不同焊接顺序对不锈钢复合管焊接接头性能影响分析

卢文静

摘 要：不锈钢产业作为第二产业中的重要部分，是关系一个国家国民经济命脉的重要基础产业之一，并且关系着我国的工业制造业、建筑行业、机器生产等多个行业的发展。我国作为一个发展中大国，第二产业占据着国民经济的重要位置，在经济发展与建设过程中对不锈钢及其复合材料的需求量很大。相比于传统的不锈钢材料来说，不锈钢复合材料的成本较低，耐蚀性能良好，因此广受人们的青睐。本文通过利用两种不同的焊接顺序，对不锈钢复合管焊接接头的组织性能进行一定的讨论分析，以期为读者提供一定的理论性参考。

关键词：不锈钢;焊接接头;焊接顺序

中图分类号：TE973.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0126-02

0 引言

不锈钢材质因其坚固耐用不易碎，良好的保温性能和较高的耐腐蚀、耐高温性、抗高温氧化性而在近代得到了大范围的生产与普及应用，对当前的机器生产制造业、汽车行业、建筑以及航海制造业都发挥着至关重要的作用。但是不锈钢材料也存在许多不足之处，例如制作成本较高，并且还不耐碱性介质的腐蚀，容易产生重皮、夹杂、边浪、裂变、孔洞等现象。

而不锈钢复合材料能够有效地改善上述问题，逐渐得到了市场的认可与使用。不锈钢复合管于2002年国家标准GB/T18704-2002正式颁布，是用两种金素材料——不锈钢和碳素，经由无损压力操作同步复合成的新型材料。相较于传统的不锈钢管，不锈钢复合管虽然材质为铁管，但是管身外面包裹着一层不锈钢层，相比于传统的不锈钢管来说更加坚固，并且管材较轻，承重能力和抗冲击性都更强，在管口具有良好封闭的情况下，可以实现拥有与纯不锈钢一样的防锈期限。

因此相对于防锈性能相对较好的不锈钢管来说，不锈钢复合管对焊接的封闭性技术要求更高，只有选择良好的焊接技术保障不锈钢复合管口保持良好的封闭性，才能使不锈钢复合管在保持自身良好的承重能力和抗冲击性之外，获得与不锈钢管材料同样的防锈期限。提高不锈钢管焊接技术，既有利于降低生产成本，又同时能保障不锈钢复合管坚固性、承重性与耐腐蚀性兼具。这就要求我们进一步提高当前的焊接技术，通过良好的焊接技术弥补不锈钢复合管的缺失与不足。当前我国对不锈钢复合管焊接技术的研究仍然存在许多不足之处，我国当前的焊接技术存在经验性积累的问题，缺乏科学、严谨的论证与探讨。在通常情况下，施工工人在对不锈钢复合管道进行施工建设时，往往会采取多种焊接顺序和方法，加上电焊工人的生产经验、专业能力素质与个人偏好的不同，导致不锈钢复合管道最终的焊接性能与使用效果、使用年限也不尽相同，这十分不利于我国建设行业的发展，甚至会产生大量本不该产生的原材料的浪费与维护费用。

基于上述我国当前不锈钢复合管焊接技术存在的不足之处，为比较各种焊接方式的优劣，探索最为合适的焊接技术，促进行业的发展与提高，本文采用了两种不同的焊接顺序对不锈钢复合管材料进行焊接，并分别进行两种焊接方式的性能测试，通过拉伸和弯曲试验、冲击试验、硬度值测定、金相组织观察、疲劳试验等试验步骤，判断两种不同的焊接顺序下，不锈钢复合管的各项力学性能指标，希望通过此次试验能为行业同仁提供数据支持，为行业发展建言献策。以下为试验的具体步骤，具体思路为首先介绍两种焊接顺序的具体操纵方法，然后分别展现不同焊接顺序下不锈钢复合管焊接接头的性能数据。

1 第一种焊接顺序对不锈钢复合管焊接接头性能的影响

（1）第一种焊接顺序的具体操作手法。技术人员在采用第一种焊接顺序的方法时，应当预先采用E4315的焊条焊接基层，随后选用焊接过渡层时，技术人员应当选择E309-16的型号，最后采用型号为E347-16的焊接复层。（2）第一种焊接顺序下的拉伸试验。当技术人员采用该种焊接顺序对不锈钢复合管焊接接头进行性能分析时，发现2个试样在进行拉伸过程中，均在母材靠近热影响区的部分发生塑断，并且经过测试，该试样的抗拉强度均符合国家规定的标准要求。（3）第一种焊接顺序下的弯曲试验。假设a为试样的实际厚度，当技术人员将不锈钢复合管的焊接接头按4a的弯曲半径进行弯曲试验（试样的弯曲角度为180°）时，发现碳钢焊接区与不锈钢焊层的熔合效果较为良好，但部分试样在试验过程中出现了裂纹，且其实际长度小于15mm。经过研究人员的实际分析，该现象是因为试样中存在焊接气孔缺陷。同时，在碳钢焊接区与不锈钢焊层的结合处出现了一定的鼓包现象，并且这些鼓包的弯曲程度并不相同。其总面积处在4mm2～6mm2之间，研究人员认为，该部分产生了一定含量的低碳马氏体，而低碳马氏体本身具有“自回火”的特性，致使该部位的硬度值在实际检测中大于接头中其他部位的硬度值，并且呈现出较为良好的韧性[1]。（4）第一种焊接顺序下的冲击试验。在进行该环节的试验时，技术人员需要在不锈钢基层侧焊缝金属中取一定体积的V型缺口冲击试样，当冲击试验完成后，技术人员经过观察发现在常温下，试样的最小KV2值为88J左右，试样KV2的平均值在141J左右。（5）第一种焊接顺序下的硬度值检测。当技术人员在焊缝截面的基层侧、过渡层侧以及两者的结合部位进行硬度值检测时，发现与侧弯试验的检测结果相同，基层侧与过渡层侧两者结合部位的最大硬度值大约为192HV2。（6）第一种焊接顺序下的金相组织观察。当技术人员将E309-16型号的焊缝与E4315型号的焊缝结合区试样进行金相组织观察时，发现不锈钢焊层的该组织中含有少量，马氏体、少量铁素体以及奥氏体[2]。

2 第二种焊接顺序对不锈钢复合管焊接接头性能的影响

（1）第二种焊接顺序的具体操作手法。在利用第二种焊接顺序对不锈钢复合管焊接接头的性能进行研究时，技术人员应当选用型号为E4315的焊条与型号为ER309的过渡层进行相关操作。在焊接过程结束后，技术人员观察焊缝表面时发现无明显的气孔与裂纹，且无未熔合的缺陷产生。焊缝成型的状态十分良好。（2）第二种焊接顺序下的拉伸试验。当研究人员观察拉伸试样后发现，不锈钢复合管试样的热影响区呈现塑性断裂的现象，且其母材、焊缝与熔合区等均出现相对清晰的形貌。同时，研究人员发现，不锈钢焊层与焊缝碳钢焊层的过渡区出现了少许的鼓包。其直径经过测量后发现约为20mm2～30mm2[3]。（3）第二种焊接顺序下的弯曲试验。在弯曲试验完成后，研究人员通过实际观察发现，与大部分碳鋼焊层侧的熔合情况相比，不锈钢焊层侧的焊接熔合状况相对较好，并且碳钢焊层侧与不锈钢熔合区无明显的弯曲裂纹现象，其熔合状况相对较好。但是值得注意的是，所有的弯曲试样在碳钢焊层与不锈钢焊层的结合之处都产生了表面积为20mm2左右的弯曲鼓包，研究人员通过分析认为，该区域处产生了一定含量的高碳马氏体组织，因此当进行弯曲试验时，高碳马氏体组织的延伸率与周围金属的延伸率有所不同，致使弯曲鼓包生成。（4）第二种焊接顺序下的冲击试验。在进行第二种焊接顺序下的冲击试验时，技术人员需要在不锈钢的热影响区与基层侧焊缝金属中取一定体积的V型缺口冲击试样，随后进行冲击试验。结果发现现实常温下焊缝取的KV2值平均为56J，明显小于第一种焊接顺序下的KV2值，研究人员经过分析，认为这是由于焊缝的局部产生了一定的高碳马氏体，因此导致了上述现象。（5）第二种焊接顺序下的硬度值检测。在冲击试验后，研究人员进行了第二种焊接顺序下不锈钢复合管焊接接头硬度值的检测，研究人员发现母材、熔合区与焊缝等区域未出现明显的裂纹，并且上述区域的熔合较为良好。但是当利用碳钢焊条在不锈钢上焊接时，技术人员发现该部分的熔合区出现了一定范围的“白色区域”。研究人员经过检测该部分的硬度值发现，其实际数值远大于不锈钢基层的其他部位，研究人员分析认为原因是因为第三、四层的焊缝均产生了一定的高碳马氏体，使得该区域的焊缝硬度明显提高。（6）第二种焊接顺序下的金相组织观察。研究人员将经过第二种焊接顺序的试样腐蚀后投入硬度值的检测，然后发现，试样基层与复层之间的界限相对比较明晰，但是不锈钢焊层与碳钢焊层的过渡区域之间的组织较为复杂[4]。（7）第二种焊接顺序下的疲劳试验。根据国家部门新颁布的相应的操作标准，本次试验的技术人员对不锈钢焊接接头进行了一定程度的脉动拉伸疲劳试验，规定试验时使用的试验频率为10Hz，应力比R为0，其应用处理的范围处于0kN～150kN之间且最大的应力值经检测为353MPa，约占抗拉轻度的73%。通过对比不同的疲劳试验循环次数，研究人员发现，第二种顺序下焊缝的疲劳强度在长时间的运行过程中展现出较高的抗疲劳性能。（8）第二种焊接顺序下对于不锈钢复合管焊接接头其他性能测试的研究工作[5]。1）硬化层的冲击试验。技术人员应当在不锈钢复合管焊接接头的硬化层取适当体积的小冲击试样，并且需要进一步考虑该硬化层对于试样冲击韧性的实际影响。2）硬化层的弯曲试验。技术人员在实际开始试验前，需要将试板进行一定的加工，使得硬化层处于弯曲试样的表面，为了观察硬化层是否会产生一定的裂纹，技术人员应当进行背弯或是面弯试验。3）硬化层的断裂韧性试验或是疲劳试验。在进行断裂韧性试验时，技术人员应当对其CTOD特征值进行精确的测定，要注意在测定过程中观察其是否会发生一定的脆性断裂。同时，技术人员也可以在试件上预制一个尺寸大小合适的缺口充当裂纹源，并且将尖端口放置于硬化层处，以便观察疲劳裂纹的扩张情况。4）持续跟进第二种焊接顺序下的焊缝。当处于第二种焊接顺序下的焊缝在进行相关性能的测定时，技术人员应当每隔一段时间截取试件的一部分，观察在该焊接顺序下的焊缝在实际运行周期内甚至多个运行周期内发生的相应的变化并做好实时记录[5]并妥善保管好，避免实验数据的丢失。

3 结语

本文以不锈钢复合管焊接接头为基本的讨论对象，利用两种不同的焊接顺序对其焊接性能进行了相关的探讨，并对该试样进行了金相组织分析与焊缝的理化性能的分析，根据实际结果来看，当利用碳钢焊材在对不锈钢进行施焊操作时，每月有在焊缝组织上发现明显的裂缝。但当利用碳钢焊材在不锈钢焊层上的焊接区域出现了一定含量的高碳马氏体硬化组织，这将在一定程度上影响焊缝的具体使用过程。

参考文献

[1] 蔡永平.奥氏体不锈钢复合管对接接头的无损检测技术研究[J].化工管理，2020（11）：140-141.

[2] 宋纯民，唐元生，张桂红，等.不锈钢复合材料焊接顺序工艺研究[J].石油化工设备技术，2018（6）：54-59+8.

[3] 朱池，徐进安.254SMO超级不锈钢焊接工艺试验研究及应用[J].中国修船，2019（4）：1-5.

[4] 赵喜平，唐元生，张桂红，等.不同焊接顺序对不锈钢复合管焊接接头性能影响[J].石油化工设备技术，2019（6）：22-27+7.

[5] 关旭东.焊接工艺对不锈钢焊接变形的影响分析[J].科技与创新，2018（3）：79-80.