通過對316L不銹鋼焊接性能的分析、手工鎢極氬弧焊焊接過程的控制、焊后進行無損檢測、晶間腐蝕、力學性能等項目的數據分析,焊接接頭的機械性能和耐腐蝕性達到了工藝要求,保證了316L不銹鋼管的焊接質量,為廣大焊接工作者提供參考。

316L不銹鋼耐腐蝕性能強、綜合力學性能優良,是目前耐腐蝕應用較為廣泛的不銹鋼材料之一。其耐氯化侵蝕的特點較好地適應海洋環境,316L不銹鋼鉻含量大于16%以上,鎳含量在12%左右,含鉬量2%左右及含有少量的氮、鈦等元素,同時還可耐多種介質的腐蝕。奧氏體不銹鋼材料焊接性能比較好,其焊接接頭具有較好的韌性,不足之處是容易產生如焊接熱裂紋、晶間腐蝕、應力腐蝕開裂、接頭的δ相催化等缺點。

焊接性分析

316L不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼,其具有線膨脹系數大、熱導率低的特點。一般情況下,焊接性能良好。但如果焊接過程中,焊接在高溫停留時間較長,焊縫晶粒易長大,最終形成粗大的柱狀晶組織;在凝固結晶的過程中,磷、硫、錫、鈮、銻等雜質元素含量超標,易形低熔點共晶物。焊接接頭在熱脹冷縮過程中承受較高拉應力時,焊縫中易產生凝固裂紋,導致在熱影響區形成液化裂紋,以上現象都是焊接熱裂紋。因此嚴格控制316L鋼以及焊材中的易形成低熔點共晶的雜質元素,使316L奧氏體不銹鋼中產生4-10%的鐵素體組織,這些是防止熱裂紋產生較為有效的途徑。

316L不銹鋼管氬弧焊焊接試驗

焊接基本參數

316L屬于奧氏體不銹鋼,本次試驗以小直徑鋼管316L不銹鋼管為例,其管徑為56mm,壁厚6mm,在實際生產中,管子一般采用手工電弧焊和TIG焊。

小直徑管材焊接時應采用單面焊雙面成形工藝,如用手工電弧焊焊,管材內壁的焊縫成形難以控制,而用TIG焊就容易多了。

316L不銹鋼管的焊接過程中,為了降低產生熱裂紋的傾向,必須嚴格控制焊接過程中的熱輸入和防止高溫停留的時間過長,導致焊縫晶粒嚴重長大。由于熱輸入與電流、電壓和焊接速度有關,因此焊接過程中,在滿足焊接質量的前提下,盡量降低焊接電流和電壓,提高焊接速度,盡可能采用多層多道焊,同時多采用直線運條法,減少高溫停留的時間??刂频篱g溫度不高于80℃,其焊接工藝要求見下:

焊接時,為了保證焊接的穩定性,因而采用直流電源;同時為了降低鎢棒側的溫度,減少鎢棒的燒損,因此采用直流正接DC-)。

焊前需將管子坡口2側打磨光滑,去污除銹,進行2點定位法或者3點定位法;水平定位焊時,為了保證焊接試樣取樣的準確性,需在6點處做好標記。為了保證焊接質量,避免飛濺,應在坡口以外的部位引弧,焊縫表面要求光潔,徹底清除殘渣。

打底焊時焊縫厚度盡量薄而均勻,不要急于加絲,一定等熔池的溫度較高,能夠也與根部熔合良好,看到根部有一個很小的熔孔,說明焊接背面成型良好。收弧時盡量采用要衰減收弧,如焊機無此功能,焊槍在收尾處停留的時間長一些,以免產生縮孔。如有收弧縮孔,應用磨光機清除掉。同時必須在坡口內引弧熄弧,熄弧時應填滿弧坑,防止弧坑裂紋。

氬弧焊焊接時,為了保證管材內壁良好結合性能和機械性能,必須在管內充滿氬氣,與保護焊縫背面的成型。焊接前2~3分鐘應提前通氣,通氣的流量為8~12L/min,結束后滯后2~3分鐘再停氣,以保證取代管內原有的空氣,提高焊接質量。

施焊中間?;』蚝附咏Y束時,要用衰減法熄弧。即收弧時,將焊槍輕移至坡口外,使電弧熄滅,再立即將焊槍收至收弧處,繼續送氣3~5秒,使焊接熔池在延時氣體的保護下冷卻,以防止產生縮孔和裂紋,焊后在自然環境下冷卻。

層間溫度應不大于80℃。由于316L不銹鋼導熱性強、淬硬傾向小,在450-850℃易產生晶間腐蝕現象,可以通過急冷方式進行降溫控制(可采用水冷)。在焊接時,焊絲直線運絲,不作橫向擺動,可以避免焊縫過熱。

對管子的焊接,一般采用垂直固定焊(2GTIG316L2G-ABS和水平固定焊(5GTIG316L5G-ABS兩種焊接位置,而針對2種工藝,考慮到焊后取樣,要做2個拉伸,4個彎曲和晶間腐蝕試驗等,所以每個位置應該至少有兩根管子以保證力學性能試驗。

焊接試驗項目

焊后進行外觀檢驗,檢查焊縫外表面和內表面,外表面無缺陷,主要檢查焊縫的熔合度,焊縫的直線度,焊縫的高度以及咬邊現象,內表面經仔細觀察,主要檢查有沒有未焊透和內凹的現象,水平固定焊仰焊部位允許小于1mm內凹;通過進一步的無損檢測試驗PTRT,PT主要檢測焊縫近表面的質量,RT主要檢測焊縫內部的質量,其檢驗結果均符合標準。

對要求較高的壓力容器和海工項目,焊接試樣進行晶間腐蝕試驗。晶間腐蝕試驗包括壓扁和彎曲兩種,對于管狀試樣,大多數采用彎曲試驗。按不銹鋼晶間腐蝕試驗方法,試樣經65010℃保溫30分鐘,然后水冷,在銅-硫酸銅-硫酸試驗中進行16小時左右的沸騰試驗。以試樣管壁厚度小于1mm時,壓頭直徑為1mm,當試樣大于1mm時,壓頭直徑為5mm,焊管或者焊接件試樣經180毅彎曲后再檢驗,用10倍放大鏡管觀察焊接試樣外表面,不銹鋼試樣無晶間腐蝕裂紋,說明耐晶間腐蝕性能合格。

用宏觀分析的方法對試驗進行試驗,同樣沒有發現宏觀缺陷,如發現缺陷,只要缺陷小于3mm,也是合格的。宏觀金相檢驗,焊道熔合較好,無焊接曲線,焊接熔深滿足要求(1.2mm左右)。微觀金相檢驗,焊接金屬為95豫奧氏體+5豫鐵素體組織的雙相組織,抗晶間腐蝕要求得以保證,保證了焊接的耐腐蝕性能。

經分析,進行相對應的力學性能試驗,其中力學性能取樣為拉伸2根,正反彎各2根,以及宏觀一塊。拉伸試驗結果符合ABS船舶規范標準,(注:ABS船級社規范即AmericanBureauofShippingABS)船舶規范)數據詳見表

結果表明兩套焊接工藝的正彎、反彎均全部合格。

結束語

在試驗中,嚴格遵守ABS船級社規范的要求,做了拉伸、彎曲、晶間腐蝕和鐵素體含量等試驗。經過試驗總結出S316L管子氬弧焊焊接工藝研究特點:316L不銹鋼,雖然合金元素的含量大于30%,但整體性能良好,可以用手工焊、氣保焊、氬弧焊等焊接方法進行施焊。采用氬氣惰性氣體保護,進行316L不銹鋼管子手工鎢極氬弧焊焊接,焊接質量外觀成型良好、美觀,而且焊接接頭的機械性能和耐腐蝕性可充分得到保證。經測定其抗拉強度在540N/mm2左右,焊接金屬為95%奧氏體+5%鐵素體組織的雙相組織,達到材料焊接后不低于母材最小值的要求。因此焊接工藝獲得ABS船級社的認證,獲得了相關的焊接工藝評定證書以及焊工證書。

對整個焊接工藝過程和試驗結果綜合分析后,316L不銹鋼焊接得到如下結論:由于316L屬于奧氏體不銹鋼,其本身的焊接性能優良,一般不要采用預熱。焊接只需要把焊縫220-30mm范圍內清污除銹,坡口間隙2-3mm,坡口鈍邊1mm左右。但由于316L不銹鋼的熱導率小,而且熱膨脹系數大,焊接過程中熱脹冷縮,容易產生較大的焊接變形和焊接應力。對此,應盡可能選用焊接能量集中的焊接方法,如鎢極氬弧焊,采用較小的焊接電流和電壓,直線運條,采用多層多道焊;同樣的焊接電流下,由于奧氏體不銹鋼熱導率小,可等到比低合金鋼較大的熔深,同時又由于其電阻率大,熱裂紋敏感性大,在焊接時,與碳鋼或低合金鋼相比,更應嚴格控制焊接熱輸入,控制高溫停留的時間,防止焊縫晶粒嚴重長大與焊接熱裂紋的發生。

為提高焊縫的抗熱裂性能和耐蝕性,焊接時要注意焊接區的清潔,避免有害元素滲入焊縫,316L不銹鋼焊接時一般不需要預熱。同時,為了保證耐腐蝕性,盡可能避開450-850℃區間,可采用水強制性冷卻。為了防止焊縫和熱影響區的晶粒長大及碳化物的析出,保證焊接接頭的塑性、韌性和耐蝕性,應控制較低的道間溫度,一般不超過80℃。