孫志剛，谷海龍，袁華麗，徐忠春，王遠(yuǎn)征

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海裝備鉆井裝備公司，河北 青縣 062658）

0前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，為保證人民生活用水的質(zhì)量，對(duì)供水管道的材質(zhì)提出了更高的要求[1]。碳鋼內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管兼顧了碳鋼和不銹鋼材料的優(yōu)點(diǎn)，在輸送水、煤氣等介質(zhì)的過程中耐蝕性強(qiáng)、密封性好，同時(shí)克服了塑料管易漏水、老化的問題，因而近年來得到了工程建筑單位的青睞，具有良好的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用前景[2-3]。目前通常采用機(jī)械復(fù)合和冶金復(fù)合兩種方法生產(chǎn)雙金屬復(fù)合管[4]。冶金復(fù)合管相對(duì)于機(jī)械復(fù)合管具有良好的界面結(jié)合強(qiáng)度，能夠在高溫環(huán)境下使用，不受材料性能限制，避免了機(jī)械復(fù)合管在使用過程中出現(xiàn)分層、塌陷等質(zhì)量問題[5]。本研究采用基層為碳鋼Q235B、復(fù)層為304不銹鋼的冶金雙金屬復(fù)合鋼板進(jìn)行螺旋縫雙金屬復(fù)合管的生產(chǎn)，對(duì)其焊接工藝、焊接材料的選擇進(jìn)行了分析和研究。

1 焊接方法分析

由于螺旋焊管成型工藝的特點(diǎn)，在生產(chǎn)螺旋縫雙金屬復(fù)合管時(shí)，為了保證鋼管的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，對(duì)焊接生產(chǎn)工藝提出了較高的要求[6]。目前雙金屬復(fù)合管常用的焊接方法見表1，根據(jù)表1的對(duì)比結(jié)果可知，鎢極氬弧焊和埋弧焊兩種工藝更具有操作性。針對(duì)這兩種方法進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接參數(shù)見表2，焊接坡口形式如圖1所示。

表1 雙金屬復(fù)合管常用焊接方法對(duì)比

表2 雙金屬復(fù)合管焊接對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)

圖1 焊接方法對(duì)比試驗(yàn)坡口形式（單位：mm）

焊接完成后，對(duì)兩種焊縫的形貌及化學(xué)成分進(jìn)行對(duì)比，焊縫形貌如圖2所示，化學(xué)成分對(duì)比見表3。由表3可以看出，不銹鋼層采用鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，焊縫化學(xué)成分稀釋率雖然較埋弧焊低，但采用常規(guī)焊材仍無法達(dá)到304不銹鋼焊縫的標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，為了避免Cr、Ni等元素?zé)龘p和氧化，在采用鎢極氬弧焊工藝時(shí)，一般采用氬氣等惰性氣體進(jìn)行焊縫背面保護(hù)，該方法不適用于螺旋焊管的制造工藝，因此經(jīng)綜合分析，確定采用埋弧焊進(jìn)行復(fù)合管焊接試驗(yàn)。

表3 對(duì)比試驗(yàn)焊縫化學(xué)成分

圖2 不同焊接方法焊縫形貌對(duì)比

2 焊接材料選擇

焊接過程中當(dāng)接頭處母材和填充金屬成分差異較大時(shí)，由于兩者的化學(xué)位或活度差很大，在一定溫度下會(huì)發(fā)生明顯的碳遷移現(xiàn)象[7]。由于埋弧焊具有稀釋率高的特點(diǎn)，在雙金屬復(fù)合管焊接時(shí)，由于碳鋼層和不銹鋼層的化學(xué)成分差異，在焊接時(shí)會(huì)發(fā)生碳遷移，碳由低Cr的碳鋼層向富Cr的不銹鋼層遷移，導(dǎo)致不銹鋼層被嚴(yán)重稀釋。同時(shí)在碳鋼層和不銹鋼層交界處，還會(huì)形成高硬度的增碳區(qū)和低硬度的脫碳區(qū)，引起熔合區(qū)的脆化和裂紋的產(chǎn)生。此外，不銹鋼層焊縫的稀釋和碳的擴(kuò)散會(huì)降低不銹鋼層焊接接頭的抗腐蝕能力，因此對(duì)于雙金屬復(fù)合管焊接材料的選擇尤為關(guān)鍵。

2.1 過渡層焊接材料

過渡層不僅要能隔離碳鋼層與不銹鋼層，而且還要能補(bǔ)償不銹鋼層因稀釋引起的合金元素（Cr、Ni等）降低，使得復(fù)層焊縫的合金成分保持應(yīng)有的水平[8]。所以過渡層焊接材料選擇需根據(jù)兩側(cè)焊縫的化學(xué)成分進(jìn)行確定。根據(jù)上述焊接材料選擇規(guī)律，碳鋼層選用H08A焊絲，不銹鋼層選用ER309L焊絲，過渡層分別選用H08A、H08MnMoTiB及ER309L焊絲進(jìn)行焊接試驗(yàn)。當(dāng)過渡層選用H08A及H08MnMoTiB焊絲時(shí)，焊接順序?yàn)橄冗M(jìn)行內(nèi)側(cè)過渡層焊接，再進(jìn)行不銹鋼層焊接，最后進(jìn)行外側(cè)碳鋼層焊接；當(dāng)過渡層選用ER309L焊絲時(shí)，由于與不銹鋼層焊材一致，所以直接進(jìn)行雙絲焊，一道完成內(nèi)焊過渡層及不銹鋼層焊接。

焊接后的焊縫形貌如圖3所示。采用埋弧焊進(jìn)行過渡層及不銹鋼層焊接，過渡層焊縫金屬大部分被不銹鋼層焊縫熔合。上述焊接采用直流正接模式，為減小焊縫熔合比，將不銹鋼層焊接模式改為直流反接及交流模式以減小熔深，但改觀不大，兩種模式下熔合比均處于較高水平。同時(shí)在使用H08MnMoTiB焊絲進(jìn)行過渡層焊接時(shí)，不銹鋼層焊縫中出現(xiàn)了沿結(jié)晶方向的熱裂紋，經(jīng)分析主要原因?yàn)椴讳P鋼層焊縫為馬氏體組織，馬氏體相中聚集著高密度的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，其能量較奧氏體高，同時(shí)在相界也有較高的能量，容易成為點(diǎn)蝕源從而發(fā)生點(diǎn)蝕，使材料的點(diǎn)蝕敏感性增強(qiáng)，并且常常以點(diǎn)蝕為起源，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞[9]。對(duì)上述三種不銹鋼層焊縫按照舍弗勒?qǐng)D計(jì)算焊縫中的Creq及Nieq，并進(jìn)一步推斷焊縫組織，經(jīng)測算不銹鋼層焊縫組織均為馬氏體，進(jìn)一步證明焊縫中產(chǎn)生裂紋缺陷的主要原因與馬氏體組織有關(guān)。

圖3 采用不同過渡層焊接材料時(shí)焊縫的低倍形貌

根據(jù)試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：①由于埋弧焊熔敷效率高，過渡層焊縫大部分會(huì)被不銹鋼層熔化，所以采用多層焊接的意義不大，可采用不銹鋼焊材直接完成過渡層及不銹鋼層焊接；②消除馬氏體應(yīng)力裂紋的主要方式為焊前預(yù)熱或焊后熱處理，上述方法均不適用于螺旋焊管的制造過程，所以還需從焊縫組織方面著手，將其組織由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；③由于埋弧焊具有較好的合金元素稀釋率，不銹鋼層焊接材料較不銹鋼層母材Ni、Cr元素增加不明顯時(shí)，使得無論過渡層使用何種焊接材料，不銹鋼層焊縫組織均以馬氏體為主，所以不銹鋼層的焊接材料更加重要。

2.2 不銹鋼層焊接材料

奧氏體不銹鋼采用埋弧焊進(jìn)行焊接時(shí)，要求焊絲中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得高于母材，且Ni、Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比母材高[10]，從而保證焊縫組織的同時(shí)提高焊縫的耐蝕性。依據(jù)上述研究，通過大量焊接試驗(yàn)，不斷對(duì)焊絲成分進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，最終優(yōu)選出兩種適用于雙金屬復(fù)合管埋弧焊焊接的專用焊絲，分別是Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的SY-1焊絲和Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的HS625焊絲。結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果，外焊匹配H08MnA焊絲，按照表4所示焊接參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，并進(jìn)行焊縫性能檢測。

表4 不銹鋼層焊接試驗(yàn)參數(shù)

焊縫形貌如圖4所示。兩種焊縫成形整體過渡較好，但是在使用HS625焊絲進(jìn)行不銹鋼層焊接時(shí)，碳鋼層焊縫中沿結(jié)晶方向出現(xiàn)了裂紋缺陷。初步分析為進(jìn)行碳鋼層焊接時(shí)，不銹鋼層焊縫中的Ni元素向碳鋼層過渡，促使淬硬組織的形成，產(chǎn)生了淬硬脆化裂紋。

圖4 不銹鋼層不同焊材焊縫低倍形貌

對(duì)上述兩種焊縫按照舍弗勒?qǐng)D計(jì)算焊縫中的Creq及Nieq，并進(jìn)一步推斷焊縫組織。經(jīng)測算，使用HS625焊絲的焊縫組織為奧氏體，使用SY-1焊絲的焊縫組織為奧氏體+10%鐵素體。同時(shí)兩種焊縫的化學(xué)成分均高于標(biāo)準(zhǔn)中304不銹鋼的化學(xué)成分，能夠達(dá)到耐腐蝕性能要求。

對(duì)兩種焊縫試樣進(jìn)行拉伸及導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)，拉伸性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；使用HS625焊絲的焊縫導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)全部合格，使用SY-1焊絲的焊縫正彎50°開裂，復(fù)驗(yàn)合格，但焊縫表面存在不超標(biāo)裂紋。經(jīng)分析導(dǎo)向彎曲正彎開裂原因主要是由于外焊（碳鋼層）焊縫焊接時(shí)熔入了部分內(nèi)焊（不銹鋼層）焊縫中的金屬元素，鐵素體相向奧氏體相轉(zhuǎn)變加快，這促進(jìn)了析出相（尤其是σ相）的析出，σ相是一種硬度高的金屬間相，其平均顯微硬度可達(dá)900HV，遠(yuǎn)大于鐵素體組織和奧氏體組織的平均顯微硬度值[11]，使得焊縫區(qū)域硬度明顯高于母材及熱影響區(qū)，在彎曲試驗(yàn)時(shí)，焊縫變形量小，導(dǎo)致在正彎時(shí)沿焊縫邊緣開裂。

根據(jù)試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：①不銹鋼層焊接材料選用HS625焊絲（w（Ni）=35%～52%）或SY-1焊絲（w（Cr）=40%～48%），均能得出化學(xué)成分合格且組織主要為奧氏體的焊縫，但是使用高Ni焊絲時(shí)，會(huì)向碳鋼層焊縫中過渡較多Ni元素，使得碳鋼層焊縫產(chǎn)生淬硬脆化裂紋的傾向加大，同時(shí)高Ni焊絲成本約為高Cr焊絲的2倍；②碳鋼層選用碳鋼焊絲或低合金鋼焊絲時(shí)，由于熔合了部分不銹鋼焊縫中的化學(xué)元素，會(huì)使得碳鋼層焊縫中合金元素處于中等水平，焊縫硬度高，使其力學(xué)性能不穩(wěn)定，需進(jìn)一步研究碳鋼層焊材匹配問題。

2.3 碳鋼層焊接材料

傳統(tǒng)觀念及相關(guān)規(guī)定大多主張焊縫等強(qiáng)匹配或超強(qiáng)匹配，認(rèn)為焊縫的強(qiáng)度高一些更為安全[12]，但在進(jìn)行不銹鋼層焊接材料匹配試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用上述方法進(jìn)行焊接時(shí)，碳鋼層焊縫性能不穩(wěn)定，所以需要針對(duì)復(fù)合管特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)焊接試驗(yàn)。在不銹鋼層焊接材料匹配試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用相同試板使用SY-1焊絲進(jìn)行了碳鋼層焊接試驗(yàn)，并與前期使用H08MnA焊絲焊接得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，焊縫形貌如圖5所示。從焊縫形貌來看，焊縫成形均較好，無裂紋或其他缺陷出現(xiàn)。對(duì)碳鋼層焊縫進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表5，由表5可以看出，使用SY-1焊絲焊接的碳鋼層焊縫硬度明顯下降。

圖5 碳鋼層不同焊材焊縫低倍形貌

表5 碳鋼層不同焊材匹配焊縫硬度檢測結(jié)果

根據(jù)以上試驗(yàn)可以確定碳鋼層焊接材料可選用與不銹鋼層成分相當(dāng)?shù)暮附z，使得焊縫組織向奧氏體+鐵素體組織轉(zhuǎn)變。由于鐵素體含碳量很低，性能與純鐵相似，具有良好的塑性和韌性以及低的強(qiáng)度和硬度[13]，使其與熱影響區(qū)、母材硬度匹配，避免正彎不合格情況的出現(xiàn)。

3 生產(chǎn)試制及性能檢測

3.1 生產(chǎn)試制

采用規(guī)格為（5.0+0.8）mm×1 110 mm的Q235B+304冶金雙金屬復(fù)合鋼板進(jìn)行螺旋縫雙金屬復(fù)合管的生產(chǎn)試制，復(fù)合管規(guī)格為Φ508 mm×（5.0+0.8）mm，焊接工藝參數(shù)見表6。試制的雙金屬復(fù)合管經(jīng)X射線工業(yè)電視及超聲波手工檢測，焊縫質(zhì)量全部合格。

表6 螺旋縫雙金屬復(fù)合管焊接工藝參數(shù)

3.2 拉伸及彎曲性能

制管完成后按照GB/T 32958—2016《流體輸送用不銹鋼復(fù)合鋼管》[14]相關(guān)要求進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7可以看出，管體橫向及焊縫強(qiáng)度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫強(qiáng)度匹配系數(shù)適中。對(duì)焊縫進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)，彎心直徑46 mm，彎曲角度180°，試驗(yàn)后母材、熱影響區(qū)和焊縫均未見裂紋或斷裂。

表7 螺旋縫雙金屬復(fù)合管拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 化學(xué)成分

按照GB/T 32958—2016《流體輸送用不銹鋼復(fù)合鋼管》及GB/T 31940—2015《流體輸送用雙金屬復(fù)合耐腐蝕鋼管》[15]要求進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表8。由表8可以看出，復(fù)層母材化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，焊后焊縫化學(xué)成分高于標(biāo)準(zhǔn)中304不銹鋼的化學(xué)成分要求，達(dá)到310不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)水平。通過舍弗勒?qǐng)D計(jì)算復(fù)層焊縫Creq=29.08%，Nieq=19.83%，為奧氏體+10%鐵素體組織。

表8 螺旋縫雙金屬復(fù)合管焊縫化學(xué)成分

3.4 硬度

GB/T 32958—2016《流體輸送用不銹鋼復(fù)合鋼管》中要求：經(jīng)供需雙方協(xié)商并在合同中注明復(fù)合鋼管可進(jìn)行硬度試驗(yàn)，硬度指標(biāo)由供需雙方協(xié)商確定。GB/T 31940—2015《流體輸送用雙金屬復(fù)合耐腐蝕鋼管》中要求：基層硬度≤248HV10、復(fù)層硬度≤300HV10。對(duì)螺旋縫雙金屬復(fù)合管焊縫進(jìn)行維氏硬度檢測，試驗(yàn)結(jié)果見表9，通過表9可以看出，基層與復(fù)層焊縫硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表9 螺旋縫雙金屬復(fù)合管焊縫硬度檢測結(jié)果（HV10）

3.5 晶間腐蝕

GB/T 32958—2016《流體輸送用不銹鋼復(fù)合鋼管》中要求：根據(jù)需方要求，供需雙方協(xié)商并在合同中注明復(fù)合鋼管的復(fù)層和復(fù)層焊縫可做晶間腐蝕試驗(yàn)。按照GB/T 4334—2008中方法E的規(guī)定進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，采用直徑為1 mm的壓頭進(jìn)行三點(diǎn)彎曲，彎曲后的試樣在10倍放大鏡下觀察，焊縫無裂紋產(chǎn)生。

4結(jié)論

（1）采用鎢極氬弧焊、氣體保護(hù)焊及埋弧焊進(jìn)行焊接對(duì)比試驗(yàn)，確定埋弧焊更適用于螺旋縫雙金屬復(fù)合管的生產(chǎn)焊接。

（2）由于埋弧焊熔敷效率高，過渡層焊縫會(huì)被不銹鋼層熔化，可采用不銹鋼焊材直接完成過渡層及不銹鋼層焊接；不銹鋼層焊接材料宜選用高Cr（≥40%）焊材以保證焊縫化學(xué)成分合格且為奧氏體組織的不銹鋼焊縫；碳鋼層選用與不銹鋼層成分相當(dāng)?shù)暮附z，可有效降低焊縫硬度，使其與熱影響區(qū)、母材的硬度匹配。

（3）開發(fā)的Φ508 mm×（5.0+0.8）mm規(guī)格Q235B+304螺旋縫雙金屬復(fù)合管，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足GB/T 32958—2016《流體輸送用不銹鋼復(fù)合鋼管》及GB/T 31940—2015《流體輸送用雙金屬復(fù)合耐腐蝕鋼管》的要求，并具有優(yōu)異的強(qiáng)度及塑性。