304L不銹鋼管和碳鋼管焊接的技巧介紹

 在我國異種材料焊接也非常普遍。這些工廠的設施設備需要應用到不銹鋼的耐腐蝕性。當環境和服務條件允許，不銹鋼材料會與較便宜的碳鋼相連接。在這些應用中，使用碳鋼，包括低碳鋼和低合金鋼，能大大減少制造費用和運行費用。無論何種焊接應用，要想成功焊接異種鋼，都必須仔細選擇填充金屬和制定恰當的焊接工藝程序，這點無論采用哪種焊接工藝都同樣如此。浙江至德鋼業有限公司就針對304L不銹鋼管和碳鋼管焊接的技巧進行分析。

一、不銹鋼和碳鋼焊接技巧

 焊接304L不銹鋼管和碳鋼管時，關鍵是要注意化學成分、力學性能和耐腐蝕性，避免由此產生焊接問題。對于所有這三個因素，應選擇合適的填充金屬予以解決。比如，當焊接304L不銹鋼管與低碳鋼管時，最理想的填充金屬材料是309L，如圖所示。焊接時，焊縫分別被一側的不銹鋼和另一側的低碳鋼稀釋，兩側材料逐漸混合在一起，最終焊縫熔敷金屬的化學成分要與焊縫每一側化學成分相兼容。同樣，如果異種材料焊接時不清楚該選擇哪種填充金屬，應在焊接前提前咨詢焊接分銷商和填充金屬制造商。匹配每種材料的力學性能也同樣重要。力學性能的匹配是正確化學反應作用的結果，也是焊接工藝過程中所產生熱的反映。通常，無論是那種類型的不銹鋼與碳鋼焊接時，填充金屬的力學性能應該與兩種母材中力學性能較弱的母材金屬相同或略好一點。最后，不銹鋼和低碳鋼焊接時，保持焊縫和不銹鋼母材鄰近的耐腐蝕性也非常重要。

二、熱輸入非常重要

 為解決化學成分、力學性能和耐腐蝕性等問題，一定要遵循適當的焊接工藝過程，限制焊縫和不銹鋼母材的熱輸入量。限制熱輸入會減低焊縫熔敷金屬在接頭低碳鋼部分的稀釋，反過來，卻有助于保持焊縫熔敷金屬的合金成分和它的耐腐蝕性。在某些不銹鋼焊接中，中等熱輸入量也能保護接頭不銹鋼一側的耐腐蝕性，避免其組織產生不希望的相成分。比如，焊接300系列奧氏體不銹鋼時，如果在800～1400℃溫度區間停留時間過長，會析出碳化物沉淀。減少該溫度區間的停留時間——選擇含碳量低的母材和填充金屬——能防止類似問題產生。同時，使用穩定性高的填充金屬（例如ER321或ER347）也能保證并且進一步防止碳化物析出。焊接其他牌號不銹鋼時，如果高溫停留時間過長也可能產生不良相成分導致脆化或耐腐蝕性變差。某些不銹鋼在高溫時會形成σ相（一種脆而硬的金屬間相），將嚴重損害材料的力學性能和抗腐蝕性。比如雙相不銹鋼焊接時，熱輸入量多少要能保持焊縫和熱影響區（HAZ）的鐵素體和奧氏體的平衡。合適的熱輸入量能幫助保持各相在最終焊縫和母材熔合區的理想含量。

三、避免缺陷：翹曲、開裂和氧化

  不銹鋼的熱膨脹系數高，隨著溫度變化尺寸也會變化。也就是說，與碳鋼相比，在相同溫度變化情況下，不銹鋼的膨脹和收縮更大。不銹鋼的熱傳導率是碳鋼的一半。因為熱傳導率小，不銹鋼一側的熱將保持更長時間，它的熱不會從熱源迅速擴散掉。因為碳鋼的熱傳導率更高，沿著碳鋼一側的熱傳導也相對更快，熱量迅速傳遞出熱影響區。由于焊接異種鋼時，兩種材料的熱膨脹和熱傳導系數不同，會引起一些困難。焊接過程中由于不銹鋼側熱量較高，導致其自然膨脹和收縮。相反地，碳鋼（尤其是低碳鋼）由于具有良好的導熱性，因此在焊接接頭冷卻時冷卻速度更快，結構收縮也更快。這勢必會造成異種鋼焊接時產生翹曲和錯位。當兩種母材金屬的熱膨脹和收縮差異所產生的內應力超過了任一種母材的強度時，就會引起開裂。

  焊接304L不銹鋼管和碳鋼管時，針對這兩個問題，要避免較高拘束度的焊接接頭，以免焊接接頭加熱和冷卻時產生的高應力。如果確實要焊接高拘束度焊接結構，采用中等熱輸入和預熱來延遲焊縫完成后接頭的冷卻速度。最后一道焊道完成后對接頭進行保溫也能減緩冷卻速度，防止熱應力開裂。接頭污染也是異種鋼焊接時的一個重要問題，通常會導致“熱”開裂。污染物會與碳鋼或不銹鋼反應，產生大大降低熔化溫度的微量焊縫金屬。當焊縫冷卻時，這些低熔點污染物的微觀區域會最后凝固，最終在焊縫金屬冷卻和收縮時會造成開裂。如果問題嚴重，這些熱裂紋很容易被看到，但它們仍是微觀裂紋，無法用肉眼看見。

四、對策實施

 1. 提高焊工對不銹鋼與碳鋼插入式焊接的技巧

  a. 請專家講述304L不銹鋼管與碳鋼管插入式焊接的理論與操作要點：①. 多層焊時，底層焊道的焊縫表面應呈凹形或略凸形，為下一層焊道創造熔合的條件。②. 在運條時，若板料是不銹鋼，焊條擺動幅度應大致相同，但在不銹鋼側應稍停留長些，焊條角度應多朝向不銹鋼側，以保證組織成分的均勻和融合。③. 適當拉長電弧，增大電流以保證底層母材與母材間、中間層母材與焊縫間、焊縫與焊縫間得到充分熔合。④. 層間清理必須徹底，避免未熔合、夾渣的發生。

  b. 多次組織焊工試驗練習，共同討論交流技法，對成熟部分督促焊工加強練習，使其能夠熟練掌握。

  c. 為了增強焊工對技術難點鉆研的積極性，我們質量小組在中心領導大力的支持下，共同議定了獎勵表彰制度，根據貢獻程度的不同對先進者給予表彰獎勵。

  2. 查閱不銹鋼材料的性能對焊接的影響料，制定應對措施

 根據目前存在的304L不銹鋼管焊接的問題，通過小組查閱資料收集信息：

  a. 從化學成分看，304L不銹鋼管中鉻和鎳是碳鋼的幾十倍，碳大約是普通碳鋼的1/2?

  b. 從物理特性比較，304L不銹鋼管的熱導率時碳鋼管的1/2左右；線膨脹系數比碳鋼大約50%?通過調整工藝參數和改變焊接技法來促進熔合速度，提高元素的熔合比，以保證完全熔合?焊透?

  3. 制定出合理的焊接工藝參數

   a. 現場通過焊接試件測試調整焊接參數。

   b. 制作焊接工藝規程，加強對施焊人員在焊前的技術交底。

   c. 現場監督檢查施焊人員所用的焊接工藝參數。