壓力管道低碳鋼與奧氏體不銹鋼焊接裂紋的產生原因及預防措施

摘要：

在壓力管道施工過程中，低碳鋼、奧氏體不銹鋼由于其自身特點，其焊接性能存在差異。本論文主要介紹低碳鋼、奧氏體不銹鋼的焊接特點，并針對低碳鋼與奧氏體不銹鋼焊接接頭，易產生裂紋的問題進行剖析以及為解決此問題所采取的方法和措施。

前言

在石化裝置工程施工中，有許多奧氏體不銹鋼閥門直接與低碳鋼管焊接，由于管內的介質為腐蝕性的物質，管線內的壓力又高達幾十兆帕，焊縫長時間受高壓、腐蝕介質的作用，有很多焊縫在靠近碳鋼的一側出現了裂紋，若不能及時補焊，不僅浪費能源，惡化環境，而且還會給裝置的投產帶來很大的影響。

1.奧氏體不銹鋼與碳鋼的區別與聯系

除碳元素外，沒有加入其它合金元素的鋼，是低碳鋼。一般不具有什么耐腐蝕的能力。硬度比純鐵大。奧氏體不銹鋼是指含鉻（Cr）量大于等于13%，在大氣中不生銹的合金鋼。奧氏體不銹鋼一般不具有磁性，不同的不銹鋼抵抗腐蝕的能力不同，對不同介質的抗腐蝕性也不同。

低碳鋼與奧氏體不銹鋼的區別，一般認為，首先在于耐腐蝕性能方面，有著其它鋼種無法替代的作用，比如奧氏體不銹鋼優異的機械性能使其應用在各類制造業中。在日常生活中我們接觸較多的有奧氏體型不銹鋼（有人稱之為鎳不銹）。奧氏體型不銹鋼典型的牌號為0Crl8Ni9，即“304”和1Crl8Ni9Ti。

2.低碳鋼和奧氏體不銹鋼在物理性能、化學性能和機械性能上的差異。

2.1物理性能，1Crl8Ni9Ti不銹鋼與Q235鋼相比，①低的熱導率，不到低碳鋼的1/3倍。②高的電阻率，為低碳鋼的近5倍。③大的線膨脹系數，比低碳鋼高40%左右。

2.21Cr18Ni9Ti不銹鋼與Q235鋼化學成分的比較，兩種金屬的化學成分存在著較大的差異，1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼中不但含有較高的合金元素，而且含碳量也比Q235鋼低60%左右。當兩種金屬焊接時，Q235鋼就會對焊接接頭進行稀釋，造成焊接接頭的組織成分分布不均勻。

2.31Crl8Ni9Ti不銹鋼與Q235鋼機械性能的比較，1Crl8Ni9Ti不銹鋼與Q235鋼的機械性能相差較大，焊接時就會存在一定的困難，焊接接頭就會出現應力分布不均勻的現象。

3.裂紋產生的機理

石化裝置壓力管道的Q235鋼管與lcr18Ni9Ti不銹鋼閥門連接的焊縫，進行補焊時所產生裂紋的問題進行分析，原因有以下幾個方面：

3.1補焊時，由于時間太緊，開的坡口小，造成焊接接頭中溶入過多的Q235鋼成分，熔入的母材對焊縫金屬有稀釋的作用，使焊縫中的奧氏體形成元素的含量減少，導致焊縫產生裂紋。

3.2焊接接頭的塑性和韌性降低，導致焊接接頭產生裂紋。焊接Q235鋼與lcrl8Ni9Ti不銹鋼時，焊接接頭塑性和韌性降低的主要原因，是在熔合區出現脆性層，其原因有：①在焊接時，由于熔池邊緣金屬的溫度較低，流動性較差，使熔化的母材金屬和填充材料不能充分混合，其結果是在Q235鋼一側的焊縫金屬中，Q235鋼的成分所占比例較大，而且越靠近熔合線，母材所占比例越大。這樣在低碳鋼母材一側的熔合區金屬中，容易形成與焊縫金屬內部成分不同的脆性層，脆性層的寬度為0.2mm-0.6mm，②由于Q235鋼含碳量比lcrlSNi9Ti不銹鋼高，合金元素含量較少，因而使得Q235鋼對焊縫金屬的稀釋作用較強，使熔合區的脆性層中含鉻、鎳量減少，造成脆性增加，塑性和韌性下降。

3.3由于兩種金屬性能上差異很大，導致焊縫出現裂紋。在焊接Q235鋼與lcr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼時，由于不銹鋼的線膨脹系數、電阻率都比低碳鋼大，而熱導率又比低碳鋼小，焊接后焊縫內部會產生很大的熱應力，當熱應力值超過焊縫金屬的強度極限時，就會沿熔合線產生裂紋。

4.對出現的裂紋采取的方法和措施

根據Q235鋼與lcr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼焊接時產生裂紋的原因，采取了以下方法和措施：

4.1嚴格控制焊縫的熔合比。實踐證明，在Q235鋼與lcr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼焊接時，焊縫熔合比控制在30%以下，能有效的防止母材金屬對焊縫金屬的稀釋作用。主要是通過選擇焊接方法、坡口形式、坡口大小和填充材料，來控制熔合比。對Q235鋼與lcr18Ni9Ti不銹鋼焊縫進行補焊時，由于條件的限制，在選擇焊條電弧焊的前提下，就應該選擇A307焊條，u型坡口或大V型坡口，并且坡口兩側50mm都要清理干凈，使得焊縫金屬的抗裂性能顯著提高。

4.2采用過度層。焊接Q235鋼與lcr18Ni9Ti不銹鋼時，可先在Q235鋼的坡口表面上，用含鉻、鎳量高的焊條堆焊一層奧氏體過度層。先用A307或A302作為過度層，在碳鋼一側的坡口面上堆焊一層，然后再選用A102焊條將過度層與lcr18Ni9Ti不銹鋼焊接。這樣，不但脫碳層區域變小了，而且也減小了熔合比，降低了焊縫產生裂紋的可能性。

5.結論

低碳鋼與奧氏體不銹鋼異種材質對接焊接中，按石油化工的規范對焊接工藝進行了工藝認可，所有的無損檢測和性能檢測均符合規范的要求驗證了此焊接方法的可行性；同時，在石油化工產品上，效果良好，更加充分地驗證了，只要采取恰當的焊接手段、精細的工藝措施，加上選用理想的焊接材料，低碳鋼與奧氏體不銹鋼異種材質是完全可以焊接連接，并獲得良好的焊接接頭和使用效果的。