试析TP304L不锈钢与20碳钢焊接性

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试析TP304L不锈钢与20碳钢焊接性

来源: | 作者:焊接协会 | 发布时间: 2020-08-25 | 1448 次浏览 | 分享到:

本文试分析了TP304L+20钢焊接接头存在的问题，提出了在焊接工艺上解决这些问题的途径，从而确定了切实可行的焊接工艺措施。

关键词：不锈钢碳钢焊接工艺

前言

随着电力工业的迅速发展，大容量的高温高压机组不断涌现，高温高强度钢材使用越来越普遍，从中温段与高温段使用不同的材料机率越来越大，不同材料间焊接也就成了普遍现象，本文试从本人多年的焊接工作实践中分析了TP304L+20的焊接性，为以后的焊接工程提供参考和借鉴。

由于TP304L为奥氏体钢，20钢为珠光体钢，这就涉及到异种金属的焊接问题。异种金属的焊接要比同种金属的焊接复杂得多，因此首先应了解异种金属的焊接性问题。

1异种金属焊接存在的问题

异种金属焊接时，由于两种金属材料的物理性能、化学性能及化学成分等有显著差异，无论从焊接机理和操作技术上都比同种金属复杂得多。20与SA312-TP304L焊接存在的问题：

1.1线胀系数相差大，熔池结晶时会产生很大的焊接应力。由于焊缝两侧金属承受的应力状态不同，所以易使焊缝及热影响区产生裂纹，甚至导致焊缝与母材金属剥离。

1.2热导率和比热容相差大，会使焊缝结晶条件变坏，晶粒粗化严重，并影响难熔金属的润湿性能。

1.3由于稀释作用，使焊缝中的奥氏体形成元素含量减少，出现脆硬的马氏体组织，导致焊缝产生裂纹，以致焊接接头的塑性和韧性降低。

1.4由于碳浓度的差异，有可能出现碳的迁移，而导致熔合区产生软化(脱碳层)和硬化(增碳层)现象。

1.5金属20与SA312-TP304L之间形成的脆性金属间化合物多，容易使焊缝产生裂纹，甚至断裂。

1.6电磁性相差大，焊接电弧愈不稳定，焊缝成形愈变坏。

2焊接工艺评定：

材料化学成分组成2.1焊接材料选用：用奥氏体焊条来焊接时，会出现母材对焊缝金属的稀释问题，造成奥氏体形成元素不足，其实质问题就是选择合适的焊接材料，尽可能限制电流以减少熔合比，防止过渡层形成马氏体，减少产生裂纹的可能性。按照德龙焊缝组织图镍当量和铬当量计算公式，镍当量按Nieq=Ni+30C+30N+0.5Mn%计算，铬当量按Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb%计算，母材成分按两种材料等比例混合后的成份,可由德龙图求得，即为图中的C点，可以认为C为待焊母材的成份。当选用E308系列焊材时，焊材的铬镍当量对应图中的D点。CD直线上的各点代表焊缝组织镍当量和铬当量，随着熔合比的变化，焊缝化学成分在CD间变化，D点离直线CD与出现马氏体线的交点很近，即熔合比很小，仅为0.15，一般焊接很难达到这个要求，所以很容易出现马氏体组织。当选用E309系列焊材时，焊材的镍铬当量对应图中的E点，从图中可以看出E点离CE直线与出现马氏体的交点较远，熔合比可达0.5，而且在焊缝中易于形成具有A+F双相组织，出现双相组织的熔合比也可达0.3,焊接过程中容易满足这个要求。当选用E310系列焊材时，焊材的镍铬当量对应图中的f点，从图中可以看出熔合高达0.7仍可保证焊缝不出现马氏体组织，而为单相的奥氏体。从抗裂的角度来说，选用能形双相组织焊缝的焊材更为合适，即E309系列焊材。

2.2工艺参数确定：选取长150mm，直径63.5mm，壁厚6mm的焊接试件，20与SA312-TP304L的各三件，将试件的一侧打磨出角度为30-32.5℃，钝边为1-2mm，取20与SA312-TP304L的试件各一件，将打磨侧进行组对，留间隙2-3。选用ER309L，Φ2.5焊丝进行打底焊接,直流正接，电流为（60-70）A，电压U=（21-23）V，焊速为（60-70）mm/min；盖面焊缝采用E309-15Φ2.5焊条，直流反接，电流为（60-70）A，电压U=（24-26）V，焊速为（50-70）mm/min焊接规范进行焊接。

2.3焊后检验：焊接后对焊缝进行RT检验、金相组织分析、面弯、背弯等性能试验，检验结果符合焊接工艺评定的有关规范标准。

3现场工艺执行：

3．1焊前准备

3．1．1焊接设备选用带衰减的逆变式直流弧焊机.

3．1．2对于薄壁管，坡口选择V型，对于厚壁管，坡口为双V型。为防止铁水流动性差而造成根部未熔合，钝边厚度不宜超过1mm。为防止在焊缝中产生气孔，坡口及内外两侧15～20mm范围内打磨到露出金属光泽。

3．1．3焊丝去除表面的油、垢及锈等污物，露出金属光泽，在现场使用时，必须放在专用的工具内，不得随便放置，以免造成二次污染。

3．1．4焊条经过150℃烘焙1.5～2h，置于80～100℃的不锈钢专用保温筒内，随用随取。

3．2对口

3．2．1对口时，不得在管道上焊接任何临时支撑物，不得强行对口，以减少附加应力。目前公司采用的对口方式有：一、专用夹具，一种规格制备一种夹具。二、自由状态下对口，一般用于组合场地。

3．2．2对口间隙宜为所施焊的焊丝直径，保证焊接时易于送丝，间隙太大，容易产生内凹或根部过高等缺陷；间隙太小，易产生未焊透。

3．3焊接工艺

3．3．1 TIG打底焊

为防止焊缝根部氧化，焊前在管内充氩保护。充氩范围以坡口轴向中心为基础，可采用橡皮及铁皮做成外径稍大于管子内径的护板，在管子内部每侧各250～300mm处封住管端，也可贴上两层可溶纸，用浆糊粘住，做成密封气室。利用细铜管把头敲扁插入焊缝内，也可从探伤孔或疏水管通入，流量为15～20L/min。充氩时当感觉到气体从焊缝间隙轻微溢出时，用打火机熄灭来判断其大概纯度。当打火机熄灭检验后，用铝铂纸贴住焊逢间隙，留一小部分通气不封死，调整氩气流量为5～10L/min（以防止流量过大造成氩气的浪费及可能产生内凹、过小产生氧化过热）开始打底焊。坡口其它部分焊到时边焊边揭开铝铂纸，保证管子内部氩气的纯度。

操作上引弧应在坡口内部上进行，不要在母材金属上随便引弧。焊接时焊丝角度要正确，运丝要平稳，电弧不宜过长。应特别注意收弧质量，收弧时先将焊接电流衰减下来，填满弧坑后移向坡口边沿收弧，以防止产生弧坑裂纹。

为保证焊缝根部不被氧化，焊接第二层时仍需内部冲氩保护。

3．3．2 SMAW盖面焊

多层多道焊时，采用小参数，注意层间温度的控制。采用多层多道焊时，由于次层对前一层既能起消氢作用，又能改善前层焊缝的淬硬组织。层间温度控制在200℃～250℃之间，直至焊接结束。

4结论

4．1在多年的施工实践中，以上焊接工艺合格率一直稳居在97%以上，机组运行正常，因此，该焊接工艺是可行的。

4．2合适的焊接材料，合理科学的施焊工艺是产生优质焊缝的先决条件。

4．3近年来所采用的药芯焊丝在工程中也得到应用，但由于在设备内部形成的熔渣较难清除,它的应用也受到一定的限制。为了减少不锈钢焊接的成本、提高焊接效率，建议有关部门研制一种新型的焊接材料或焊接方法。

参考文献：

[1]电力工业部，DL5007-92 电力建设施工验收技术规范（火力发电厂焊接篇），1992

[2]中华人民共和国电力工业部，火电施工质量检验及评定标准（焊接篇），1996

[3]周振丰等，焊接冶金与金属的焊接性，机械工业出版社，1988