通过对316L不锈钢焊接性能的分析、手工钨极氩弧焊焊接过程的控制、焊后进行无损检测、晶间腐蚀、力学性能等项目的数据分析,焊接接头的机械性能和耐腐蚀性达到了工艺要求,保证了316L不锈钢管的焊接质量,为广大焊接工作者提供参考。

316L不锈钢耐腐蚀性能强、综合力学性能优良,是目前耐腐蚀应用较为广泛的不锈钢材料之一。其耐氯化侵蚀的特点较好地适应海洋环境,316L不锈钢铬含量大于16%以上,镍含量在12%左右,含钼量2%左右及含有少量的氮、钛等元素,同时还可耐多种介质的腐蚀。奥氏体不锈钢材料焊接性能比较好,其焊接接头具有较好的韧性,不足之处是容易产生如焊接热裂纹、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、接头的δ相催化等缺点。

焊接性分析

316L不锈钢属于奥氏体不锈钢,其具有线膨胀系数大、热导率低的特点。一般情况下,焊接性能良好。但如果焊接过程中,焊接在高温停留时间较长,焊缝晶粒易长大,最终形成粗大的柱状晶组织;在凝固结晶的过程中,磷、硫、锡、铌、锑等杂质元素含量超标,易形低熔点共晶物。焊接接头在热胀冷缩过程中承受较高拉应力时,焊缝中易产生凝固裂纹,导致在热影响区形成液化裂纹,以上现象都是焊接热裂纹。因此严格控制316L钢以及焊材中的易形成低熔点共晶的杂质元素,使316L奥氏体不锈钢中产生4-10%的铁素体组织,这些是防止热裂纹产生较为有效的途径。

316L不锈钢管氩弧焊焊接试验

焊接基本参数

316L属于奥氏体不锈钢,本次试验以小直径钢管316L不锈钢管为例,其管径为56mm,壁厚6mm,在实际生产中,管子一般采用手工电弧焊和TIG焊。

小直径管材焊接时应采用单面焊双面成形工艺,如用手工电弧焊焊,管材内壁的焊缝成形难以控制,而用TIG焊就容易多了。

316L不锈钢管的焊接过程中,为了降低产生热裂纹的倾向,必须严格控制焊接过程中的热输入和防止高温停留的时间过长,导致焊缝晶粒严重长大。由于热输入与电流、电压和焊接速度有关,因此焊接过程中,在满足焊接质量的前提下,尽量降低焊接电流和电压,提高焊接速度,尽可能采用多层多道焊,同时多采用直线运条法,减少高温停留的时间。控制道间温度不高于80℃,其焊接工艺要求见下:

焊接时,为了保证焊接的稳定性,因而采用直流电源;同时为了降低钨棒侧的温度,减少钨棒的烧损,因此采用直流正接DC-)。

焊前需将管子坡口2侧打磨光滑,去污除锈,进行2点定位法或者3点定位法;水平定位焊时,为了保证焊接试样取样的准确性,需在6点处做好标记。为了保证焊接质量,避免飞溅,应在坡口以外的部位引弧,焊缝表面要求光洁,彻底清除残渣。

打底焊时焊缝厚度尽量薄而均匀,不要急于加丝,一定等熔池的温度较高,能够也与根部熔合良好,看到根部有一个很小的熔孔,说明焊接背面成型良好。收弧时尽量采用要衰减收弧,如焊机无此功能,焊枪在收尾处停留的时间长一些,以免产生缩孔。如有收弧缩孔,应用磨光机清除掉。同时必须在坡口内引弧熄弧,熄弧时应填满弧坑,防止弧坑裂纹。

氩弧焊焊接时,为了保证管材内壁良好结合性能和机械性能,必须在管内充满氩气,与保护焊缝背面的成型。焊接前2~3分钟应提前通气,通气的流量为8~12L/min,结束后滞后2~3分钟再停气,以保证取代管内原有的空气,提高焊接质量。

施焊中间停弧或焊接结束时,要用衰减法熄弧。即收弧时,将焊枪轻移至坡口外,使电弧熄灭,再立即将焊枪收至收弧处,继续送气3~5秒,使焊接熔池在延时气体的保护下冷却,以防止产生缩孔和裂纹,焊后在自然环境下冷却。

层间温度应不大于80℃。由于316L不锈钢导热性强、淬硬倾向小,在450-850℃易产生晶间腐蚀现象,可以通过急冷方式进行降温控制(可采用水冷)。在焊接时,焊丝直线运丝,不作横向摆动,可以避免焊缝过热。

对管子的焊接,一般采用垂直固定焊(2GTIG316L2G-ABS和水平固定焊(5GTIG316L5G-ABS两种焊接位置,而针对2种工艺,考虑到焊后取样,要做2个拉伸,4个弯曲和晶间腐蚀试验等,所以每个位置应该至少有两根管子以保证力学性能试验。

焊接试验项目

焊后进行外观检验,检查焊缝外表面和内表面,外表面无缺陷,主要检查焊缝的熔合度,焊缝的直线度,焊缝的高度以及咬边现象,内表面经仔细观察,主要检查有没有未焊透和内凹的现象,水平固定焊仰焊部位允许小于1mm内凹;通过进一步的无损检测试验PTRTPT主要检测焊缝近表面的质量,RT主要检测焊缝内部的质量,其检验结果均符合标准。

对要求较高的压力容器和海工项目,焊接试样进行晶间腐蚀试验。晶间腐蚀试验包括压扁和弯曲两种,对于管状试样,大多数采用弯曲试验。按不锈钢晶间腐蚀试验方法,试样经65010℃保温30分钟,然后水冷,在铜-硫酸铜-硫酸试验中进行16小时左右的沸腾试验。以试样管壁厚度小于1mm时,压头直径为1mm,当试样大于1mm时,压头直径为5mm,焊管或者焊接件试样经180毅弯曲后再检验,用10倍放大镜管观察焊接试样外表面,不锈钢试样无晶间腐蚀裂纹,说明耐晶间腐蚀性能合格。

用宏观分析的方法对试验进行试验,同样没有发现宏观缺陷,如发现缺陷,只要缺陷小于3mm,也是合格的。宏观金相检验,焊道熔合较好,无焊接曲线,焊接熔深满足要求(1.2mm左右)。微观金相检验,焊接金属为95豫奥氏体+5豫铁素体组织的双相组织,抗晶间腐蚀要求得以保证,保证了焊接的耐腐蚀性能。

经分析,进行相对应的力学性能试验,其中力学性能取样为拉伸2根,正反弯各2根,以及宏观一块。拉伸试验结果符合ABS船舶规范标准,(注:ABS船级社规范即AmericanBureauofShippingABS)船舶规范)数据详见表

结果表明两套焊接工艺的正弯、反弯均全部合格。

结束语

在试验中,严格遵守ABS船级社规范的要求,做了拉伸、弯曲、晶间腐蚀和铁素体含量等试验。经过试验总结出S316L管子氩弧焊焊接工艺研究特点:316L不锈钢,虽然合金元素的含量大于30%,但整体性能良好,可以用手工焊、气保焊、氩弧焊等焊接方法进行施焊。采用氩气惰性气体保护,进行316L不锈钢管子手工钨极氩弧焊焊接,焊接质量外观成型良好、美观,而且焊接接头的机械性能和耐腐蚀性可充分得到保证。经测定其抗拉强度在540N/mm2左右,焊接金属为95%奥氏体+5%铁素体组织的双相组织,达到材料焊接后不低于母材最小值的要求。因此焊接工艺获得ABS船级社的认证,获得了相关的焊接工艺评定证书以及焊工证书。

对整个焊接工艺过程和试验结果综合分析后,316L不锈钢焊接得到如下结论:由于316L属于奥氏体不锈钢,其本身的焊接性能优良,一般不要采用预热。焊接只需要把焊缝220-30mm范围内清污除锈,坡口间隙2-3mm,坡口钝边1mm左右。但由于316L不锈钢的热导率小,而且热膨胀系数大,焊接过程中热胀冷缩,容易产生较大的焊接变形和焊接应力。对此,应尽可能选用焊接能量集中的焊接方法,如钨极氩弧焊,采用较小的焊接电流和电压,直线运条,采用多层多道焊;同样的焊接电流下,由于奥氏体不锈钢热导率小,可等到比低合金钢较大的熔深,同时又由于其电阻率大,热裂纹敏感性大,在焊接时,与碳钢或低合金钢相比,更应严格控制焊接热输入,控制高温停留的时间,防止焊缝晶粒严重长大与焊接热裂纹的发生。

为提高焊缝的抗热裂性能和耐蚀性,焊接时要注意焊接区的清洁,避免有害元素渗入焊缝,316L不锈钢焊接时一般不需要预热。同时,为了保证耐腐蚀性,尽可能避开450-850℃区间,可采用水强制性冷却。为了防止焊缝和热影响区的晶粒长大及碳化物的析出,保证焊接接头的塑性、韧性和耐蚀性,应控制较低的道间温度,一般不超过80℃。