不锈钢SA376与20钢的焊接试验及应用

刘应虎 王长健

(1.二重集团(德阳)重型装备股份有限公司，四川618013;2.四川建筑职业技术学院机电系，四川 618000)

不锈钢SA376与20钢的焊接试验及应用

刘应虎1王长健2

(1.二重集团(德阳)重型装备股份有限公司，四川618013;2.四川建筑职业技术学院机电系，四川 618000)

对不锈钢SA-376与碳钢20钢的焊接进行焊接工艺评定，制定了有关的焊接工艺参数，并在实际生产中得到了成功应用，为核电波动管的生产奠定了基础。

不锈钢;碳钢;异种钢焊接;工艺

不锈钢核电波动管是核电产品的重要部件之一，其弯管的制作过程复杂而且技术含量较高。在管道弯制过程中，为了更好地控制弯曲，通常采取在不锈钢波动管端头焊接一段碳钢的方案。二重集团公司在生产核电波动管的过程中合理地应用了异种钢焊接工艺方案，取得了一定的效果。

1 材料焊接性分析

SA-376等级为TP316LN的不锈钢是核电波动管的常用材料，是美国ASME规范中的标准钢号，属于奥氏体316L系列不锈钢。其组织稳定性高，综合性能好，有足够的强度和良好的塑性，焊

接性也良好［1］。20钢管符合 GB/T8163—2008，是用于输送流体的普通厚壁无缝钢管。通常情况下的焊接不会在热影响区产生硬化组织，而且塑性较好，焊接接头产生裂纹的倾向性小。这两类钢的主要化学成分和性能见表1。

由于这两种金属在化学性能、物理性能、力学性能以及金相组织等方面存在较大的差异，焊接时要注意避免不锈钢SA-376受到污染而使焊接接头表面硬化，导致焊接接头性能变差［3］。另外，奥氏体不锈钢按照碳含量、铬镍含量比，焊接工艺条件以及组织特征的不同，焊接接头可能发生热裂纹(凝固裂纹和失塑裂纹等)，在热影响区易发生铬和钼的碳化物沉淀，降低耐腐蚀性和耐热性;在铁素体含量较高时，还可能出现475℃脆性相或者σ相脆化等现象［4］。

为了克服这两类异种材料焊接时可能出现的问题，减小它们由于焊接性的差异给焊缝和母材质量造成的影响，试验人员根据异种金属的焊接原理，同时结合异种金属的焊接特征，在试验中采用了预堆焊过渡层的方式，先在碳钢侧预堆焊E309L系列焊材，然后形成不锈钢309堆焊层与不锈钢SA-376 TP316LN材料的焊接，从而较好地实现了不锈钢SA-376和20碳钢的焊接。

表1 SA-376 TP316LN不锈钢和20钢管的主要化学成分和力学性能［2］Table 1 Main chem ical compositions and mechanical properties of SA-376 TP316LN stainless steel and 20 steel pipe

2 焊接工艺评定及试验分析

2.1 坡口的准备

为了模拟产品接头形式，工艺人员采用管对接形式进行了试验分析。其焊接接头形式如图1所示。右侧为SA376 TP316LN不锈钢，采用核电锻件余料加工而成，加工后规格为Ø352 mm×38 mm，坡口角度30°;左侧为20普通厚壁钢管，其执行标准为 GB/T8163—2008，该材料相当于ASME/ASTM标准中SA36钢的成分和性能，将规格为Ø377 mm×56 mm的厚壁管加工成Ø352 mm×38 mm尺寸，以进行坡口对接焊。根据ASME焊接工艺评定的有关要求，采用厚度为38 mm的试件可以覆盖较大厚度产品的焊接。

2.2 堆焊碳钢侧坡口边缘

采用SMAW焊接方法对20碳钢侧坡口进行预堆焊，堆焊焊条为E309L-17，规格为Ø4.0 mm，其堆焊参数如表2所示。堆焊第一层时需要进行预热以减少焊接区域的温度差，降低焊接应力，避免产生焊接裂纹，同时也可以适当减少试件的变形。在堆焊的过程中，要注意控制层间温度，最高层间温度不易超过150℃。堆焊时应注意控制好第一层堆焊的稀释率，后焊道对前一焊道的搭接量一般为1/2～2/3，通常堆焊2～3层后要求堆焊厚度达到(4～5)mm。为了确保加工后的不锈钢堆焊层厚度达到3.5 mm以上，堆焊时要控制好堆焊面的平整度，可以采用机械加工的方法加工堆焊后的坡口面，使其坡口角度为30°;也可以采用打磨的方式来保证堆焊不锈钢后的坡口角度，应采用圆棒形的打磨工具打磨清除内壁过多的焊肉，保证对接时所需要的坡口形状。

图1 SA376 TP316LN和20钢管焊接坡口形式Figure 1 Groove shape of SA376 TP316LN and 20 steel pipe welding

2.3 过渡层堆焊后的消氢处理

预堆过渡层后，需要及时对工件进行300℃×2 h的焊后消氢热处理，以消除焊缝中扩散氢对堆焊面产生的不良影响，防止产生氢致裂纹，降低冷裂纹倾向，改善接头性能。

2.4 对接接头焊接工艺

在20钢管与SA-376 TP316LN钢管组对前要对坡口及其邻近20 mm区域的内外表面采用机械加工打磨出金属光泽，并用丙酮去油。采用手工氩弧焊组对点固焊，焊点数量为4～6个，沿管周长均匀分布。对接接头根部焊如图2所示。

施焊根部第一层焊道时，采用手工氩弧焊单面焊背面成形法。通过采取在管子正反面同时充氩气的保护措施来有效保证根部焊缝质量，其焊接工艺参数如表3所示。第二层、第三层填充焊仍采用手工氩弧焊，氩弧焊焊缝总厚度大于5 mm为佳。其余部分采用SMAW工艺进行焊接，选用E316L不锈钢焊条。因为奥氏体不锈钢焊接时变形大、容易产生热裂纹，焊接时需要采取防护措施。通常施焊时弧长控制在(2～3)mm之间，直线焊不作或稍作横向摆动，以减小熔池热量，防止铬等有利元素的烧损。层间温度不宜过高，控制在≤150℃，适当的降低焊接电流，以减小焊接过程中的热输入。层间若有焊渣必须使用不锈钢丝刷或砂轮等工具清除后再焊，以防止产生夹渣。每层焊缝接头应相互错开，焊缝收弧一定要填满弧坑，否则可能产生弧坑裂纹成为腐蚀起源点。

图2 SA376 TP316LN和20钢管焊接接头示意图Figure 2 Illustration of SA376 TP316LN and 20 steel pipe welded joint

表2 20钢管坡口预堆焊工艺参数Table 2 Pre build-up welding technical parameters of 20 steel pipe groove

表3 SA376 TP316LN和20钢管焊接工艺参数Tab le 3 W elding technical parameters of SA376 TP316LN and 20 steel pipe

2.5 接头性能分析

坡口对接焊完成后，按照相应ASME标准对焊缝进行 RT、PT检测，结果合格。然后依据ASMEⅨ卷及有关的技术条件要求对管子试件进行了破坏性试验。

接头拉伸试验:对接头的检测表明整个焊接接头中没有出现较为明显的硬化组织，焊接接头的拉伸试验表现出较好的性能，其断裂位置在20钢母材一侧。两件抗拉强度值分别为480 MPa、480 MPa，屈服强度分别为 365 MPa、360 MPa，延伸率分别为22%和23%，其数据与20钢管母材吻合。

接头弯曲试验:弯曲参数a=10 mm，D=38 mm，α=180°，侧弯后4件侧弯试样无裂纹。

接头宏观检测:20钢管与SA-376 TP316LN异种钢接头的宏观金相照片如图3所示，通过放大镜观察未发现任何可见缺陷。从接头中可以清楚观察到采用SMAW工艺预堆焊的不锈钢309L过渡层和采用GTAW打底SMAW填充的坡口焊缝。

3 应用

根据焊接工艺评定结果，技术人员编制了相关焊接工艺并应用到波动管的焊接上，焊接出的波动管热弯和冷弯性能均能够满足产品制造要求。

4 结论

(1)20钢管与SA-376TP316LN钢管的焊接工艺采用先在20钢管侧堆焊一层不锈钢E309过渡层，再实现与SA-376 TP316LN钢管对接焊，有效的克服了两种异种钢在焊接时由于焊接性的差异给焊缝质量带来的不利影响。

(2)20钢管与SA-376 TP316LN钢管对接焊时，根部焊通常采用手工氩弧焊单面焊双面成形的方法，通过采取在管子正反面同时充氩气的保护措施来有效地保证根部焊缝质量。

(3)采用SMAW方法，使用E309L和E316L不锈钢焊条在进行预堆焊和坡口焊时，应充分考虑到奥氏体不锈钢焊接时变形大、容易产生热裂纹的特性，焊接操作时焊条采用直线焊不作或稍作横向摆动，压低电弧控制弧长，控制层间温度在150℃以下，并适当降低焊接电流，以有效地保证焊缝质量。

图3 SA-376 TP316LN与20钢管焊缝接头照片Figure 3 Welded joint picture ofSA376 TP316LN and 20 steel pipe

［1］ASME Code，Boiler＆ Pressure Pessel Code，SectionⅡ，Part A-Ferrous Material Specifications［S］2007 Edition.

［2］GB/T8163—2008，输送流体用无缝钢管［S］.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2008－08－19发布.

［3］刘中青，等编著.异种材料的焊接［M］.北京:科学出版社，1991:12.

［4］陈剑虹，周昭伟，任家烈，等.焊接手册:第2卷材料的焊接［M］.北京:机械工业出版社出版，2001，8:807－810.

［5］刘应虎，何鹏，叶小松，等.2.25Cr1Mo与0Cr18Ni9钢焊接工艺研究［J］.大型铸锻件，2008(5).

编辑 杜 敏

Welding Test and Application of Stainless Steel SA376 and 20 Steel

Liu Yinghu，W ang Changjian

Welding procedure of stainless steel SA-376 and carbon steel20 has been estimated and relativewelding technical parameters have been established，themethod has been applied successfully in practice，which set up basis for nuclear power fluctuating pipe.

stainless steel;carbon steel;heterogeneous steel weld;technology

TG457.11

B

2013—08—20