船用20钢与316L不锈钢的异种钢管焊接工艺

许　骥，王　鹏，焦德义

(海军蚌埠士官学校，安徽 蚌埠 233012)



船用20钢与316L不锈钢的异种钢管焊接工艺

许骥，王鹏，焦德义

(海军蚌埠士官学校，安徽 蚌埠 233012)

针对船用20钢管与316L不锈钢管的异种钢焊接中存在的材料差异、接头组织软化、焊接质量不稳定等问题，对比两种材料的化学成分、物理性能和焊接性，提出更为可靠焊接工艺和方法。

船用20钢；316L不锈钢；异种钢；焊接

近年来海军舰船装备迅猛发展，新型舰艇在新材料应用、船体建造工艺等方面都取到了长足进步，船体结构钢材在继续向高性能化发展的同时，更追求低成本的经济性。其中，不锈钢作为一种强度高、塑性好、耐腐蚀的材料，在舰船修造特别是舰艇管系中的应用不断扩大，也使其与碳钢、合金钢等异种材料的焊接逐渐增多，如船用20钢管与316L不锈钢管对接焊，由于材料的差异和工艺条件的限制，焊接质量不够稳定。下面从两种材料的焊接性能入手，对其焊接方法、工艺参数等进行分析，提出质量更可靠的焊接工艺。

1　船用20钢与316L不锈钢的焊接性分析

20钢与316L不锈钢的化学成分及物理性能分别如表1、表2所示。

表1　20钢与316L不锈钢的化学成分

表2　20钢与316L不锈钢的物理性能

由表1可见，316L不锈钢属于奥氏体型不锈钢，它是在高铬不锈钢中添加适当镍而形成的[1]。该钢含碳量为0.025%，属超低碳不锈钢，因而抗晶间腐蚀能力强，且由于铬、镍、钼等合金元素含量较多，因而使金属表面形成了一层稳定致密、难溶耐腐的坚固钝化膜，将金属基材与外界隔离，而不会发生化学反应，具有优良的耐腐蚀性和抗氧化性，其机械性能、加工性能及焊接性能均较好，目前在造船中得到了广泛应用。舰船上在一定腐蚀介质下工作的管道，就大量采用了冷轧成型后经固溶酸洗处理的316L不锈钢管。总体来看，316L不锈钢的焊接性能良好。但在焊接时，易产生以下问题。

1)应力腐蚀开裂。316L不锈钢属纯奥氏体型不锈钢，导热系数小，线膨胀系数大，焊接时，焊缝在约束状态下，焊后接头会有较大的残余焊接应力。焊缝在使用过程中，与腐蚀介质接触的接头表面，将首先发生电化学腐蚀，经过一段时间后，会在金属表面产生微裂纹，在裂纹端部会出现应力集中，加上渗入裂纹内部呼吸介质的锲入作用，将促使裂纹继续扩展，继而又暴露出新的金属面，造成腐蚀进一步加剧。焊接残余应力还会加速这一进程，严重时，将使接头产生脆性断裂。

2)热裂纹。由于316L钢中含有较多的铬、镍等合金元素，因而有较大的热裂纹倾向。原因主要在于焊缝凝固时，钢中的硫、磷等有害杂质容易形成液态易溶夹层，聚积于熔池的中心区域，在焊接应力作用下会造成开裂，冷却后形成热裂纹。

20钢属于低碳钢中的优质碳素结构钢，含碳量较低，含锰、硅较少，材料的塑性和冲击韧性较好，焊接性能良好，一般不会因焊接而产生严重的硬化组织和淬火组织，在焊接实施过程中不需要特殊的工艺措施[2]，可以采用各种焊接工艺方法，广泛应用于结构件、板材、管道等的焊接生产。舰船的液压管由于使用温度和压力都不高，而且在无腐蚀介质的环境中使用，因此大量选用正火状态下冷拔成型并经过热处理的20无缝钢管。

2　船用20钢与316L不锈钢焊接的主要问题

虽然20碳钢和316L不锈钢各自的同种金属焊接性良好，但两者在物理性能如热导率、线膨胀系数等方面有较大差异。将两者通过焊接连接在一起即属于异种金属焊，比同种金属的焊接要困难得多，存在的主要问题如下。

1)异种钢焊接时，焊缝金属的组分是由两种不同类型的母材与填充金属混合而成的。由于20钢中合金元素含量较少，如果它在焊缝金属的份额增大，将会冲淡焊缝金属的合金质量浓度[3]。因此在焊接时，为降低开裂倾向，保证接头性能，一般要求母材在焊缝金属中所占份额要小，即稀释度小一些而且要求熔合比稳定，而由焊接材料来主导和控制焊缝金属的成分和组织，力求得到较理想的“奥氏体+铁素体”双相组织，避免脆硬的马氏体组织出现，降低焊缝金属受熔合比波动的影响程度。

2)20钢与316L不锈钢在焊接时，熔池边缘的金属在液态持续时间最短，温度也较低，流动性较差，容易结晶成固态。特别是在20钢一侧的熔池边缘，熔化的母材金属与填充金属混合不充分，将造成焊缝金属中20钢所占份额增大，形成一个成分梯度很大、宽度很窄的凝固过渡层(也称熔合区，见图1)，并产生一个硬度很大的马氏体脆性层，这样就有可能使熔合区遭到破坏，降低焊接结构的可靠性。因此要选择合理的焊接工艺规范，使熔池边缘金属高温停留时间延长，同时采用镍基焊接材料，以减小马氏体脆性层的宽度。

图1　焊缝熔合区组织形貌

3)20钢与316L不锈钢的焊接接头，在焊后热处理时或高温状态下，熔合区附近会发生碳由20钢侧向316L不锈钢侧扩散的情况，从而会在20钢一侧产生脱碳层，316L不锈钢一侧形成增碳层，且随着加热时间延长，扩散层就赵来越宽。碳迁移将会使熔合区的珠光体组织转变为铁素体组织，进而导致组织软化，焊接接头抗蠕变性能会大大降低。在高温下长时间服役，会最终导致接头产生断裂而失效。

4)因316L不锈钢的线膨胀系数比20钢大，20钢的冷却收缩量与316L不锈钢相比小得多，焊后的拉应力区大幅减小，很有可能使熔合线位于压应力区。这种接头若长时间处在高温状态，熔合区将产生很大的附加蠕变，进而造成接头的早期破坏。解决的方法是选用一个膨胀系数与20钢相近的奥氏体焊缝成分，来改变整个焊缝的性能。

5)20钢与316L不锈钢焊接时，在20钢一侧的熔合线区，焊缝中聚集的较多过饱和氢难于直接析出，会向扩散系数较大的20钢侧扩散，进而造成20钢中氢的大量聚集而无法排出，以至很有可能会形成延迟裂纹。

3　船用20钢与316L不锈钢的焊接工艺

综上所述，20钢与316L不锈钢的异种钢焊接，要想获得性能优良的焊缝，就需要根据这两种材料的焊接性能，选择正确的焊接工艺[4]。在舰船修造过程中，20钢与316L不锈钢异种钢对接焊的钢管通径一般在20～400 mm之间，管子壁厚在3.5～14 mm之间，这就需要根据不同的材料规格和工况条件，采用科学合理的焊接工艺，选择合适的焊接材料、坡口形式和工艺参数。

3.1焊接方法

根据20钢与316L不锈钢的特性，可选用手工钨极氩弧焊(TIG焊)、CO2气体保护焊、焊条电弧焊和埋弧焊等焊接工艺，结合具体焊接条件，为提高焊接生产效率，综合熔合比对焊接质量的影响因素，在实施中可以根据不同的管径，选择不同的焊接方法[5]：小直径管可以采用手工钨极氩弧焊(TIG焊)；大直径管可采用“手工钨极氩弧焊打底焊+CO2气体保护焊盖面焊”的方法。

3.2焊接材料

分析20钢与316L不锈钢两种材料的焊接性能，从调整焊缝的组织与性能、抑制熔合区碳的扩散、改善接头应力分布、提高焊缝抗裂纹能力等角度出发[6]，针对不同的焊接工艺，选择相应的焊接材料：当采用手工钨极氲弧焊时，可以选择综合性能较好的ER309L焊丝；采用CO2气体保护焊时，可选择E309LT1-1药芯焊丝[7]。

3.3焊接坡口

为确保熔合比，使焊丝(填充金属)与母材充分熔合，保证焊接质量，可以根据管子直径和管壁厚度，采用V形坡口形式，不留钝边，坡口间隙1.5～2.5 mm，坡口角度(60±5)°，见图2。

图2　坡口示意图

3.4焊接工艺参数

焊接时，为了减少熔合比[8]，在保证焊接质量的前提下，应选择小工艺参数，即采用较小的焊接电流和较快的焊接速度，对厚壁管尽可能采用多层多道焊，以缩短焊接电弧在焊缝边缘的停留时间，减少碳迁移，增强接头的耐热性能[9]。几种典型焊接工艺的规范参数见表3。

表3　几种典型焊接工艺的赫尔辛基参数

3.5焊后检验

焊后对20钢与316L不锈钢管对接焊缝进行外观检测，无焊瘤、咬边、成形不良等明显的外部缺陷；24 h后，进行着色探伤、射线探伤等无损检测，无裂纹、气孔等内部缺陷；通过宏观金相检验和机械性能试验，所有检测结果均符合质量要求。

4　结束语

异种钢焊接中，影响焊接质量的因素很多，应根据实际情况制订合理的焊接工艺，才能保证焊接质量[10]。综合以上检验结果，验证了20钢与316L不锈钢异种焊工艺的可行性，也充分说明，只要选用合适的焊接材料、采取有效的工艺措施和正确的操作方法，船用20钢与316L不锈钢的异种钢焊接完全可以获得满意的焊接质量。

[1] 刘政军，徐德昆．不锈钢焊接及质量控制[M]．北京：化学工业出版社，2002．

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[3] 武守辉，陈思杰．钢/铝异种金属的焊接[J]．热加工工艺，2012(15)：170-173．

[4] 孔祥明，异种钢焊接的特点及工艺[J]．中国化工贸易．2012(9)：154-154，98．

[5] 韩瑜．异材焊接：1Cr18Ni9Ti与16Mn焊接工艺分析[J]．科技资讯，2010(14)：107-107．

[6] 中国机械工程学会焊接学会．焊接手册：第2卷[M]． 3版．北京：机械工业出版社，2008．

[7] 钟文彬．碳钢和奥氏体不锈钢管道焊接焊材选用分析[J]．化工装备技术，2013(6)：59-61．

[8] 王瑞，王凤会，田华明，等．低碳钢与不锈钢焊接接头弯曲性能的分析[J]．焊接学报，2013(2)：58-62．

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Research on Welding Process of Marine 20 Steel and 316L Stainless Steel Dissimilar Materials Pipe

XU Ji, WANG Peng, JIAO De-yi

(Bengbu Navy Petty Officer Academy, Bengbu Anhui 233012, China)

Aim at the problems of material difference, soften mechanism of welded joints, welding quality unstable in the welding process of marine 20 steel and 316L stainless steel dissimilar materials, according the analysis of the chemical composition, physical properties and welding property of the two material, a more reliable welding procedures and methods is put forward.

marine 20 steel; 316L stainless steel; dissimilar steel; welding

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.005

2015-10-15

2015-11-11

许骥(1978-)，男，学士，讲师

U671.83

A

1671-7953(2016)01-0023-04

研究方向:舰船修理及监测

E-mail:andyxu78@163.com