不銹鋼冶金復(fù)合管焊接工藝研究

王秀琴 張瑞增 章超榮

1. 概述

2009年，我公司中標(biāo)的NX70A共用平車標(biāo)書中規(guī)定制動管系采用不銹鋼冶金復(fù)合管。由于我公司從未對該種復(fù)合管進(jìn)行過焊接，因此在批量生產(chǎn)使用前進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)。通過試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，該種復(fù)合管焊后存在容易產(chǎn)生熱影響區(qū)裂紋和基層與覆層分離的問題。如果該標(biāo)車制動管系采用該不銹鋼冶金復(fù)合管制造，后果將不堪設(shè)想。

通過焊接工藝試驗(yàn)研究，對焊接裂紋形成原因進(jìn)行了分析，經(jīng)過與復(fù)合管研制廠家溝通，共同提出了不銹鋼冶金復(fù)合管材料的改進(jìn)措施，對改進(jìn)后的不銹鋼冶金復(fù)合管焊接進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)和工藝評定，保證了不銹鋼冶金復(fù)合管的焊接可靠性。

2. 不銹鋼冶金復(fù)合管材料及性能指標(biāo)

鐵路貨車用不銹鋼冶金復(fù)合管是一種以碳素鋼無縫鋼管為基層，薄壁不銹鋼管為覆層，界面采用冶金結(jié)合方式，使覆層連續(xù)均勻覆于基層鋼管內(nèi)壁所形成的復(fù)合管材（以下簡稱復(fù)合管）。基層鋼管為2 0鋼無縫鋼管，承受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；覆層材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti薄壁不銹鋼焊管，與工作介質(zhì)相接觸起耐腐蝕作用。復(fù)合管的外徑、壁厚及允許偏差和力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1 復(fù)合管外徑、壁厚及允許偏差

表2 復(fù)合管力學(xué)性能

圖1 復(fù)合管與法蘭接頭體焊接裝配示意

3. 焊接試驗(yàn)

（1）焊前準(zhǔn)備 ①按照表1中五種規(guī)格的復(fù)合管，準(zhǔn)備與之配套的五種規(guī)格的低碳鋼法蘭接頭體。②用砂輪打磨清除復(fù)合管和接頭體待焊部位的鐵銹、油污及水分等污物。③在專用焊接胎上組裝接頭體和不銹鋼管，焊接接頭裝配如圖1所示。④焊接環(huán)境溫度要求≥5℃，工作區(qū)域不允許有穿堂風(fēng)。

（2）試件焊接 第一，焊接工藝方法。采用MAG焊以及手工TIG焊，焊條電弧焊修復(fù)。

第二，焊接用材料。試驗(yàn)采用3種不同的焊接工藝：MAG熔化極氣體保護(hù)焊、焊條電弧焊、手工TIG鎢極氬弧焊，具體焊接材料如表3所示。

第三，焊接參數(shù)。首先，復(fù)合管采用MAG專機(jī)自動焊接，焊機(jī)型號為YD—350AG2，焊接參數(shù)如表4所示。

其次，復(fù)合管采用手工TIG 焊，焊機(jī)型號為ZX7—400STG；采用焊條電弧焊，焊機(jī)型號為BX—300，焊接參數(shù)如表5所示。

圖2 MAG專機(jī)自動焊縫外表面

圖3 TIG手工鎢極氬弧焊焊縫外表面

圖4 焊條電弧焊焊縫外表面

4.焊接結(jié)果分析

（1）焊接外表面質(zhì)量及對比結(jié)果分析 圖2～圖4為復(fù)合管分別采用MAG專機(jī)自動焊、手工TIG焊、焊條電弧焊時(shí)焊縫的外表面成形情況。

通過采用上述3種焊接方法焊后焊縫外觀質(zhì)量對比可知，采用MAG焊接專機(jī)自動焊的氣體保護(hù)焊焊縫成形和采用手工TIG焊成形較為美觀，采用焊條電弧焊時(shí)易產(chǎn)生夾渣、氣孔及咬邊等焊接缺陷。

（2）焊縫宏觀、管壁內(nèi)表面質(zhì)量及對比結(jié)果分析 通過對采用MAG氣體保護(hù)焊、手工TIG焊、焊條電弧焊三種不同的焊接工藝方法焊接的復(fù)合管焊接接頭內(nèi)表面、焊接接頭斷面進(jìn)行解剖檢測，發(fā)現(xiàn)主要存在以下問題：

第一，采用手工TI G焊時(shí)，焊后內(nèi)表面熱影響區(qū)部位即不銹鋼覆層出現(xiàn)了貫通裂紋（見圖5箭頭所指位置）。

第二，采用焊條電弧焊焊接φ17mm復(fù)合管時(shí)，在冶金復(fù)合層出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，其他規(guī)格的復(fù)合管也發(fā)現(xiàn)有此現(xiàn)象，如圖6箭頭所指位置。

上述問題表明：該不銹鋼冶金復(fù)合管對熱敏感性較強(qiáng)，焊接時(shí)容易產(chǎn)生熱影響區(qū)裂紋和基層與覆層分離的問題，如果批量使用會造成制動系統(tǒng)的泄漏，并危及行車安全。

表3 復(fù)合管試驗(yàn)用焊接材料

表4 MAG專機(jī)自動焊接參數(shù)

表5 TIG焊、焊條電弧焊焊接參數(shù)

5. 復(fù)合管焊接接頭裂紋分析

（1）復(fù)合鋼管界面組織 針對我公司焊接試驗(yàn)結(jié)果，我們與復(fù)合管研制單位進(jìn)行技術(shù)溝通，了解其復(fù)合管的生產(chǎn)工藝，發(fā)現(xiàn)其在復(fù)合過程中選用了厚度為0.05mm的銅-鋅合金箔作為中間層，而這種銅-鋅合金熔點(diǎn)較低，約為900℃，經(jīng)過加熱后擴(kuò)散復(fù)合。在20鋼界面出現(xiàn)部分新的組織，經(jīng)X射線衍射分析主要為含Cr、Ni、Cu的富鐵奧氏體組織，強(qiáng)度、硬度較高，對塑性沒有不良影響。在不銹鋼界面，銅合金向不銹鋼中有少量擴(kuò)散，擴(kuò)散距離最大約0.08mm，除界面附近外，對不銹鋼基體沒有影響。碳鋼中為細(xì)晶鐵素體+珠光體組織，晶粒度7～8級。

（2）焊接裂紋的產(chǎn)生 然而在采用TI G焊接時(shí)或在進(jìn)行焊縫返修時(shí)，在焊接收弧部位下面不銹鋼覆層內(nèi)表面焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，如圖7a箭頭所指。顯微鏡下觀察裂紋如圖7b所示，裂紋自中間層與不銹鋼的界面開始，穿過不銹鋼層，擴(kuò)展至不銹鋼外表面。

（3）焊接裂紋形成原因分析 經(jīng)分析與下述幾個因素有關(guān)：

第一，碳鋼、不銹鋼與銅合金三種材料中，碳鋼熱膨脹系數(shù)較小，而銅合金和不銹鋼的熱膨脹系數(shù)都較大，比碳鋼大40%～50%。

第二，銅合金受熱熔化，將產(chǎn)生約2%的體積膨脹。

第三，液體銅合金熱膨脹系數(shù)大于固體銅合金。

第四，銅合金中低熔點(diǎn)元素蒸汽壓較高，也會引起體積膨脹。

第五，焊條電弧焊、TI G鎢極氬弧焊兩種工藝方法，由于焊接速度較慢，復(fù)合管受熱時(shí)間長，因此焊接接頭熱影響區(qū)易產(chǎn)生裂紋，同時(shí)，在基層碳鋼與覆層的復(fù)合部位易分層。

因此，除了碳鋼與不銹鋼脹縮不同會引起內(nèi)應(yīng)力外，銅合金的熱膨脹、熔化及其蒸汽壓均導(dǎo)致體積增大，同時(shí)由于銅合金為銅-鋅合金，鋅的熔點(diǎn)較低，而液態(tài)銅及銅合金對鋼的滲透作用較強(qiáng)，其結(jié)果是作用于不銹鋼層，使其受內(nèi)應(yīng)力作用引起開裂，而且隨著焊接接頭受熱作用時(shí)間的增加開裂傾向越大。

6. 復(fù)合管材料的改進(jìn)

經(jīng)上述分析，不銹鋼冶金復(fù)合管制造選用合理的中間層材料成分及厚度是避免焊接裂紋的根本措施。復(fù)合管材料改進(jìn)主要從以下兩方面：

第一，改變中間層銅合金材料，采用改進(jìn)后的純銅為中間層材料，避免或減少低熔點(diǎn)元素引起的種種不利作用。

第二，將中間層厚度減至最小0.03mm，以減小其引起的體積膨脹。

改進(jìn)后的復(fù)合鋼管組織如圖8所示，中間層厚度及擴(kuò)散距離均大大減小。

圖5 TIG焊內(nèi)表面（φ27mm）

圖6 焊條電弧焊（φ17mm）

圖7 焊接裂紋，中間層為1號銅合金箔

圖8 改進(jìn)后的復(fù)合鋼管組織

圖9 MAG專機(jī)自動焊縫外表面質(zhì)量

7. 改進(jìn)后不銹鋼冶金復(fù)合管的焊接工藝試驗(yàn)及評定

在對初期復(fù)合管焊接接頭試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對改進(jìn)后的不銹鋼冶金復(fù)合管與接頭體焊接主要采用MAG混和氣體保護(hù)專機(jī)自動焊和手工TI G焊進(jìn)行焊接工藝評定，具體焊接參數(shù)與焊接改進(jìn)前復(fù)合管焊接參數(shù)相同，同時(shí)模擬焊縫缺陷返修，即采用焊條電弧焊對原環(huán)焊縫進(jìn)行重復(fù)焊接，考驗(yàn)改進(jìn)后復(fù)合管的熱敏感性。

（1）復(fù)合管焊縫外表面質(zhì)量 圖9為采用MAG焊接的焊縫外觀質(zhì)量。圖10為對外徑為φ 42mm、φ 32mm復(fù)合管的手工TIG焊縫外觀質(zhì)量。由圖可知，MAG、TIG焊接外觀焊縫質(zhì)量均較為良好。

（2）復(fù)合管焊接接頭斷面和內(nèi)表面質(zhì)量 將改進(jìn)后的復(fù)合管MAG焊接頭斷面解剖其斷面和內(nèi)表面質(zhì)量，如圖11所示。由圖可知，采用MAG焊，復(fù)合管斷面未發(fā)現(xiàn)復(fù)合層分層現(xiàn)象，內(nèi)表面也未發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)裂紋的情況。復(fù)合管采用TI G焊斷面解剖后，由圖12可知采用TI G焊，復(fù)合管斷面未發(fā)現(xiàn)復(fù)合層分層現(xiàn)象，內(nèi)表面也未發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)裂紋的情況。

(3)氣密性試驗(yàn) 首先，采用MAG氣體保護(hù)焊，進(jìn)行復(fù)合管焊接接頭氣密性試驗(yàn)。復(fù)合管焊后冷至室溫后，對上述四種規(guī)格的管接頭分別進(jìn)行了氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均未泄漏。

為進(jìn)一步考驗(yàn)復(fù)合管的熱敏感性，采用J422焊條對采用表4焊接的復(fù)合管進(jìn)行模擬焊縫缺陷焊修，并對焊修后復(fù)合管進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)均合格。

可以看出，改進(jìn)型復(fù)合管熱敏性良好，焊縫存在缺陷返修后不會造成復(fù)合管接頭產(chǎn)生裂紋。

其次，使用鎢極氬弧焊試驗(yàn)復(fù)合管的氣密性。對使用鎢極氬弧焊試驗(yàn)復(fù)合管進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，氣密性良好，未發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

（4）復(fù)合管焊后內(nèi)表面著色檢測 針對改進(jìn)后復(fù)合管焊后內(nèi)表面質(zhì)量，解剖后還進(jìn)行了復(fù)合管不銹鋼內(nèi)表面進(jìn)行著色檢測，均未發(fā)現(xiàn)焊接熱影響區(qū)裂紋。

圖10 TIG手工鎢極氬弧焊焊縫外表面

圖11 MAG專機(jī)自動焊縫斷面及內(nèi)表面質(zhì)量

圖12 TIG手工鎢極氬弧焊焊縫斷面及內(nèi)表面質(zhì)量

8. 結(jié)語

改進(jìn)后的不銹鋼冶金復(fù)合管的焊接工藝試驗(yàn)及焊接工藝評定表明：改進(jìn)型復(fù)合管熱敏性良好，焊接缺陷進(jìn)行返修后，經(jīng)氣密性試驗(yàn)無泄漏，說明焊接接頭和不銹鋼覆層抗裂性良好。采用MAG焊接及現(xiàn)有的自動焊接專機(jī)、手工鎢極氬弧焊均能保證焊接接頭質(zhì)量，與改進(jìn)前復(fù)合管焊接試驗(yàn)結(jié)果對比，改進(jìn)型復(fù)合管焊接性良好，焊接接頭性能更為可靠。改進(jìn)后的復(fù)合管焊后接頭各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，目前已小批量用于鐵路貨車制動管系的制造。

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會編.焊接手冊——材料的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.