至德钢业304L不锈钢管的焊接研究现状分析

 304L不锈钢管都具有非常好的塑性和韧性，这决定了它具有良好的弯折、卷曲和冲压成形性，因而便于制成各种形状的构件、容器或管道，其焊接工作量也因此比其他不锈钢大的多。这类韧性塑性本来就好的钢又不会发生任何淬火硬化，所以尽管其线膨胀系数比碳钢大的多，焊接过程中的弹塑性应力应变量很大，却极少出现冷裂纹。304L不锈钢管焊接接头不存在淬火硬化区，又由于它有很强的加工硬化能力，所以，即使受焊接热影响而软化的区域，其抗拉强度仍然不低。而304L不锈钢管件在凝固过程中存在着L+σ三相区，凝固过程复杂，至今存在着各种争议，因此对其进行系统焊接研究同样具有一定的理论意义。

一、钨极氩弧焊（TIG）的特点及研究现状

钨极氩弧焊是气体保护焊的一种，通常又叫作“TIG”焊。它的电极是难熔金属钨或钨的合金棒。电弧燃烧过程中，电极是不熔化的，故易维持恒定的电弧长度，焊接过程稳定。焊接时，电极和电弧区及熔化金属都处于氩气保护中，使之与空气隔离。由于氩气的保护，隔离了空气对熔化金属的有害作用，可焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金以及难熔的活性金属（如钼、铌、锆）等。但是由于钨极的载流能力有限，电弧功率受到限制，致使焊缝熔深浅，焊接速度低，所以，钨极氩弧焊一般只适于焊接厚度小于6mm的工件。

钨极氩弧焊由于具有良好的电弧稳定性和良好的保护性能，在不锈钢的焊接中得到广泛应用，特别适用不开坡口、不加填充金属的薄板和全位置焊接。

至德钢业研究了不填丝高速钨极氩弧焊接304L不锈钢管的可焊性，焊接速度为3-10 mm/min。工艺试验结果表明，提高薄板TIG焊的焊接速度是可行的，最高可以达到8 mm/min。对于3~8 mm/min的试板进行了金相组织观察和力学性能测试。金相组织观察显示，焊缝组织致密，由奥氏体和少量的铁素体组成，无裂纹和其他缺陷。拉伸试验结果表明，与母材相比，高速焊接接头具有优良的抗拉强度，而延伸率稍有下降。试验表明，接头具有良好的冲压加工性能。

至德钢业研究了双钨极氩弧焊工艺及焊缝成形机理，针对3 mm和4 mm厚度低碳钢板，对双钨极氩弧焊的焊接工艺进行了研究。与常规钨极氩弧焊的对比分析表明，由于双钨极氩弧焊降低了电弧压力，提高了焊丝的熔敷率,因而在大电流高速度焊接时，极大地减少了凹坑、咬边等缺陷，实现了良好的焊缝成形，从而改善了常规钨极氩弧焊不适合大电流高速度焊接的不足，拓宽了钨极氩弧焊的使用范围，提高了焊接生产率。此外，在焊接试验的基础上，进一步对双钨极氩弧焊降低电弧压力、减少焊接缺陷的机理进行了分析。

至德钢业研究了珠光体钢和奧氏体不锈钢复合管钨极氩弧焊接头的性能，采用TIG焊和超低碳奧氏体不锈钢焊丝TGS-309L焊接20/0Cr18Ni9复合管的过渡层焊缝。研究显示焊缝与母材界面结合处合金元素相互扩散，实现焊缝和母材的高结合强度，接头结合性能良好。采用超低碳的填充材料使焊缝与不锈钢母材具有基本一致的抗腐蚀性能。

众所周知，钨极氩弧焊(TIG)是一种传统的高品质焊接方法，由于钨极不熔化，不存在熔滴过渡，其焊接过程稳定，焊缝成形优良，适合于多种金属的全位置焊接，在实际工程建设中获得广泛使用。但是，这种方法的一个显著的缺点就是焊接效率低，通常只用于薄板焊接和厚板的打底焊。因此，如何在保持这种方法原有优点的基础上，提高它的焊接效率成为亟待解决的问题。

二、电弧焊的特点及研究现状

 电弧焊是焊接技术中常用的焊接方法，它适用的范围比较广，操作起来比较灵活简便，具有诸多适合各种应用条件的特点。近些年来手工电弧焊已被广泛地应用在压力容器、管道设备的制造与安装以及检维修作业中，对于建筑施工作业中的很多方面也应用得很广。手工电弧的特点是，在烧焊过程中，其使用到的一些设备如电焊钳、电焊机、导线以及工件，这些都是带电体，而且电焊机的空载电压一般都处在60～90V间，相比安全电压高一些。所以在手工电弧焊中要注意很多问题。它是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。涂料在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧，另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周围气体的相互作用。熔渣的更重要作用是与熔化金属产生物理化学反应或添加合金元素，改善焊缝金属性能。手工电弧焊设备简单、轻便，操作灵活，可以应用于维修及装配中的短缝的焊接，特别是可以用于难以达到的部位的焊接。手工电弧焊配用相应的焊条可适用于大多数工业用碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝、及其合金。采用交流电进行焊接时，焊条与母材一般会轮流成为阴极和阳极。在阳极区和阴极区会产生大量的热量，而且这两个区的温度也会各不一样，这样就会使焊条与母材一起熔融。在具体的烧焊的过程中，有时焊条的药皮在熔融时，将会产生一定量的气体，这些气体具有保护作用，因为它们会布满电弧与熔池周围，从而起到隔绝大气的作用，这样就能保护焊件。同时，烧焊时在熔池还会产生液态的熔渣，这些熔渣与液态金属以及保护气体之间都会有庞大的物理反应与化学反应发生，从而起到了精炼焊缝金属、提高焊缝的质量的附加作用，可以很好地进行焊接。而且处在熔池后方液体金属的温度会随着电弧向前移动而逐渐降落并最终冷凝，形成焊缝。

 至德钢业对304L/SA516Gr70不锈钢复合板、405/Q245R铁素体不锈钢复合板这两种不锈钢/碳钢复合板的焊接工艺及焊接性进行研究。针对不锈钢复合板的焊接特点，分别采用钨极氩弧焊（GTAW）和焊条电弧焊（SMAW）两种焊接方法，并分别采用铬、镍元素含量较高的ER309L焊丝、ER316焊丝、A302焊条作为填充金属，选用X型和X型开槽两种坡口型式对不锈钢/碳钢复合板进行对接焊。通过对在不同工艺条件下所获得的接头进行力学性能测试、微观组织分析及耐蚀性能评价等，确定试验条件下的最佳焊接工艺及参数。

 力学性能测试结果表明，两种不锈钢/碳钢复合板接头的抗拉强度与其母材本身的抗拉强度相当，且均断在远离熔合线的母材处，完全能够满足实际工程结构对接头的强度要求。在304L/SA516Gr70接头中，采用X型开槽坡口、SMAW焊获得接头A2的抗拉强度最高；而在405/Q245R接头中，采用SMAW焊获得接头B2的抗拉强度比GTAW焊获得接头B1的高。利用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）及X射线衍射仪（XRD）对不锈钢/碳钢复合板接头的过渡层焊缝（WM）、覆层不锈钢与过渡层焊缝熔合区（WM-SS）及基层碳钢与过渡层焊缝熔合区（WM-CS）进行组织观察、成分分析及相结构分析。结果表明，接头过渡层焊缝的微观组织均为铁素体分布在奥氏体基体上。在WM-CS界面处，两种不锈钢复合板接头均存在不同程度的碳迁移现象，其中304L/SA516Gr70接头在WM-CS界面处还存在一个宽度为30~50μm凝固过渡层。对该界面进行元素线扫描及能谱分析，发现铬、镍等合金元素浓度在该区域呈梯度分布，但是并未发现合金元素偏聚现象及有害相析出。采用化学浸泡法及电化学测试方法评价接头过渡层焊缝的耐点蚀性能，结果表明，对于304L/SA516Gr70接头，采用ER316L焊丝的钨极氩弧焊接头A4的耐腐蚀性能最好；对于405/Q245R接头，采用焊条电弧焊获得接头B2的耐腐蚀性能要优于钨极氩弧焊接头B1。

 至德钢业对304L不锈钢管双面电弧焊技术进行了研究，采用了一种特殊的双面电弧焊(DSAW)技术来改进304不锈钢管电弧焊的焊接质量。用两个顺次连接的焊机，从双面同时电弧焊接工件，从以往的研究中揭示出，使用两个电力顺次连接的焊机能集中电弧，从而提高了其穿透力。当用此技术焊接铝合金时，发现铝合金焊缝的显微组织及其性质都有所改善。即在焊接的晶粒组织中柱状晶向等轴晶的转变区域增加了，凝固裂纹的敏感性下降了，气孔的数量减少了，大小也缩小了。这些改善大都是由于DSAW技术的独特性能，即加热的对称性，高穿透力，特殊的电磁效力及在焊接熔池中形成的强交错液体流所造成的。由于304L不锈钢管与铝合金在化学、物理和机械性能上都有很大的不同，研究304L不锈钢管的DSAW技术很有实用价值。因此,本文研究了304L不锈钢管在DSAW技术中的焊接条件，显微组织及其机械性能，并与通用的电弧焊技术中这些性质进行了比较。