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摘 要：文章通过对低温钢与奥氏体不锈钢异种钢焊接性分析,介绍了A333GR.6与304L异种钢管道焊接接头的焊材选用、焊接工艺及焊接过程中的注意事项.实践证明,合理控制焊接工艺,能够获得满意的异种钢接头,保证工程的安全运行.
关 键 词：异种钢；焊接材料；焊接工艺
中图分类号：TG335文献标识码：A文章编号：1009-2374（2013）28-0076-02
在石油化工行业中,异种钢的焊接应用越来越多.异种钢焊接结构除了能满足耐高温、耐腐蚀和耐磨损的要求外,还能节省成本,节约使用大量的贵金属,因此,异种钢焊接方法已成为石油化工行业中非常重要的一种焊接方法.A333GR.6低温钢和304L奥氏体不锈钢都是美国ASTM牌号的钢种,已广泛应用于石油化工建设行业中,但这两种材质的异种钢焊接目前经验较少,为保证接头的焊接质量,对其焊接工艺进行具体的分析,并为同类焊接提供经验.
1两种异种钢焊接性分析
A333GR.6属于低温用碳钢,通常在最低冲击温度为-46℃的条件下使用；A312GR.304L为奥氏体不锈钢,通常可用于温度达-196℃的工况.两种材质都可用于低温工况,分属低温用钢的无镍钢和含镍钢.
两种钢的化学成分和力学性能如表1和表2所示.
A333GR.6低温钢含碳量较低（一般在0.10%～0.24%之间）,淬硬及冷裂倾向都较小,韧性和塑形较好,焊接时一般不易产生硬化组织和裂纹缺陷.A312GR.304L奥氏体不锈钢具有超低的碳含量,使得在近焊缝的热影响区中尽量少地析出碳化物,从而大大地降低晶间腐蚀的风险.
由于两种钢的组织形态完全不一样,物理性能和化学成分差别较大,在焊接过程中易出现以下问题：（1）焊缝金属的稀释.如果焊缝填充金属成分不当,易导致焊接接头合金元素被稀释,形成奥氏体的元素含量不足,接头出现淬硬组织,从而导致接头性能的下降；采用Ni>12%的焊接材料,能有效避免焊缝中淬硬组织的产生.（2）过渡层的形成.在焊缝熔池边缘部位,母材的稀释作用比焊缝中心突出,Cr、Ni含量会远低于焊缝中心的含量,从而形成与焊缝内部金属成分不同的过渡层.（3）C的高温扩散迁移.焊接接头处于高温过程中时,熔合区发生扩散,使C迁移,结果在碳钢母材侧形成脱碳层,在不锈钢母材侧形成增碳层,使该区抗蠕变能力、强度和塑形等力学性能下降,造成接头的早期失效.（4）接头残余应力.由于两种钢的线膨胀系数不同以及奥氏体钢较差的导热性,在焊接后容易产生较大的残余应力,所选择的焊接材料性能须介于两种钢的线膨胀系数之间,以降低接头的残余应力.
因此,为了保证焊接质量,避免上述问题的出现,必须制定出合理的焊接工艺.
2异种钢焊接工艺
2.1焊接方法的选择
A333GR.6与A312GR.304L焊接,应选用熔合比小、稀释率低的焊接方法.钨极氩弧焊打底、焊条电弧焊盖面的焊接方法可以尽量降低焊接接头的缺陷,并能保证管道内壁清洁和焊缝根部质量.
2.2焊材的选用
异种钢焊接材料选用的基本原则可分以下三种：（1）低匹配原则.与异种钢焊接接头合金质量分数较低一侧母材金属成分相同的材料；（2）高匹配原则.与异种钢焊接接头合金质量分数较高一侧母材金属成分相同的材料；（3）等强匹配原则.介于异种钢焊接接头两侧母材金属中间成分的材料.
对于A333GR.6与A312GR.304L异种钢焊接,采用高匹配原则选择材料,即选用Cr-Ni奥氏体钢材料作为焊接材料.焊材的选用及成分见表3及表4.
2.3焊接工艺
焊接接头的型式如图1所示.角焊缝焊接接头如（a）、（b）所示,对接焊缝焊接接头如（c）、（d）所示.其中（c）为薄壁厚接头,壁厚过厚时采用（d）型式接头,以保证焊缝熔合良好.
图1焊接接头的型式
A333GR.6与A312GR.304L焊接时,线能量的控制应非常严格,线能量过大,会促使过渡层形成和碳迁移发生,线能量过小,造成冷却速度增加,会促使碳钢母材侧生成马氏体而形成冷裂纹.综合考虑,选择表5中的焊接工艺参数进行焊接.
层间温度应控制在80℃范围,采用小电流快速施焊.对于此类异种钢焊接接头不能采用焊后热处理的工艺,否则会因为碳的扩散导致焊缝组织的恶化.
2.4力学性能试验及结果
按照《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》（ASTMA370）进行焊接试件的拉伸和弯曲试验.拉伸试验结果合格,试样断裂于母材侧；面背弯试样弯曲角度180°,未出现开裂现象.
3焊接要点
（1）严格按照焊接工艺参数施焊,尽量保证每条焊缝一次焊完.如果焊接中断,应采取缓冷措施.
（2）母材表面严禁电弧擦伤.收弧过程中弧坑处易出现微裂纹,应注意控制收弧时的焊接质量.
（3）采用钨极氩弧焊打底时,焊接接头背部应充氩保护.焊喷嘴处应提前送气,滞后停气.
（4）采用小电流、低电压、快速焊的焊接方式,严格控制焊接热输入.根焊完成后应尽快进行填充层的焊接.
（5）手工电弧焊应及时清根,如发现裂纹、夹渣、未熔合、咬边等缺陷,应及时修补.
（6）焊接缺陷最多允许返修两次,若仍不合格,应割口,按照完整的焊接工艺重新进行焊接.
4结语
采用以上焊接工艺对接头进行焊接,焊缝外观成形良好,目视检测无表面裂纹、无咬边.进行100%射线探伤,未发现裂纹、未熔合、夹渣等缺陷,焊缝Ⅱ级合格.实践证明,A333GR.6与A312GR.304L异种钢焊接接头焊材选用正确,焊接工艺参数制定合理,焊接质量良好.