不锈钢管道焊接防止背面氧化工艺探讨

刘金满

摘要：本文首先介绍了奥氏体不锈钢焊接的特点，并简要阐明了不锈钢管道焊接过程中采用的三种焊缝背面保护方法。本文主要探讨的是不锈钢管道焊接过程中背面焊缝以及热影响区容易氧化变色的问题，基于原因分析对现有的工艺提出一定的改进措施，进而采用混合气作为背面保护气，同时使用缠绕有循环水的钢管或者棉湿布对焊缝进行降温处理，配合焊接热输入等工艺，解决不锈钢焊接背面氧化的问题。

Abstract： This article first introduces the features of austenitic stainless steel welding and briefly describes the three methods of weld back protection used in the welding of stainless steel pipes. This article mainly discusses the problem of easy oxidation and discoloration of the back welding seam and the heat-affected zone during the welding of stainless steel pipes. Based on the analysis of the cause， certain improvement measures are proposed to the existing process， and then the mixed gas is used as the back protection gas， and the winding Circulating water steel pipes or cotton damp cloth are used to cool the welds and cooperate with welding heat input to solve the problem of back oxidation of stainless steel welding.

關键词：不锈钢焊接;氧化;焊缝;热影响区

中图分类号：TG457.6                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0114-02

0  引言

大量的实践证明，不锈钢管具有经久耐用的优点，随着成本和质量等方面的问题的解决，其在我国各类工程建设中的推广速度持续加快。但随着不锈钢产业的快速发展，不锈钢管道焊接过程中的背面保护问题逐渐引起了人们的重视。不锈钢材料中包含的合金元素与氧具有较高的亲和力，在焊接过程中若是不加保护，会导致焊缝和热影响区出现氧化烧损现象，影响到焊接作业的整体质量。因此有必要从工艺上做出改进调整，以解决此类问题。

1  奥氏体不锈钢焊接的特点

不锈钢按其组织形态可以分为A不锈钢、F不锈钢、M不锈钢和A-F双相不锈钢。我公司生产的燃气轮机配套天然气管道和滑油管道等使用的不锈钢管道主要以Cr-Ni型奥氏体不锈钢为主（如：0Cr18Ni9、00Cr19Ni10、0Cr18Ni10Ti等），我公司常用材料的化学成分见表1所示。A不锈钢的耐蚀性优良，具有较好的力学性能，可焊性也较好。但在具体产品的施焊过程中，一旦工艺使用不合理，就会在焊接接头部位产生严重的晶间腐蚀和热裂纹现象。

众所周知，A不锈钢的热传导率小、线膨胀系数大，焊接过程中易产生较大的变形和残余应力。由于冷却速度慢，致使焊缝在高温停留时间长，从而在焊缝中容易形成粗大的柱状晶组织，利于低熔点共晶物在晶界的形成，在熔池凝固结晶产生的拉应力和外界拉应力的作用下，容易产生焊缝凝固裂纹和热影响区液化裂纹。

我们知道，不锈钢具备耐蚀性的前提是钢中Cr元素的质量占比必须大于12%。但在焊接过程中，当焊缝热影响区的温度处于敏化温度区间（450～850℃）时，在晶粒内部碳的扩散速度大于Cr的扩散速度，多余的碳向奥氏体晶粒边界扩散，与铬结合，在晶界形成碳化铬，而扩散速度慢的Cr元素却来不及填补晶界Cr的损失，从而造成晶界的贫铬。致使产品在遇到腐蚀性介质时，贫铬的晶界就会失去抵抗腐蚀的能力，造成晶间腐蚀，进而引起应力腐蚀开裂。

所以，我们在进行具体产品焊接时，务必综合考虑不锈钢焊接的特点，制定合理的焊接工艺，避免热裂纹和晶间腐蚀等问题的出现。

2  现今不锈钢管道焊接中采用的焊缝背面保护方法介绍

目前，在不锈钢管道焊接作业中，焊缝背面保护所采用的方法主要有三种：

①背面加衬垫法，具体操作是在焊缝背面加设衬垫以承托熔池金属，以此实现对其冷却凝固过程的控制，获得良好的背面成形，因此也被称作焊缝强制成形，见图1所示。该方法的主要形式有三种，分别是铜衬垫、焊剂衬垫和焊剂—铜组合衬垫。这一方法的局限性十分明显，特定条件下在管道内部布设衬垫比较困难，在我公司很少使用。

②采用熔化极药芯焊丝气体保护焊。具有自我保护作用的药芯焊丝将焊剂包裹在内部，在焊接作业中，内部焊剂经高温燃烧产生气体和渣皮，对背面焊缝起自我保护作用，阻止氧气和氮气的侵入。自保护焊丝的应用优势在于不受管材规格、焊接位置等客观因素的影响，但由于其表面涂层的存在，可能会给操作人员带来一定的不适感，如果焊工操作水平较低，很容易留下焊接缺陷。

③管道焊口内侧通气保护。我公司不锈钢管焊接作业中采用的保护气体主要是氩气，属于惰性气体。氩气的特点是耐高温且不与焊缝金属发生化学反应，因此应用较为广泛。管道焊口内侧采用堵板封堵焊口两侧，焊口外侧采用锡箔纸胶带粘贴封堵，见图2所示。焊接时，采用预先通气、施焊作业、滞后通气工艺，外侧粘贴得锡箔纸边撕除边焊接，防止氧气侵入，从而保证焊缝内侧不被氧化，保证打底焊缝的质量。

3  不锈钢管道焊接背面氧化的原因及防止工艺的改进

不锈钢管道在焊接过程中，其背部焊道表面和热影响区容易出现氧化变色烧损的现象，损害不锈钢的耐腐蚀性。为了保障不锈钢管道的焊接接头质量，不损伤不锈钢材质原有的耐腐蚀性能，必须要对现有工艺进行改进，防止焊缝背面出现氧化烧损现象。在此之前，首先要对不锈钢管道焊接中焊缝背面出现氧化烧损的原因进行分析，可概括为六点：①采用氩弧焊单面焊双面成形工艺时，管道焊口内侧没有充氩气保护。焊把中的氩气只能对施焊侧的熔池起到保护作用，而背面没有任何防护与空气直接接触，高温的焊缝金属与空气中的氧发生化学反应，在背面焊缝形成氧化烧损。②虽然对管道焊缝背面充惰性气体进行了保护，但是由于充气方式不当，致使氩气在官腔内形成涡旋，很难将空气置换彻底，这样一旦开始焊接，未置换掉的残余空气中的氧气与熔融金属发生化学反应，导致焊道背面出現氧化烧损现象。③在进行起弧或断弧操作时，空气会经由开启的焊接坡口进入到里口，导致里口含氧量的增加，从而导致高温焊道被氧化烧损。④在进行填充和盖面层焊接时，因焊接电流等参数控制不当，导致焊接热输入过大，引起焊道背面的氧化或烧损。⑤保护气的纯度过低，未能起到对焊缝良好保护的效果。⑥不锈钢的导热性较差，散热效率也偏低，焊接作业中将长时间处于高温状态下，尤其是焊道和热影响区部位，被氧化烧损的几率大幅度提高。

基于以上各种因素，想要有效防止不锈钢管道焊接背面氧化烧损现象的发生，可以从以下几个方面入手对焊接工艺进行改进：首先，针对里口保护气中混入过多氧气导致焊道和热影响区被氧化烧损的问题，只需要将保护气中的氧气排除即可。对此，我们采用锡箔纸和堵板等材料进行封堵，向管内充入氩气将空气置换出来，采用合适的充气方式防止管内侧出现气体涡旋;同时可以提高保护气纯度，如采用纯度为99.99%的氩气作为保护气。其次，采用置换方式排出不锈钢管内空气时，基于氩气密度大于空气的特点，应遵循低充高排的原则进行操作，并酌情增加操作时间。第三在正式开始焊接前，提前充入保护气，同时通过燃烧的电弧将其中混入的氧气烧除，如此就可以从源头上降低焊道背面被氧化的风险。同时，滞后停气可以保障焊道在断弧后的一段时间内仍旧处于氩气的保护之中，直至顺利冷却。第四，在封坡口时采用具有良好密封性能的锡箔纸胶带，防止焊接开始时空气经由坡口进入管道。并使用具有提前送气、滞后停气功能的专业焊机和高频引弧焊枪，边撕纸边焊接，撕开锡箔纸的焊口部位一次焊完，避免出现断弧操作。第五，焊接过程中，尽量采用小参数对称焊接，严格控制层间温度，尽可能的提高焊接速度，最大程度的减少焊接过程中的热量输入，防止背面焊道在高温下出现氧化烧损现象。最后，在焊接过程中在焊缝两侧可以缠绕循环水冷却铜管进行降温操作，或是在焊道两侧缠绕棉湿布，这样可以加快焊道的冷却速度，防止氧化烧损的发生。

4  结语

综上所述，在不锈钢管道焊接作业的过程中，想要有效防止焊道背面氧化烧损现象发生，需要对现有的焊接工艺进行针对性的改进。结合以往操作实践可知，导致焊道背面氧化的原因主要集中在焊枪使用、保护气填充方式、焊接参数使用等环节，本文针对各环节的不利因素，提出了相应的改进措施，如更换专业焊枪、更改充气方式、提高保护气纯度、采用小参数焊接、控制层间温度等，有效地解决了不锈钢管道背面氧化的问题。希望可以为不锈钢焊接工艺的改进提供一定的参考。

参考文献：

[1]刘新海，刘新儒，丁自力，王俊峰，曹遂军，裴先峰.不锈钢管道焊接防止背面氧化工艺措施[J].金属加工（热加工），2020（01）：16-17.

[2]郑祥超.不锈钢背面保护剂焊接性研究[D].兰州理工大学，2012.

[3]樊鸿杰.背面涂覆保护剂焊接奥氏体不锈钢炉管的研究[D].兰州理工大学，2013.