小口径低碳钢-不锈钢复合钢管焊接新工艺 A Welding Method for Low Carbon-Stainless Steel Combined Tube with Small Diameter first-author 王育才（1983—），男，学士，工程师，主要从事压力容器、钢结构的焊接技术研究。E-mail：49920904@qq.com。 王育才（1983—），男，学士，工程师，主要从事压力容器、钢结构的焊接技术研究。E-mail：49920904@qq.com。 49920904@qq.com 舒勒（中国）锻压技术有限公司，上海 200070 舒勒（中国）锻压技术有限公司，上海 200070 Schuler (China) Co., Ltd., Shanghai 200070, China Schuler (China) Co., Ltd., Shanghai 200070, China 某小口径低碳钢-奥氏体不锈钢复合钢管的制造项目，由于钢管口径太小，无法选择“先基层，再过渡层，最后覆层”的常规焊接工艺填充顺序，而只能考虑单面焊双面成形，即先焊接覆层，后焊接基层。通过深入研究低碳钢-奥氏体不锈钢复合板常规焊接工艺的机理，以及分析不能直接在不锈钢表面堆焊碳钢的原因，探索性地引入工业纯铁作为新型过渡层填充材料。利用纯铁含碳量低的特性，避免了焊接接头中出现晶间腐蚀、热裂纹和冷裂纹倾向等问题，其塑性、韧性好的特点也进一步克服了直接在不锈钢表面堆焊碳钢会出现的裂纹问题。通过一系列试验验证了此工艺的合理性，从而获得了一种全新的焊接小口径低碳钢-奥氏体不锈钢复合钢管的方法。 Our Company has accepted a manufacturing project to weld some low carbon-stainless steel combined tubes with small diameter. Too small as tubes were, we couldn’t make them with regular welding procedure of “base layer -transition layer -coating layer” just like common combined plates, instead, we can only weld in this order “coating layer -transition layer -base layer” to get a joint only welding from one-side. The text researched deeply the theory of welding low carbon-stainless steel combined plates, analyzed the reason why it is impossible that overlying carbon steel onto the surface of stainless steel directly, and proposed creatively industrial pure iron as a new type of transition filler metal. We made use of the character of low carbon content in pure iron to avoid the problem of intergranular corrosion, in addition, the good plastic and toughness of pure iron overcame the crack problem occurred after overlying welding carbon steel material onto stainless steel surface. We have proved the reasonability of this method by conducting a series of experiments, and gotten a new procedure to weld low carbon-stainless steel combined tubes with small diameter eventually. 小口径复合钢管 单面焊双面成形 工业纯铁 堆焊碳钢 combined tubes with small diameter single side welding double side forming industrial pure iron overlying welding carbon steel 项目背景 1 2018年，舒勒（中国）锻压技术有限公司某复合管焊接项目，材质为基材Q235B、覆材S30403的碳钢-奥氏体不锈钢复合板，基层厚12~25 mm，覆层厚3 mm。要求通过卷制并焊接的方式制作成直径140~280 mm、覆层衬里的碳钢-不锈钢复合管。 按照NB/T47015《压力容器焊接规程》的推荐，典型的复合板产品焊接工艺 ［ 1 1 ］ 都是先用碳钢焊材焊接基层金属，待到填充至低于覆层-基层分界面约1.5~2.5 mm时，用Cr、Ni等合金成分略高于覆层的不锈钢焊材焊接过渡层，当过渡层填充至高于覆层-基层分界面0.5~1.5 mm时，再使用与覆层金属成分相对应的不锈钢焊材对尚未填充的覆层焊缝进行盖面焊接，如 图1 图1 所示。然而，该项目由于管径过小，无法像常规焊接复合板制品的方法一样先焊接基层，再焊接覆层。在这种特殊情况下，通常会选择全不锈钢焊材填充所有焊道。典型做法是：用与覆层相匹配的焊材先焊接覆层，至低于分界面0.5~1.5 mm时，再用Cr、Ni合金成分略高于覆层金属的不锈钢焊材焊接过渡层和基层 ［ 2 2 ］ ，如 图2 图2 所示。由于奥氏体不锈钢焊缝的综合机械性能都高于普通低合金钢和低碳钢母材，这种做法可以获得满足覆层耐腐蚀性能和基层机械性能的焊接接头。 拟定复合管焊接新方案及其焊接特性分析 1 初步探索 2 上述普通小口径复合管焊接工艺意味着填充碳钢坡口（基层部分）也需要使用不锈钢焊材，对于大批量产品的焊接成本太高。能否通过改进焊接工艺的方法，降低基层填充材料的成本成为了一个值得探索的课题。降低填充材料的成本，有减小填充金属的截面积和改变填充材料两种途径。经过分析， 图2 图2 的坡口形式合理，不适宜改动。所以只能尝试将基层坡口的焊接材料从不锈钢材质换成廉价的、与基层相匹配的碳钢材质。经查阅大量的文件资料，并未得到任何有用的支持文件。经对零星信息的汇总，只得出一个缺乏直接理论依据的推测，即“在用匹配的焊材已经焊好覆层坡口的情况下，不能直接用碳钢焊材填充复合板基层坡口，否则会产生裂纹” ［ 3 3 - 4 4 3-4 ］ 。为了简单验证这一推测，采用材质为S30403的不锈钢管，用J427焊条按常规焊接参数沿钢管表面的轴线方向进行试焊接，在焊接过程中就听到了焊缝爆裂的声音。 根据奥氏体不锈钢及碳钢的焊接特性，分析在不锈钢表面直接堆焊碳钢开裂的原因 ［ 5 5 ］ ： （1）晶间腐蚀 ［ 6 6 ］ 。熔融的碳钢焊条与不锈钢母材在熔合线区域发生混合，导致焊条中的碳渗透进不锈钢表面，并与其中的铬形成Cr 23 C 6 等碳化物，易形成晶间贫铬，从而降低此区域的耐腐蚀性能。 （2）热裂纹 ［ 7 7 ］ 。奥氏体不锈钢表面堆焊碳钢，不锈钢焊缝表面金属被重新熔化并与碳钢焊材中的杂质元素形成一些低熔点共晶。熔池凝固过程中，在拉应力的作用下可能会使这些区域沿奥氏体晶间开裂从而形成液化裂纹。 （3）冷裂纹倾向 ［ 8 8 ］ 。首道堆焊的碳钢在焊接过程中，当底层近表面熔融的不锈钢材料中的Cr、Ni等合金元素进入碳钢熔池会导致焊缝的分界区域碳当量急剧增加。另外，如 表1 表1 所示，不同温度下的碳素钢和奥氏体不锈钢的热膨胀系数约为27%~48%，在堆焊首层碳钢焊材的热循环过程中，不同的热膨胀和收缩应力差将会对首层堆焊的碳钢形成一定的拘束应力，增加冷裂纹倾向。 2 材料 9 在下列温度与20℃之间的平均线膨胀系数（10 -6 /℃） 50 100 200 300 400 500 600 700 800 碳素钢 11.12 11.53 12.25 12.90 13.58 14.22 14.62 14.90 — 奥氏体 不锈钢 16.54 16.84 17.25 17.61 17.99 18.34 18.71 18.97 19.29 新焊接方案 2 综合上述原因，发现直接在不锈钢母材或焊道上堆焊碳钢焊材确实难以实现。提出一种新的工艺方案，即：先用与覆层材料相匹配的不锈钢焊材焊接覆层，焊至覆层-基层分界面以上0.5~1.5 mm后，选择用工业纯铁剪条在上面堆焊一层 ［ 9 9 - 10 10 9-10 ］ ，厚度约2~3 mm，最后再使用与基层相匹配的碳钢焊条焊接其余基层部分，如 图3 图3 所示。 工业纯铁的焊接性和新方案的可行性分析 2 工业纯铁是钢的一种，其化学成分主要是铁，含量为99.50%~99.90%，含碳量在0.04%以下，其他元素愈少愈好。一般工业纯铁质地特别软，韧性特别大，相应的强度、硬度则比低碳钢低很多。工业纯铁有着极低的碳当量和极好的焊接性，而选择工业纯铁作为过渡层焊接主要有以下原因：（1）工业纯铁的含碳量极低，与覆层不锈钢焊道金属中的Cr形成碳化物的影响小，对耐晶间腐蚀性能的影响也会大大降低；（2）工业纯铁的主要成分是铁，即便覆层焊道表面的合金元素熔入过渡层焊缝，碳当量的增加也较为有限，从而降低过渡层焊道的冷裂纹敏感性；（3）工业纯铁质地较软，塑性好，可有效降低焊接时拘束应力过大的影响；（4）工业纯铁的强度比低碳钢低很多，因此，只能焊接一层作为过渡，以保证焊接接头的总体抗拉强度不会降低。综上所述，选择工业纯铁作为隔在碳钢和不锈钢之间的一种过渡材料，将有效避免直接在不锈钢上面堆焊碳钢所带来的晶间腐蚀和热裂纹问题，并降低冷裂纹倾向。另外，新方案中覆层焊缝金属略高于分界面可以降低过渡层对覆层金属耐腐蚀性能的影响。 新方案验证 1 焊接方法与焊接材料 2 为了兼顾焊接效率与产品质量，奥氏体不锈钢覆层与过渡层的焊接采用GTAW，碳钢基层采用SMAW。由于市场上没有纯铁质地的成品焊材，因此将厚2 mm的纯铁皮裁剪成正方形截面的剪条，去除毛刺后代替使用。纯铁剪条牌号为GB/T6983，DT4C的电磁纯铁，其化学成分和力学性能如 表2 表2 和 表3 表3 所示。保护气体选择纯度≥99.99%的氩气。 牌号 C Si Mn P S Al Cr Ni Cu Mo DT4C ≤0.01 ≤0.10 ≤0.25 ≤0.015 ≤0.010 0.20~0.80 ≤0.10 ≤0.05 ≤0.05 — H022Cr21Ni10 ≤0.03 ≤0.65 1.0~2.5 ≤0.03 ≤0.03 — 19.5~22.0 9.0~11.0 ≤0.75 ≤0.75 E4315 ≤0.20 ≤1.0 ≤1.2 ≤0.04 ≤0.035 — ≤0.20 ≤0.03 — ≤0.03 注： ① 此焊材参照GB/T983《不锈钢焊条》中焊条E308L-16的力学性能。 牌号 抗拉强度/MPa 断后伸长率/% 表面硬度/HV5 DT4C ≥265 ≥25 ≤195 H022Cr21Ni10 ① ≥510 ≥30 — E4315 ≥430 ≥20 — 焊接不锈钢覆层使用的焊丝牌号为YB/T5092，型号H022Cr21Ni10（ER308L），焊丝直径2.0 mm，保护气体为纯度≥99.99%的氩气，正反面气体保护。焊接基层碳钢使用的焊条牌号为GB/T5117，型号E4315（J427），直径4.0 mm、5.0 mm。 初步试验 2 将一块S30403钢板表面打磨干净后，用DT4C剪条在表面堆焊一层，再用E4315焊条堆焊3层。整个焊接过程中未听到异常响动。焊后沿焊道横截面切开观察横断面，对三个横断面的检查均未发现裂纹等异常缺陷，初步验证了之前的理论分析。 焊接工艺评定 2 由于焊接方法已确定，正式焊接前做工艺评定试验时只需考虑试件厚度能覆盖的产品范围即可。然而，不同厚度的产品其接头拘束应力也有差异，为了验证产品焊接时是否存在冷裂纹风险，决定在复合管系列产品中选择厚度的最大规格和最小规格各做一套工艺评定试验，具体流程如下。 准备工艺评定材料 3 母材4块S30403+Q235B的复合板，其中2块尺寸为δ（3+25） mm×125 mm×400 mm，另外2块尺寸为δ（3+12） mm×125 mm×400 mm。每块板选一条长边开坡口，坡口形式见 图3 图3 ，焊材准备见3.1节。 拟定焊接试验参数 3 焊接工艺步骤见2.2节和如 图3 图3 所示。根据经验及焊材厂家提供的焊接参数推荐表，拟定焊接参数如 表4 表4 所示。另外，需注意：焊接过程中无需预热，覆层焊接的层间温度≤150℃，过渡层与基层的层间温度≤250℃，保护气体流量为15~20 L/min。 焊层 焊接方法 焊接位置 填充金属牌号及规格 电流极性 电流/A 电压/V 焊接速度/（cm·min -1 ） 覆层 GTAW 1G H022Cr21Ni10（ER308L） http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412495&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412487&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412486&type= 1.64660645 1.82800293 2.646 2.0 DCEN 120~170 12~17 8~12 过渡层 GTAW 1G DT4C（剪条） http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412476&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412491&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412477&type= 1.64660645 1.82800293 2.646 2.0 DCEN 120~170 12~17 8~12 基层 SMAW 1G E4315 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412509&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412492&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412511&type= 1.64660645 1.82800293 2.646 4.0 DCEP 140~180 22~24 18~20 基层 SMAW 1G E4315 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412512&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412515&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44412513&type= 1.64660645 1.82800293 2.646 5.0 DCEP 180~220 23~25 16~18 试验过程及结果分析 3 按 表4 表4 拟定的焊接参数取值，焊接2副工艺评定试板。焊接完成后放置24 h进行射线检测，按NB/T47013.2《承压设备无损检测——射线检测》Ⅱ级要求进行评定，结论合格。 试板取样后按NB/T47014—2011《承压设备焊接工艺评定》进行力学性能检验，结论合格。其中，两组拉伸试验结果如 表5 表5 所示，弯曲试验选择侧弯，弯曲180°后，受拉表面均未发现裂纹。 试样号 名义厚度/mm 实测宽度/mm 实测厚度/mm 面积/mm 2 极限总载荷/kN 极限单位应力/MPa 断裂位置和性质 PQR1801-T01 15（3+12） 20.04 15.11 302.80 77.47 255.85 母材、塑性断裂 PQR1801-T02 15（3+12） 20.19 15.03 303.46 75.62 249.19 母材、塑性断裂 PQR1802-T01 28（3+25） 20.13 28.30 569.68 141.77 248.86 母材、塑性断裂 PQR1802-T02 28（3+25） 20.22 28.29 572.02 145.65 254.62 母材、塑性断裂 另外，从覆层焊缝表面取样，按GB/T4334—方法E《不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法》进行晶间腐蚀试验，受拉面为靠近过渡层的一侧（距离复合板覆层表面约2.5 mm），将2 mm厚的腐蚀试样放置在添加铜屑的硫酸-硫酸铜溶液中煮沸16 h后取出，进行弯曲试验，受拉表面未发现裂纹，试验结果合格。 最后，整理工艺评定报告及编制产品焊接的工艺指导文件。 复合管产品制作 1 （1）根据产品规格下料，并按 图3 图3 制备坡口。成品复合管应由长度≤500 mm的管节拼接而成，管节长度视直径和成品规格而定，应保证覆层焊好后可以进行渗透检验和便于内部返修。 （2）卷制管节，并调整卷制后纵缝的根部间隙在2~3 mm之间，以保证根部焊道的单面焊双面成形。清理坡口内部及坡口两侧的油污、杂质，对纵缝的根部覆层进行固定焊接。 （3）参照焊接工艺文件，单面焊双面成形焊接覆层的不锈钢坡口，注意正面和背面的气体保护，焊至高于覆层-基层分界线以上约0.5~1.5 mm处。 （4）焊缝冷却后，在焊缝根部（复合管内部焊缝表面）做渗透检测，如果有渗透，修复表面开口缺陷。 （5）参照焊接工艺，用纯铁剪条焊接一层过渡层，厚约2~3 mm。再用碳钢焊条填充其余的基材坡口，尽可能选择多层多道焊，以及时释放应力。 （6）焊接完成后矫圆，并在24 h后按产品要求进行射线探伤抽检。射线探伤的抽检包括每种规格的前3个管节纵缝。 （7）组装管节。调整组装间隙并使相邻管节的纵缝沿横截面错开90°，按上述焊接纵缝的步骤焊接和检查环缝。 结论 1 按照新的复合管焊接方案，整个项目制作圆满完成，在保证质量的前提下，明显节约了产品制作成本，取得了良好的经济效益。钢管服役两年后回访时，处于正常工作状态，为后续同类型产品的焊接积累了宝贵的经验。同时，在制作过程中也发现一些问题，值得注意。 （1）使用新方案焊接复合管产品时，应充分考虑由接头拘束应力的影响导致的基层冷裂纹倾向，工艺评定试验宜模拟最大厚度产品的焊接。产品焊接时尽量降低过渡层和基层的焊接热输入量，具体方法包括但不限于：小的焊接参数、控制层间温度、锤击焊道、多层多道焊等。 （2）需要注意纯铁剪条的强度较基层和覆层金属低一个等级，因此，宜将过渡层焊缝金属厚度控制在一层（2~3 mm）。另外，工艺评定试验时可以验证规格最小的复合管产品焊接接头的总体强度。 参考文献 常剑锋 . 浅谈不锈钢复合板的焊接工艺 ［J］. 石油和化工设备 ， 2006 （ 6 ）： 25 - 26，37 . 浅谈不锈钢复合板的焊接工艺 CHANG J F . 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