不锈钢焊缝内部质量控制

不锈钢焊缝内部质量控制
摘要：通过对不锈钢TP304/304焊接性分析，工艺措施、参数多次试验等，研究、制定合理的焊接工艺方法，控制焊缝内部成型质量，满足业主的特殊要求（内壁光滑、平齐），为
以后类似施工提供经验。

关键词：不锈钢304/304L 焊接工艺方法内部质量
1 前言
TP304/304L是美标的无缝或焊接不锈钢管，是近年新兴的一种奥氏体不锈钢材料，在生产304的同时，控制其中碳的含量，使其低于0.3%，所以在制造这种管材就标识为304/304L，表示这种材料既可以用作304使用也可以用作304L使用。

TP304/304L俗称双证钢，即耐腐蚀性满足304L 的要求，力学性能满足304的要求，取两种材料的优点，价格比304L 便宜较多，应用较广。

我单位承建的神华陕西甲醇下游加工项目聚丙烯装置，使用的不锈钢材质就是TP304/304L，其中有部分管道等级为3G2L-5X的不锈钢（设计压力2.77MPa，设计温度150℃，管径以4寸居多，介质为聚丙烯粉料），设计要求较高，要求100%RT且内壁必须平滑，业主对焊接质量控制较严，如何保证焊缝内部质量是施工的重点，我们经过多次焊接试验和培训，选取、制定了合适的焊接工艺，满足了施工要求。

现对工程不锈钢焊接施工进行总结，为以后的同类施工积累经验，提供参考。

2 焊接性分析
TP304/304L力学性能与国内材料0Cr18Ni9相近，但含碳量较低，比0Cr18Ni9具有来良好的耐晶间腐蚀能力，属于超低碳奥氏体不锈钢，其管材合格证上的化学成分及力学性能见下表：
化学成分
力学性能
奥氏体不锈钢具有良好的可焊性，在任何温度下都不会发生相变，对氢脆不敏感，在焊态下奥氏体不锈钢接头也有较好的塑性和韧性，焊接的主要问题是焊接热裂纹和晶间腐蚀，采用合理的焊接工艺可有效的避免焊接问题的产生。

焊接热裂纹产生主要因素有两个，一是液相线和固相线距离大，凝固过程中温度范围大，使低熔点杂质偏析严重，而且集中在晶界处。

二是不锈钢的物理性能与碳钢有很大区别，不锈钢的线膨胀系数比碳钢约大50%，热导率比碳钢低，约为其1/3左右，电阻率是碳钢的5倍，所以焊缝冷却收缩时应力也大。

晶间腐蚀主要是奥氏体不锈钢在450～850℃温度区范围内停留一定时间后，在晶界处会析出Cr23C6，使晶界处的晶粒增大形成贫铬区，接触到腐蚀介质后贫铬区极易腐蚀，受到晶间腐蚀的不锈钢在表面上没有任何变化，但在受力时会沿晶界断裂，几乎完全丧失强度。

3 焊缝内部缺陷及原因分析
工程施工重点是保证焊缝质量的前提下内壁平齐，打底焊的好坏是控制焊缝内部质量的关键，因氩气保护效果好，合金元素过渡系数高，焊缝成分易于控制，焊接热源较集中，又有氩气的冷却作用，其焊接热影响区较窄，晶粒长大倾向小，在施工过程中不会产生飞溅、焊缝成型美观，焊缝上不存在渣壳，无需清理，接头质量高，所以氩弧焊是焊接奥氏体较为理想的焊接方法。

使用氩弧焊打底，按照评定合格的焊接工艺评定制定的焊接工艺措施，正常施焊，焊缝内部成型较好，一般不会出现外观缺陷，偶尔出现内部缺陷较多的主要是成型不良、烧穿等，这与不遵守焊
这些缺陷可以通过适当的工艺措施来减少和避免，但在此工程中，我们要在保证焊缝内在质量的前提下，重点是控制内部余高，经过咨询专家及内部讨论，我们一致认为在保证焊透的前提下，组对间隙越小越好，为此我们以φ114X6的试管进行多次小间隙焊接试验，得出组对间隙在0.5-0.8mm之间时，采用合理的工艺参数，焊缝内部成型较为理想，但由于不锈钢膨胀系数大，在焊接中后期，组对间隙收缩，内部容易出现未熔和、未焊透及内部凹陷的缺陷，经讨论分析：我们认为内部凹陷主要是铁水融化后，焊工为控制内部余高，填充焊丝不足，未熔和、未焊透，主要是没有组对间隙、电流选择不合适、焊工对熔池情况掌控不够等。

针对这些缺陷，我们一方面培训焊工进行多练习，一方面通过加强组对质量（间隙、钝边、点固方式、坡口角度等）、调整焊接电流、送丝速度、送丝方式、焊接试件等，选取最合适焊接工艺参数及措施。

4 焊接过程控制
4.1 焊接方法选择
管道焊接全部采用氩弧焊打底，至少氩弧焊接2遍后才可手工电弧焊填充、盖面。

4.2 焊材的选择
根据焊接性分析，结合管道使用条件，通过焊接工艺评定验证后，焊丝选用ER308L，直径2.0mm，焊条选择A002，这是一种高铬高镍超低碳的焊材，在保证了焊缝力学性能及合金元素的稳定的同时又对防止晶间腐蚀有利，在焊接时要保证焊丝的干燥与清洁。

4.3 焊接坡口
坡口形式及尺寸一般按照保证焊接质量、填充金属少、熔合比小、便于操作等原则选用。

经
与业主沟通讨论，选取优秀焊工并通过多次焊接试验，最终制定的坡口角度60-70℃，间隙小于0.8mm（在焊透的情况下，为保证内部与母材平齐，间隙尽量小），钝边0-0.5mm。

4.4 焊接工艺要求：
保护气体：氩气，纯度≥99.99%
焊机：ZX7-400逆变式直流焊接
清理：对口前必须把坡口内外两侧20mm范围内的油污、毛刺、氧化物及其他对焊接有害物质清理干净，防止低熔点物质进入焊道，预防热裂纹产生。

加工：加工、切割、打磨、运输等使用专有的不锈钢工具，与碳钢隔离，尽量减少碳污染，使焊缝中含碳量减少，有利于防止晶间腐蚀的产生。

组对：内壁一定要平齐，不允许有任何错边，当有错边量时，标定好位置，使用砂轮机打磨平齐。

定位焊：采用搭桥式定位，焊接参数与正式焊一样，定位点2-3个，此定位焊不会影响焊缝内部成型质量且内部不用充气，清理方面。

焊接工艺参数：经过多次试验、记录，检查、检验的效果，氩弧打底焊我们得出一个较为合理的焊接工艺参数，（手工电弧焊按照正常工艺评定参数）
TP304/304L管道氩弧打底焊焊接工艺参数
4.5 质量控制技术措施
（1）氩弧焊风速不得大于2m/s，焊接时搭设防风棚，防止气孔产生。

（2）氩弧打底焊时，内部气体充气保护，开始时宜采用较大流量，确保管内空气完全排除后方可施焊，焊接时内部保护用的流量应适当降低。

（3）固定焊接时一般从6点位置起弧焊接到定位焊处，在焊接过程中焊丝端头保持不离熔池并不断填入和向前移动，这样可以提高焊丝熔化速度并让焊丝分担一部分热量，减少焊件热输入和焊丝端部氧化，降低在送丝过程中对气体保护的影响，在焊接底部要注意焊丝送丝速度，以免出现内凹现象。

在焊接顶部时，注意熔池情况，间断性送丝，焊丝前段应置于保护气体中，及时补充熔池内铁水量，但不能使铁水过多致使内部余高超标。

收弧时应减慢焊接速度，增加填充量，填满熔池以免出现弧坑、热裂纹和缩孔。

电弧熄灭后焊枪喷嘴仍然要对准熔池以延长氩气保护时间，防止氧化。

第二层以后可按照工艺评定参数正常焊接。

（4）施焊时尽量一次不间断焊完，减少接头数量及焊缝收缩。

（5）在工艺参数允许的范围内，尽量采用小线能量、小电流、短电弧、快速焊，层间温度控制在150℃以下，必要时可使用水强制冷却，减少不锈钢在腐蚀敏感温度的停留时间。

（6）焊件表面不得有电弧擦伤、不得在焊件表面引弧、收弧。

（7）焊接时应确保引弧与收弧处的质量，收弧时将弧坑填满，并用砂轮机修磨平整。

（8）地线使用铜钳或不锈钢夹具，要与母材接触良好。

5 难点及重点
我们挑选多名优秀焊工培训、练习，最后选出2名焊工正式焊接此类管线，每道焊缝组对，
都必须经业主检查合格后，才允许打底焊接。

对工艺措施、焊接参数，业主、项目部质检员进行实时监控，打底余高过高时必须割口重新组对焊接。

焊接的重点及难点是保证焊缝无损检测合格的基础，焊缝内部余高在0-0.5mm之间，一定不能低于母材。

在焊接试验过程中，焊缝内壁两侧熔合良好，稍微内凹（低于母材），业主检查后认为是合格的焊缝，但在无损检测底片上显示为内壁未熔或未焊透，虽然业主与检测单位沟通过，但在不能查看到内壁情况下，谁也不能保证内壁熔合良好，因此不允许焊缝内凹。

焊工在小间隙打底时，一定要集中精力观察熔池情况，注重焊接速度及送丝速度的配合，既要防止熔池铁水过多产生内部余高过高、也要防止熔池铁水过少产生内部凹陷，这需要焊工多练习。

6 效果及结论
通过对TP304/304L小间隙焊接试验，制定合理的焊接工艺并用于施工，在施工过程中加强施工管理、严格控制焊接工艺参数，保证了焊接质量、避免返工操作，达到事半功倍的目的。

焊缝内壁成型良好，余高基本与内壁平齐，焊缝纹路细密均匀，达到了业主的要求，焊接一次合格率达98%以上。

工程实践证明此工艺可以保证焊接质量，也为同类要求的不锈钢焊接提供了焊接工艺和数据参考。

参考文献：
（1）《焊接工程师手册》陈祝年北京机械工业出版社.2002年1月
（2）《焊工实用技术手册》朱玉义江苏科学技术出版社.2002年1月
（3）《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》 GB50236-2011 中国计划出版社.2011年10月
（4）《金属管道焊接工艺便携手册》柳金海陈百城北京.机械工业出版社.2005年1月。