城市輸水用Q235B+304不銹鋼復(fù)合管環(huán)焊焊接工藝

王鳳會，張俠洲，趙英建，陳延清，張 熹，劉 宏

（首鋼技術(shù)研究院，北京100043）

城市輸水用Q235B+304不銹鋼復(fù)合管環(huán)焊焊接工藝

王鳳會，張俠洲，趙英建，陳延清，張 熹，劉 宏

（首鋼技術(shù)研究院，北京100043）

不銹鋼復(fù)合管內(nèi)側(cè)為具有耐腐蝕性能的不銹鋼，外側(cè)為具有一定強度的碳鋼，成為新一代環(huán)保型輸水管。為了研究8 mm+2 mm厚城市輸水用Q235B+304不銹鋼復(fù)合鋼管的環(huán)焊焊接工藝，試驗選用合理的焊接材料及坡口形式等，獲得了復(fù)合板與復(fù)合板、復(fù)合板與碳鋼板的焊接接頭。通過拉伸、沖擊、彎曲試驗評價兩種焊接接頭的力學(xué)性能；通過檢測接頭不銹鋼焊道化學(xué)成分，評估復(fù)合管焊接接頭內(nèi)側(cè)不銹鋼焊道的耐晶間腐蝕性能。結(jié)果表明，所采用的焊接工藝獲得的接頭力學(xué)性能滿足技術(shù)要求且富余量較大，復(fù)合管接頭不銹鋼焊縫獲得了A+（5%～10%）δ組織，耐晶間腐蝕性能優(yōu)異。

復(fù)合管；不銹鋼；環(huán)焊；晶間腐蝕

0 前言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，為保證人民生活用水的質(zhì)量，對供水管道的材質(zhì)提出了更高的要求。不銹鋼復(fù)合管作為新一代環(huán)保型管材，已經(jīng)得到設(shè)計、安裝、監(jiān)理及業(yè)主等多方面的認可，成為改善居民生活用水的優(yōu)選產(chǎn)品[1-5]。不銹鋼復(fù)合管內(nèi)側(cè)為食用級不銹鋼，具有較強的耐腐蝕性能，既能承受水和空氣的腐蝕，還能承受弱酸弱堿的腐蝕；外側(cè)的碳鋼具有一定延展性和高強度，能夠有效提高復(fù)合管的強度穩(wěn)定性能。

不銹鋼復(fù)合管在生產(chǎn)應(yīng)用過程中會遇到連接問題，可靠的焊接技術(shù)是確保復(fù)合管安全運行的必要條件。復(fù)合管的內(nèi)外側(cè)在化學(xué)成分和物理性能方面存在較大差異，該復(fù)合管環(huán)焊時的工藝參數(shù)對接頭組織及性能影響很大，包括坡口形式、焊接材料和焊接順序等。解決復(fù)合管的焊接問題能夠促進復(fù)合管的應(yīng)用推廣，為此對復(fù)合管焊接進行了大量的研究[6-9]。

本研究根據(jù)現(xiàn)場復(fù)合管環(huán)焊的施工特點選擇合理的焊接坡口形式，并根據(jù)異種金屬復(fù)合管焊接特點選擇合理的焊接材料及焊接工藝參數(shù)，對獲得的復(fù)合管焊接接頭性能進行評價，為后期該類管的實際現(xiàn)場安裝提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 試驗材料和方法

采用首鋼首秦公司生產(chǎn)的8mm+2mm厚Q235B碳鋼+304不銹鋼的熱軋復(fù)合板，參照GB/T 8165-2008《不銹鋼復(fù)合鋼板和鋼帶》標準。復(fù)合板Q235B碳鋼和304不銹鋼的主要化學(xué)成分見表1。

表1 Q235B碳鋼和304不銹鋼主要化學(xué)成分%

采用復(fù)合板的平焊對接，模擬現(xiàn)場復(fù)合管的環(huán)焊工藝，以便下一步的性能檢測?？紤]到現(xiàn)場采用的復(fù)合管直徑為φ1 020 mm，每根管道長6 m，可以采用雙面焊接，因此坡口形式為X型。復(fù)合管的現(xiàn)場安裝包括復(fù)合管與復(fù)合管、復(fù)合管與普通碳鋼的對接，采用復(fù)合板的連接模擬現(xiàn)場管的對接，進行復(fù)合板的對接及復(fù)合板與碳鋼的對接試驗，分別為1#方案和2#方案。為了保證復(fù)合板接頭的力學(xué)性能及耐腐蝕性能，先焊Q235B碳鋼側(cè)，背面清根后焊接304不銹鋼側(cè)。碳鋼一側(cè)的焊接采用φ1.2 mm的ER50-6焊絲，不銹鋼一側(cè)的焊接采用φ3.2 mm的E309L-16。試驗方案的焊接坡口如圖1所示，焊材熔敷金屬的主要化學(xué)成分見表2，兩種接頭方案焊道所選用的焊材及焊接熱輸入如表3所示。復(fù)合板焊接順序及焊道示意如圖2所示。

焊后觀察焊接接頭金相組織，包括接頭宏觀及微觀的焊縫區(qū)、粗晶區(qū)及母材區(qū)組織。通過拉伸試驗、彎曲試驗及沖擊試驗等檢測接頭力學(xué)性能。另外，檢測兩種接頭焊縫區(qū)的化學(xué)成分，并評價接頭焊縫區(qū)的耐晶間腐蝕性能。

圖1 復(fù)合板焊接的坡口形式

表2 試驗用焊材熔敷金屬的主要化學(xué)成分%

表3 兩接頭焊道選用的焊材及焊接熱輸入

圖2 復(fù)合板焊接接頭焊接順序及焊道示意

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊接接頭宏觀組織

對兩種方案的焊接接頭進行宏觀觀察，如圖3所示。兩種方案獲得的焊接接頭均未出現(xiàn)未熔合、夾渣或裂紋等焊接缺陷，焊接工藝性良好。

2.2 焊接接頭金相組織

觀察兩種方案焊接接頭的各個區(qū)域，材料外側(cè)碳鋼及內(nèi)側(cè)不銹鋼的金相組織如圖4所示。

圖3 復(fù)合板焊接接頭宏觀照片

圖4 復(fù)合板母材基層和覆層金相組織

焊接接頭碳鋼側(cè)的焊縫區(qū)和粗晶區(qū)決定了接頭的力學(xué)性能，不銹鋼側(cè)最外的焊縫區(qū)決定了接頭的腐蝕性能，1#接頭碳鋼側(cè)Q235B焊縫區(qū)、碳鋼粗晶區(qū)及1#和2#接頭不銹鋼焊縫區(qū)的金相組織見圖5。

圖5 復(fù)合板焊接接頭金相組織

由圖4可知，復(fù)合板基層Q235B為典型的鐵素體+珠光體組織，覆層304為典型的具有孿晶的奧氏體不銹鋼組織。此外，由于復(fù)合板生產(chǎn)的軋制過程，不銹鋼層出現(xiàn)了流變線。

由圖5可知，復(fù)合板碳鋼側(cè)焊縫區(qū)為先共析鐵素體+針狀鐵素體組織，碳鋼側(cè)接頭的粗晶區(qū)晶粒經(jīng)過焊接熱循環(huán)，晶粒尺寸明顯長大，粗晶區(qū)組織為鐵素體+珠光體+少量馬氏體組織。兩種焊接接頭不銹鋼焊縫區(qū)為典型的奧氏體（A）＋少量鐵素體（δ）的不銹鋼焊接鑄態(tài)組織。

2.3 焊接接頭力學(xué)性能

檢測接頭的拉伸、彎曲及沖擊性能，結(jié)果如表4所示。拉伸試樣照片如圖6所示，彎曲試樣照片如圖7所示。

表4 焊接接頭的力學(xué)性能

圖6 焊接接頭拉伸試樣照片

圖7 焊接接頭彎曲試樣照片

由表4、圖6和圖7可知：（1）兩種接頭的抗拉強度分別為501MPa和463MPa，拉伸試樣斷于母材，拉伸性能滿足技術(shù)要求；（2）兩種焊接接頭的正彎和反彎試樣在彎曲180°后，接頭的彎曲面及側(cè)面都未出現(xiàn)裂紋，彎曲性能滿足技術(shù)要求；（3）兩種接頭焊縫區(qū)20℃的沖擊值分別為123 J和152 J，熱影響區(qū)為130 J和103 J，沖擊性能合格，且富余量較大。因此，焊接接頭的力學(xué)性能滿足技術(shù)要求。

2.4 焊接接頭耐晶間腐蝕性能評價

研究不銹鋼焊縫時涉及到鉻當量Creq和鎳當量Nieq，已知Creq和Nieq就能確定焊縫金屬的室溫組織。常用舍夫勒焊縫組織圖來確定不銹鋼焊縫組織，如圖8所示。對試驗焊接接頭不銹鋼焊縫區(qū)進行成分檢驗，兩種焊接接頭不銹鋼焊縫區(qū)的主要化學(xué)成分及Creq和Nieq如表5所示。

1#接頭需要考慮其不銹鋼焊縫的耐晶間腐蝕性能，2#接頭由于是復(fù)合板與碳鋼的結(jié)合處，不需要考慮其耐晶間腐蝕性能，評價兩接頭的耐晶間腐蝕性能。由表5可知，兩種焊縫的Cr、Ni元素含量都高于304母材，且C含量與母材也相差不大，從化學(xué)成分上能夠保證焊縫的耐蝕性。根據(jù)兩接頭的Creq和Nieq計算結(jié)果，結(jié)合圖8可知，兩焊接接頭的室溫組織為A+（5%～10%）δ，其中1#接頭的δ含量略多于2#接頭，該結(jié)果與金相觀察結(jié)果一致。

表5 兩焊接接頭不銹鋼焊縫區(qū)的主要化學(xué)成分及Creq和Nieq %

圖8 舍夫勒焊縫組織圖及Creq和Nieq計算公式

焊縫中的δ相一方面可以打亂單一的γ相柱狀晶的方向性，不致形成連續(xù)貧Cr層，另一方面δ相富含Cr，有良好的供Cr條件，可減少γ晶粒形成貧Cr層。研究表明，焊縫中存在4%～12%的δ相，其組織耐晶間腐蝕性能優(yōu)良[10]。兩種焊接接頭的δ相都在5%～10%，由此可以判斷兩種接頭的焊縫區(qū)耐晶間腐蝕性能良好。

3 結(jié)論

（1）通過選擇非對稱的X型坡口，采用ER50-6碳鋼焊材焊接復(fù)合板碳鋼側(cè)，清根后采用E309L-16不銹鋼焊材填充不銹鋼側(cè)，該焊接工藝能夠滿足復(fù)合管的環(huán)焊工藝。

（2）試驗獲得的復(fù)合板與復(fù)合板對接、復(fù)合板與碳鋼對接的接頭的拉伸、彎曲及沖擊性能滿足技術(shù)要求，其中抗拉強度分別為501 MPa和463 MPa，20℃兩種接頭的焊縫區(qū)和粗晶區(qū)沖擊值分別大于等于123 J和大于等于103 J，富裕量較大。

（3）兩種接頭不銹鋼焊獲得了奧氏體A+5%～ 10%鐵素體δ的組織，該組織能夠保證接頭內(nèi)側(cè)不銹鋼焊縫服役面具有優(yōu)異的耐晶間腐蝕性能。

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Girth welding process of Q235B+304 stainless steel clad pipe using in urban water supply system

WANG Fenghui，ZHANG Xiazhou，ZHAO Yingjian，CHEN Yanqing，ZHANG Xi，LIU Hong
（Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China）

The inner side of the stainless steel clad pipe is stainless steel with good corrosion resistance，and the outer side of the pipe is carbon steel with a certain strength.It has become a new generation of environment-friendly water pipe.In order to study the welding process of Q235B+304 stainless steel clad pipe with（8+2）mm thickness for water transportation in city，reasonable welding material and groove type were selectedtoobtaintwoweldedjoints.Themechanicalpropertiesofthetwoweldedjointswereevaluatedbytensile，impactand bending tests.The intergranular corrosion resistance of the stainless steel welded joint was evaluated by the chemical composition of the joint.The results show that the mechanics of the joint obtained by the welding process meets the technical requirements and the surplus is large，the A+（5%～10%）δ microstructure is obtained in the stainless steel weld of the pipe joint，and has excellent resistance to intergranular corrosion.

clad pipe；stainless steel；girth welding；intergranular corrosion

TG404

A

1001－2303（2017）08－0104-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.20

2016-12-12；

2017-01-19

王鳳會（1980—），男，工程師，碩士，主要從事高強鋼、管線鋼及復(fù)合材料等的焊接性及配套焊材研究工作。E-mail：wangfenghui881013@126.com。

本文參考文獻引用格式：王鳳會，張俠洲，趙英建，等.城市輸水用Q235B+304不銹鋼復(fù)合管環(huán)焊焊接工藝[J].電焊機，2017，47（08）：104-108.