍費勒（Schaeffier）組織圖并結(jié)合熔合比，推算δ鐵素體的含量和預(yù)測焊縫金屬的抗熱裂紋性能。舍費勒（Schaeffier）組織圖如圖2所示。

基層L245碳鋼的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量（L點）為：Creq=0.315%，Nieq=5.110%。復(fù)層S30403不銹鋼的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量（H點）為：Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb（%）=19.585%，Nieq=Ni+30C+0.5Mn（%）=11.760%。CHM-308L焊絲的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量（P點）為：Creq=20.230%，Nieq=11.460%。CHM-309L焊絲的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量（Q點）為：Creq=24.130%；Nieq=14.145%。

從圖2可以看出：假如選擇CHM-308L焊絲，熔合比在28%以內(nèi)時，可以得到0~8%（體積分數(shù)）的δ鐵素體；假如選擇CHM-309L焊絲，熔合比在40%以內(nèi)時，可以得到0~10%（體積分數(shù)）的δ鐵素體。顯然CHM-309L焊絲的適應(yīng)范圍更廣一些，否則超出范圍焊縫金屬就會產(chǎn)生脆硬馬氏體組織及熱裂紋，CHM-309L對δ鐵素體和稀釋率救濟的意義更大。

因此，選用四川大西洋焊接材料股份公司的CHM-309L焊絲，規(guī)格為Φ1.2mm、Φ1.6 mm。

2.3 焊接坡口

復(fù)合管的焊接坡口形式復(fù)雜多樣，目前國內(nèi)各生產(chǎn)廠家對其還沒有形成統(tǒng)一的認識。文獻［11］認為：復(fù)合管的坡口設(shè)計既要考慮滿足焊接接頭性能的要求，又要顧及自身生產(chǎn)線坡口的制備方法及焊接方法的工藝要求；理論上再完美的坡口形式，若加工困難或加工成本太高都是不可取的。

河北海乾威生產(chǎn) Φ508 mm×（8+2）mm×6 000 mm、L245/S30403直縫復(fù)合管時，其焊接坡口如圖3所示。其中，內(nèi)坡口銑邊角度80°、高度5 mm，內(nèi)坡口容積大有利于改善焊接接頭性能。坡口角度較大，減少了根部母材，使熔合比降低［12］。5 mm的內(nèi)焊坡口深度達到了鋼板厚度的1/2，目的是減小焊接熱循環(huán)對不銹鋼母材的影響。復(fù)層一側(cè)的坡口深度還要考慮TIG焊接的熔敷和熔深。2 mm鈍邊既是為方便銑邊設(shè)備加工，又給GMAW（熔化極氣體保護焊）定位焊單面焊接雙面成型和基層埋弧焊提供基礎(chǔ)。

圖3 L245/S30403直縫復(fù)合管焊接坡口示意

2.4 焊接參數(shù)

為控制熔合比降低稀釋率，過渡層焊接應(yīng)盡可能少的熔化基板，直流正接小電流、高焊接速度、小焊接熱輸入［5］，并采用小直徑焊絲。過渡層焊縫金屬必須完全覆蓋基層金屬，其厚度應(yīng)控制在2/3 mm［8］，保持內(nèi)坡口清潔，防止定位焊熔透焊道造成的污染。L245/S30403直縫復(fù)合管焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 L245/S30403直縫復(fù)合管焊接工藝參數(shù)

2.5 化學(xué)成分分布

利用光譜儀對 Φ508 mm×（8+2）mm×6 000 mm、L245/S30403直縫復(fù)合管焊縫中心的鉻、鎳元素含量進行點分析（小探頭多樣塊組合），復(fù)層-過渡層焊縫中心化學(xué)成分分布如圖4所示。由于CHM-309L焊絲的填充，復(fù)層（含余高）在焊縫中心線高度方向3 mm以內(nèi)鉻、鎳含量較高，超過S30403母材（圖4中虛線表示母材鉻或鎳元素的含量）；高度超過4.5 mm，在過渡層和基層熔合區(qū)附近鉻、鎳含量急劇下降，其成分相當(dāng)于低合金鋼的，直至微量。鉻、鎳含量在整個過渡層較高，平均值接近母材的，為復(fù)層焊接創(chuàng)造了良好的條件。

2.6 顯微組織

L245/S30403直縫復(fù)合管焊縫宏觀形貌如圖5所示，直縫復(fù)合管顯微組織如圖6所示。

從圖6可以看出：碳鋼母材未受熱影響區(qū)影響，組織為帶狀分布的細晶粒鐵素體和珠光體，晶粒度在7級以上（圖6a）；基層焊縫組織為鐵素體（為主）+貝氏體+再結(jié)晶珠光體，而鐵素體沿不發(fā)達柱狀晶分布（圖6b）。在圖6（c）中，基層、碳鋼母材熔合線附近，左側(cè)為條狀、顆粒狀的鐵素體和細碎的珠光體組織，右側(cè)過熱區(qū)組織由塊狀鐵素體以及貝氏體、珠光體多種晶粒組成。基層金屬的稀釋使過渡層焊縫組織變化復(fù)雜（圖6d）。過渡層、基層熔合線附近形成了以奧氏體為基體，鉻的碳化物和類馬氏體組織組成的凝固過渡層；鄰近復(fù)層的區(qū)域奧氏體組織逐漸純凈起來［13］。過渡層、復(fù)層熔合線附近，異種鋼焊接組織正常、無明顯碳化物析出的增碳帶，無焊接缺陷（圖6e）。不銹鋼母材的組織為帶孿晶的奧氏體以及少量點狀碳化物（圖6f）。復(fù)層焊縫的組織為奧氏體及枝晶狀分布的δ鐵素體，且δ鐵素體枝晶繁茂（圖6g）。可以認為：Φ508 mm×（8+2）mm× 6 000 mm、L245/S30403不銹鋼直縫復(fù)合管的焊接電流適合，冷卻速度適中。在復(fù)層、不銹鋼母材熔合線區(qū)域，圖6（h）上部為焊縫組織、中間為熔合區(qū)，其組織由奧氏體晶粒和沿晶分布的δ鐵素體構(gòu)成；下部為不銹鋼母材過熱區(qū)，其組織未見明顯粗大。圖6（i）所示為過渡層、復(fù)合層的多相熔合區(qū)，是焊接缺陷和焊接應(yīng)力集中區(qū)域，是不銹鋼直縫復(fù)合管焊接的主要時效部位。

圖4 L245/S30403直縫復(fù)合管復(fù)層-過渡層焊縫中心化學(xué)成分分布

圖5 L245/S30403直縫復(fù)合管焊縫宏觀形貌

圖6 L245/S30403直縫復(fù)合管的顯微組織

2.7 第三方檢測結(jié)果

為保證產(chǎn)品質(zhì)量并檢驗L245/S30403直縫焊接復(fù)合管生產(chǎn)工藝的合理性，河北海乾威委托國內(nèi)復(fù)合材料檢測機構(gòu)——江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院對該批直縫焊接復(fù)合管的性能進行全面檢測，檢測結(jié)果合格，具體結(jié)果見表4。

表4 L245/S30403直縫復(fù)合管第三方檢測結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）復(fù)合管焊接的問題歸根結(jié)底是耐腐蝕性能問題，而過渡層又是影響復(fù)合管耐腐蝕性能的關(guān)鍵。

（2）通過控制焊接熱輸入來降低熔合比是復(fù)合管焊接的原則，但要防止未熔合等焊接缺陷發(fā)生。

（3）焊縫中含有一定比例的δ鐵素體，對復(fù)合管的綜合性能有幫助。

（4）利用舍費勒組織圖選擇焊材，對于防止焊接凝固裂紋和控制稀釋率意義重大。

（5）復(fù)合管應(yīng)該謹慎使用擴徑工藝。復(fù)合管中基層與復(fù)層的彈性模量不同，當(dāng)擴徑力消失后基層、復(fù)層所發(fā)生的塑性、彈性變形不盡相同，可能對雙金屬結(jié)合面有害。

（6）復(fù)合管宜采用時效或機械的方式消除殘余應(yīng)力；焊后熱處理只能消除40%以下的殘余應(yīng)力，焊后熱處理時允許加熱到 400℃，應(yīng)延長保溫時間并隨爐緩冷。

（7）目前，復(fù)合管的生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)尚不完善，其焊接效率低下、檢測技術(shù)落后，同時缺乏適合于復(fù)合管結(jié)構(gòu)特點的耐蝕性能評價體系。

［1］中國機械工程學(xué)會焊接分會.焊接手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007：1204.

［2］李為衛(wèi)，秦長毅，賈君君，等.一種油氣田開發(fā)用新型雙金屬復(fù)合管［M］.鋼管，2009，38（4）：22-24.

［3］曹曉燕，鄧娟，上官昌淮，等.雙金屬復(fù)合管復(fù)合工藝研究進展［M］.鋼管，2014，43（2）：11-15.

［4］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 13148—2008不銹鋼復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［5］史元春，于啟湛.異種金屬的焊接［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012：262-263，267.

［6］中國機械工程學(xué)會焊接分會.焊接詞典［M］.3版.北京：機械工業(yè)出版社，2008：36-37，121.

［7］李亞江.合金結(jié)構(gòu)鋼及不銹鋼的焊接［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：218-219，230.

［8］吳樹雄.金屬焊接材料手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：380，398.

［9］李亞江.焊接原理及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：178.

［10］陳世修，秦宗瓊.奧氏體不銹鋼中鐵素體含量計算［J］.閥門，2005（1）：20-22.

［11］尚才眾，董宏斌，賈云剛，等.09MnNiDR低溫鋼管雙面雙層三絲自動埋弧焊接研究［J］.鋼管，2014，43（4）：23-29.

［12］馬文姝，白鳳臣，傘國安.鍋爐異種鋼管焊接接頭焊縫稀釋率試驗［J］.焊接，2006（12）：50-53.

［13］張漢謙，吳宇，陸文雄，等.異種鋼接頭結(jié)晶及相變特點的研究［J］.兵器材料科學(xué)與工程，1991（9）：1-6.