不同焊接順序對不銹鋼復合管焊接接頭性能影響分析

盧文靜

摘 要：不銹鋼產業作為第二產業中的重要部分，是關系一個國家國民經濟命脈的重要基礎產業之一，并且關系著我國的工業制造業、建筑行業、機器生產等多個行業的發展。我國作為一個發展中大國，第二產業占據著國民經濟的重要位置，在經濟發展與建設過程中對不銹鋼及其復合材料的需求量很大。相比于傳統的不銹鋼材料來說，不銹鋼復合材料的成本較低，耐蝕性能良好，因此廣受人們的青睞。本文通過利用兩種不同的焊接順序，對不銹鋼復合管焊接接頭的組織性能進行一定的討論分析，以期為讀者提供一定的理論性參考。

關鍵詞：不銹鋼;焊接接頭;焊接順序

中圖分類號：TE973.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0126-02

0 引言

不銹鋼材質因其堅固耐用不易碎，良好的保溫性能和較高的耐腐蝕、耐高溫性、抗高溫氧化性而在近代得到了大范圍的生產與普及應用，對當前的機器生產制造業、汽車行業、建筑以及航海制造業都發揮著至關重要的作用。但是不銹鋼材料也存在許多不足之處，例如制作成本較高，并且還不耐堿性介質的腐蝕，容易產生重皮、夾雜、邊浪、裂變、孔洞等現象。

而不銹鋼復合材料能夠有效地改善上述問題，逐漸得到了市場的認可與使用。不銹鋼復合管于2002年國家標準GB/T18704-2002正式頒布，是用兩種金素材料——不銹鋼和碳素，經由無損壓力操作同步復合成的新型材料。相較于傳統的不銹鋼管，不銹鋼復合管雖然材質為鐵管，但是管身外面包裹著一層不銹鋼層，相比于傳統的不銹鋼管來說更加堅固，并且管材較輕，承重能力和抗沖擊性都更強，在管口具有良好封閉的情況下，可以實現擁有與純不銹鋼一樣的防銹期限。

因此相對于防銹性能相對較好的不銹鋼管來說，不銹鋼復合管對焊接的封閉性技術要求更高，只有選擇良好的焊接技術保障不銹鋼復合管口保持良好的封閉性，才能使不銹鋼復合管在保持自身良好的承重能力和抗沖擊性之外，獲得與不銹鋼管材料同樣的防銹期限。提高不銹鋼管焊接技術，既有利于降低生產成本，又同時能保障不銹鋼復合管堅固性、承重性與耐腐蝕性兼具。這就要求我們進一步提高當前的焊接技術，通過良好的焊接技術彌補不銹鋼復合管的缺失與不足。當前我國對不銹鋼復合管焊接技術的研究仍然存在許多不足之處，我國當前的焊接技術存在經驗性積累的問題，缺乏科學、嚴謹的論證與探討。在通常情況下，施工工人在對不銹鋼復合管道進行施工建設時，往往會采取多種焊接順序和方法，加上電焊工人的生產經驗、專業能力素質與個人偏好的不同，導致不銹鋼復合管道最終的焊接性能與使用效果、使用年限也不盡相同，這十分不利于我國建設行業的發展，甚至會產生大量本不該產生的原材料的浪費與維護費用。

基于上述我國當前不銹鋼復合管焊接技術存在的不足之處，為比較各種焊接方式的優劣，探索最為合適的焊接技術，促進行業的發展與提高，本文采用了兩種不同的焊接順序對不銹鋼復合管材料進行焊接，并分別進行兩種焊接方式的性能測試，通過拉伸和彎曲試驗、沖擊試驗、硬度值測定、金相組織觀察、疲勞試驗等試驗步驟，判斷兩種不同的焊接順序下，不銹鋼復合管的各項力學性能指標，希望通過此次試驗能為行業同仁提供數據支持，為行業發展建言獻策。以下為試驗的具體步驟，具體思路為首先介紹兩種焊接順序的具體操縱方法，然后分別展現不同焊接順序下不銹鋼復合管焊接接頭的性能數據。

1 第一種焊接順序對不銹鋼復合管焊接接頭性能的影響

（1）第一種焊接順序的具體操作手法。技術人員在采用第一種焊接順序的方法時，應當預先采用E4315的焊條焊接基層，隨后選用焊接過渡層時，技術人員應當選擇E309-16的型號，最后采用型號為E347-16的焊接復層。（2）第一種焊接順序下的拉伸試驗。當技術人員采用該種焊接順序對不銹鋼復合管焊接接頭進行性能分析時，發現2個試樣在進行拉伸過程中，均在母材靠近熱影響區的部分發生塑斷，并且經過測試，該試樣的抗拉強度均符合國家規定的標準要求。（3）第一種焊接順序下的彎曲試驗。假設a為試樣的實際厚度，當技術人員將不銹鋼復合管的焊接接頭按4a的彎曲半徑進行彎曲試驗（試樣的彎曲角度為180°）時，發現碳鋼焊接區與不銹鋼焊層的熔合效果較為良好，但部分試樣在試驗過程中出現了裂紋，且其實際長度小于15mm。經過研究人員的實際分析，該現象是因為試樣中存在焊接氣孔缺陷。同時，在碳鋼焊接區與不銹鋼焊層的結合處出現了一定的鼓包現象，并且這些鼓包的彎曲程度并不相同。其總面積處在4mm2～6mm2之間，研究人員認為，該部分產生了一定含量的低碳馬氏體，而低碳馬氏體本身具有“自回火”的特性，致使該部位的硬度值在實際檢測中大于接頭中其他部位的硬度值，并且呈現出較為良好的韌性[1]。（4）第一種焊接順序下的沖擊試驗。在進行該環節的試驗時，技術人員需要在不銹鋼基層側焊縫金屬中取一定體積的V型缺口沖擊試樣，當沖擊試驗完成后，技術人員經過觀察發現在常溫下，試樣的最小KV2值為88J左右，試樣KV2的平均值在141J左右。（5）第一種焊接順序下的硬度值檢測。當技術人員在焊縫截面的基層側、過渡層側以及兩者的結合部位進行硬度值檢測時，發現與側彎試驗的檢測結果相同，基層側與過渡層側兩者結合部位的最大硬度值大約為192HV2。（6）第一種焊接順序下的金相組織觀察。當技術人員將E309-16型號的焊縫與E4315型號的焊縫結合區試樣進行金相組織觀察時，發現不銹鋼焊層的該組織中含有少量，馬氏體、少量鐵素體以及奧氏體[2]。

2 第二種焊接順序對不銹鋼復合管焊接接頭性能的影響

（1）第二種焊接順序的具體操作手法。在利用第二種焊接順序對不銹鋼復合管焊接接頭的性能進行研究時，技術人員應當選用型號為E4315的焊條與型號為ER309的過渡層進行相關操作。在焊接過程結束后，技術人員觀察焊縫表面時發現無明顯的氣孔與裂紋，且無未熔合的缺陷產生。焊縫成型的狀態十分良好。（2）第二種焊接順序下的拉伸試驗。當研究人員觀察拉伸試樣后發現，不銹鋼復合管試樣的熱影響區呈現塑性斷裂的現象，且其母材、焊縫與熔合區等均出現相對清晰的形貌。同時，研究人員發現，不銹鋼焊層與焊縫碳鋼焊層的過渡區出現了少許的鼓包。其直徑經過測量后發現約為20mm2～30mm2[3]。（3）第二種焊接順序下的彎曲試驗。在彎曲試驗完成后，研究人員通過實際觀察發現，與大部分碳鋼焊層側的熔合情況相比，不銹鋼焊層側的焊接熔合狀況相對較好，并且碳鋼焊層側與不銹鋼熔合區無明顯的彎曲裂紋現象，其熔合狀況相對較好。但是值得注意的是，所有的彎曲試樣在碳鋼焊層與不銹鋼焊層的結合之處都產生了表面積為20mm2左右的彎曲鼓包，研究人員通過分析認為，該區域處產生了一定含量的高碳馬氏體組織，因此當進行彎曲試驗時，高碳馬氏體組織的延伸率與周圍金屬的延伸率有所不同，致使彎曲鼓包生成。（4）第二種焊接順序下的沖擊試驗。在進行第二種焊接順序下的沖擊試驗時，技術人員需要在不銹鋼的熱影響區與基層側焊縫金屬中取一定體積的V型缺口沖擊試樣，隨后進行沖擊試驗。結果發現現實常溫下焊縫取的KV2值平均為56J，明顯小于第一種焊接順序下的KV2值，研究人員經過分析，認為這是由于焊縫的局部產生了一定的高碳馬氏體，因此導致了上述現象。（5）第二種焊接順序下的硬度值檢測。在沖擊試驗后，研究人員進行了第二種焊接順序下不銹鋼復合管焊接接頭硬度值的檢測，研究人員發現母材、熔合區與焊縫等區域未出現明顯的裂紋，并且上述區域的熔合較為良好。但是當利用碳鋼焊條在不銹鋼上焊接時，技術人員發現該部分的熔合區出現了一定范圍的“白色區域”。研究人員經過檢測該部分的硬度值發現，其實際數值遠大于不銹鋼基層的其他部位，研究人員分析認為原因是因為第三、四層的焊縫均產生了一定的高碳馬氏體，使得該區域的焊縫硬度明顯提高。（6）第二種焊接順序下的金相組織觀察。研究人員將經過第二種焊接順序的試樣腐蝕后投入硬度值的檢測，然后發現，試樣基層與復層之間的界限相對比較明晰，但是不銹鋼焊層與碳鋼焊層的過渡區域之間的組織較為復雜[4]。（7）第二種焊接順序下的疲勞試驗。根據國家部門新頒布的相應的操作標準，本次試驗的技術人員對不銹鋼焊接接頭進行了一定程度的脈動拉伸疲勞試驗，規定試驗時使用的試驗頻率為10Hz，應力比R為0，其應用處理的范圍處于0kN～150kN之間且最大的應力值經檢測為353MPa，約占抗拉輕度的73%。通過對比不同的疲勞試驗循環次數，研究人員發現，第二種順序下焊縫的疲勞強度在長時間的運行過程中展現出較高的抗疲勞性能。（8）第二種焊接順序下對于不銹鋼復合管焊接接頭其他性能測試的研究工作[5]。1）硬化層的沖擊試驗。技術人員應當在不銹鋼復合管焊接接頭的硬化層取適當體積的小沖擊試樣，并且需要進一步考慮該硬化層對于試樣沖擊韌性的實際影響。2）硬化層的彎曲試驗。技術人員在實際開始試驗前，需要將試板進行一定的加工，使得硬化層處于彎曲試樣的表面，為了觀察硬化層是否會產生一定的裂紋，技術人員應當進行背彎或是面彎試驗。3）硬化層的斷裂韌性試驗或是疲勞試驗。在進行斷裂韌性試驗時，技術人員應當對其CTOD特征值進行精確的測定，要注意在測定過程中觀察其是否會發生一定的脆性斷裂。同時，技術人員也可以在試件上預制一個尺寸大小合適的缺口充當裂紋源，并且將尖端口放置于硬化層處，以便觀察疲勞裂紋的擴張情況。4）持續跟進第二種焊接順序下的焊縫。當處于第二種焊接順序下的焊縫在進行相關性能的測定時，技術人員應當每隔一段時間截取試件的一部分，觀察在該焊接順序下的焊縫在實際運行周期內甚至多個運行周期內發生的相應的變化并做好實時記錄[5]并妥善保管好，避免實驗數據的丟失。

3 結語

本文以不銹鋼復合管焊接接頭為基本的討論對象，利用兩種不同的焊接順序對其焊接性能進行了相關的探討，并對該試樣進行了金相組織分析與焊縫的理化性能的分析，根據實際結果來看，當利用碳鋼焊材在對不銹鋼進行施焊操作時，每月有在焊縫組織上發現明顯的裂縫。但當利用碳鋼焊材在不銹鋼焊層上的焊接區域出現了一定含量的高碳馬氏體硬化組織，這將在一定程度上影響焊縫的具體使用過程。

參考文獻

[1] 蔡永平.奧氏體不銹鋼復合管對接接頭的無損檢測技術研究[J].化工管理，2020（11）：140-141.

[2] 宋純民，唐元生，張桂紅，等.不銹鋼復合材料焊接順序工藝研究[J].石油化工設備技術，2018（6）：54-59+8.

[3] 朱池，徐進安.254SMO超級不銹鋼焊接工藝試驗研究及應用[J].中國修船，2019（4）：1-5.

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[5] 關旭東.焊接工藝對不銹鋼焊接變形的影響分析[J].科技與創新，2018（3）：79-80.