304不銹鋼管高頻焊接工藝優(yōu)化及管接頭性能

  浙江至德鋼業(yè)有限公司通過高頻焊接方法在不同工藝下焊接304不銹鋼管，分析了焊縫的顯微組織及成形性能，并對(duì)其焊接工藝進(jìn)行了優(yōu)化；之后通過拉伸、壓扁和擴(kuò)口試驗(yàn)等方法研究了優(yōu)化工藝下制備304不銹鋼管接頭的性能。結(jié)果表明可獲得成形性能良好的焊接接頭，焊縫的組織為奧氏體和鐵素體；制備的焊管雖然具有較高的強(qiáng)度，但焊縫處存在的氧化物夾雜使其韌性變差；采用適當(dāng)?shù)臍怏w保護(hù)和避免水與高溫焊縫的接觸可有效地減少焊縫氧化物夾雜的產(chǎn)生。

高頻焊是直縫焊管生產(chǎn)中采用的主要焊接方法之一，但是由于不銹鋼含有大量的合金元素，使其具有導(dǎo)熱系數(shù)小、線膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，加之國內(nèi)高頻焊接技術(shù)水平不是很高，使得焊后鋼管存在韌性較差、成形不良等問題，因此我國目前的不銹鋼高頻焊管主要是一些304薄壁鋼管，且主要用于裝飾管件、非承壓或低壓管道等，而國外不銹鋼高頻焊管已經(jīng)被作為承壓或耐蝕管材而廣泛應(yīng)用于油氣管道、油井管材等油氣開采、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。目前，國內(nèi)已經(jīng)有大量關(guān)于薄壁不銹鋼管高頻焊接的研究，但關(guān)于304不銹鋼管的高頻焊接工藝、焊縫組織性能等方面的研究鮮有報(bào)道。304不銹鋼是一種經(jīng)濟(jì)型不銹鋼，作為一種油氣管用材，具有良好的耐蝕性能，可在硫化氫、二氧化碳共存的環(huán)境下服役。因此，作者通過研究厚度為3.4mm的304不銹鋼管在不同焊接工藝參數(shù)下焊縫的組織與成形性能，確定了高頻焊管的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)，然后用此工藝制備焊管，并對(duì)焊管接頭性能和焊接缺陷的形成機(jī)理進(jìn)行了分析，為厚壁不銹鋼管的高頻焊接和不銹鋼承壓焊管的生產(chǎn)提供參考。

一、試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為熱軋退火態(tài)酸洗304不銹鋼管，厚度為3.4mm，化學(xué)成分見表，顯微組織為單相奧氏體組織，如圖所示。

為了獲得高頻焊接304不銹鋼管的最佳工藝參數(shù)，在固態(tài)高頻接觸焊焊接設(shè)備上進(jìn)行304不銹鋼管的焊接試驗(yàn)。在焊接接頭處截取金相試樣，采用金相砂紙逐級(jí)打磨，用體積分?jǐn)?shù)為10%草酸溶液腐蝕后，通過光學(xué)顯微鏡對(duì)焊接接頭的顯微組織進(jìn)行觀察。通過分析不同焊接參數(shù)下焊接接頭的組織和性能，確定合理的焊接參數(shù)，并應(yīng)用于生產(chǎn)線中試制304不銹鋼管，焊管規(guī)格為480mm×3.4mm。采用固態(tài)高頻感應(yīng)焊機(jī)在氬氣保護(hù)下進(jìn)行焊接試制，焊后對(duì)焊管焊縫進(jìn)行930℃正火熱處理，保溫2分鐘。從試制管材上截取焊縫金相試樣，用10%草酸溶液腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡和日立S3700N型掃描電鏡觀察焊縫的顯微組織。依據(jù)ASTMA370-2015標(biāo)準(zhǔn)，采用ZWICKZ1200型萬能材料試驗(yàn)機(jī)在室溫下對(duì)熱處理后的管材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)管段長(zhǎng)度為400mm，依據(jù)GB/T246-2007進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，試驗(yàn)管段長(zhǎng)度為100mm，先將壓板間距壓至32mm，觀察該管段是否產(chǎn)生裂紋或開裂，再將壓板壓至試管內(nèi)壁貼合，觀察該管段是否產(chǎn)生裂紋或開裂現(xiàn)象；依據(jù)GB/T242一2007進(jìn)行25%擴(kuò)口試驗(yàn)，試驗(yàn)管段長(zhǎng)度為100mm；通過掃描電鏡及附帶的能譜儀對(duì)壓扁斷口形貌及成分進(jìn)行分析。

二、試驗(yàn)結(jié)果與討論

1. 焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形性能的影響

  由圖可見，在焊接熱輸入為3.0kJ·cm時(shí)，隨著焊接速度的增加，304不銹鋼管焊縫成形性能變好，焊縫融合線寬度隨著焊接速度的增加逐漸減小，焊縫兩側(cè)金屬流線升角也趨于合理范圍內(nèi)。據(jù)文獻(xiàn)可知，焊接過程中熔合線兩側(cè)金屬流線升角應(yīng)控制在50°~80°范圍內(nèi)，熔合線寬度應(yīng)控制在20~140um范圍內(nèi)。焊接速度為10m·min時(shí)焊縫的成形性能最好，如圖所示，分別測(cè)量熔合線兩側(cè)1/4壁厚方向處金屬流線升角以及內(nèi)、外壁和壁厚中部的熔合線寬度。流線升角分別為60°，62°，65°和67°；壁厚中部熔合線寬度為60um左右，內(nèi)、外壁兩側(cè)熔合線寬度分別為87um和80um左右。高頻焊接時(shí)，高頻電流的集膚效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致焊縫內(nèi)外壁的熔合線寬度高于壁厚中部的熔合線寬度。

  高頻焊接時(shí)，兩待焊鋼板邊緣在高頻電流的集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)下被加熱融化后，熔融金屬通過窄間隙運(yùn)動(dòng)到達(dá)焊點(diǎn)并在擠壓力的作用下完成焊接。熔融金屬在到達(dá)焊點(diǎn)前所經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，熔融金屬表面的氧化物越多，黏度越大，在擠壓成形時(shí)焊縫中的氧化物越難以被完全排出，從而導(dǎo)致焊縫的成形性能變差。因此，在焊接熱輸入相同時(shí)，增大焊接速度可以減少熔融金屬到達(dá)焊點(diǎn)前所經(jīng)歷的時(shí)間，從而改善焊縫的成形質(zhì)量，減少焊縫缺陷。由圖可以看出，焊接速度為10m·min1時(shí)，隨著焊接熱輸入的增加，焊縫成形性能變差，融合線寬度增大，焊縫處逐漸析出。脆性相。

  焊接熱輸入為5.7kJ·cm時(shí)，高頻焊接成形區(qū)窄間隙形狀如圖所示。由于高頻電流的臨近效應(yīng)，在開口角頂點(diǎn)處的鋼板邊緣金屬熔化量最大，熔融金屬由頂點(diǎn)過渡到焊點(diǎn)處時(shí)，表面氧化物增多，熔融金屬黏度增大，焊接熱輸入過大導(dǎo)致加熱溫度過高，這為焊接后。脆性相的生成提供了熱力學(xué)條件；同時(shí)在擠壓成形時(shí)，星狀的窄間隙使其擠壓力大部分被施加于開口角頂點(diǎn)處，而焊點(diǎn)處熔融金屬所受擠壓力卻很小，因此焊縫熔合線寬度較寬，兩側(cè)金屬流線升角不對(duì)稱且均未處于其合理范圍內(nèi)。

  焊接熱輸入為3.8kJ·cm時(shí)，高頻焊接成形區(qū)窄間隙形狀如圖所示。由于開口角頂點(diǎn)到焊點(diǎn)處的鋼板邊緣距離相同，在高頻焊接時(shí)熔融金屬的分布較為均勻，擠壓成形時(shí)焊點(diǎn)處的熔融金屬受到較小的擠壓力作用，且熔融金屬由開口角頂點(diǎn)過渡到焊點(diǎn)時(shí)，黏度增大，成形不穩(wěn)定，因此焊縫熔合線寬度減小，但仍未處于其合理范圍內(nèi)，且熔合線兩側(cè)金屬流線升角不對(duì)稱，焊縫中出現(xiàn)了少量。脆性相。

  焊接熱輸入為3.0kJ·cm時(shí)，高頻焊接時(shí)成形區(qū)窄間隙形狀如圖所示。開口角頂點(diǎn)與焊點(diǎn)重合，鋼板邊緣金屬融化后會(huì)立即在擠壓力的作用下形成焊縫，且擠壓力剛好施加于焊點(diǎn)處，因而熔合線兩側(cè)的金屬流線升角及熔合線寬度控制合理，焊縫成形性能良好。

  經(jīng)顯微組織分析得到最優(yōu)的304不銹鋼管焊接參數(shù)為：焊接速度10m·min，焊接熱輸入3.0kJ·cm，焊機(jī)輸出頻率為378~382kHz，焊接時(shí)擠壓力5t，開口角4.8°。

2. 焊管接頭的顯微組織及力學(xué)性能

  由圖可以看出，304不銹鋼管材焊縫組織為奧氏體和鐵素體，且組織分布均勻，晶粒較細(xì)小。這是因?yàn)楹负鬅崽幚硎购缚p及熱影響區(qū)的粗晶組織發(fā)生完全奧氏體化轉(zhuǎn)變，并在隨后的冷卻過程進(jìn)行再結(jié)晶，從而得到均勻和細(xì)小的顯微組織。奧氏體不銹鋼焊縫中含有體積分?jǐn)?shù)5%~15%的鐵素體對(duì)防止焊接熱裂紋的產(chǎn)生，提高焊縫抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的能力都有十分重要的作用，經(jīng)軟件測(cè)定，制備的304不銹鋼管焊縫中鐵素體含量約為9%。

  最優(yōu)焊接工藝參數(shù)下制備焊管的屈服強(qiáng)度為601.7MPa，抗拉強(qiáng)度為741.7MPa，伸長(zhǎng)率為54.8%。對(duì)試管進(jìn)行25%擴(kuò)口試驗(yàn)時(shí)，焊縫及母材均未產(chǎn)生裂紋或開裂現(xiàn)象。壓扁試驗(yàn)中當(dāng)壓板間距為32mm時(shí)，焊縫內(nèi)外表面均未產(chǎn)生裂紋或發(fā)生開裂，但當(dāng)試管繼續(xù)壓扁至內(nèi)壁貼合時(shí)，焊縫處出現(xiàn)不同程度的裂紋，如圖所示。這表304不銹鋼管雖然具有較高的強(qiáng)度，但焊縫韌性較差。由圖可看出，壓扁試驗(yàn)后斷口外表面附近存在大量的夾雜物，經(jīng)能譜分析后發(fā)現(xiàn)其主要化學(xué)元素有鐵、鉻、錳、硅、鋁、氧、硫等，如圖所示。通過能譜分析可知，壓扁斷口顯微組織中出現(xiàn)大量的氧化物夾雜，這些夾雜物使得斷口呈現(xiàn)明顯的解理斷面特征，組織中存在明顯的解理臺(tái)階。熱處理后管材焊縫處的晶粒組織比較細(xì)小，但是夾雜物的存在使得焊縫處的韌性變差，這也導(dǎo)致了焊縫處裂紋的產(chǎn)生。

  由于不銹鋼中含有大量的合金元素，在高頻焊接時(shí)焊接表面極易形成氧化層，在擠壓輥?zhàn)饔孟逻M(jìn)行壓力成形時(shí)，如果氣體保護(hù)不完全或者擠壓不充分，就不能將生成的氧化物從焊縫的熔合面上擠出，氧化物將會(huì)殘留在熔合線處，在隨后的凝固過程中于焊縫處形成氧化物夾雜，使得焊縫的韌性急劇惡化。經(jīng)初步推斷：高頻焊中出現(xiàn)的氧化物夾雜主要是由氣體保護(hù)不充分引起的；同時(shí)感應(yīng)高頻焊中的高頻感應(yīng)線圈一般采用水冷卻，而水在高溫下分解所產(chǎn)生的氧元素會(huì)與合金元素結(jié)合生成氧化物。為減少氧化物夾雜的生成并提高焊縫的韌性，采用在完全氬氣保護(hù)環(huán)境下對(duì)304不銹鋼管進(jìn)行高頻焊接。因?yàn)楦哳l焊頭采用液氨進(jìn)行內(nèi)冷卻，所以在完全氬氣保護(hù)下避免了冷卻水和空氣中的氧氣與高溫焊縫的接觸。由圖可以看出，這時(shí)焊縫處已經(jīng)基本檢測(cè)不到氧元素，因此通過完全氬氣保護(hù)并避免高溫焊縫與水的接觸可有效地控制焊縫中氧化物夾雜的產(chǎn)生。焊后對(duì)試樣進(jìn)行彎曲性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)焊縫處未出現(xiàn)裂紋，焊縫韌性得到改善。

  在焊接速度為10m·min、焊接熱輸入為3.0kJ·cm時(shí)可獲得成形性能良好的焊縫，304不銹鋼管材焊縫的顯微組織為奧氏體和鐵素體，屈服強(qiáng)度為601.7MPa，抗拉強(qiáng)度為741.7MPa，伸長(zhǎng)率為54.8%。試制的焊管雖然具有較高的強(qiáng)度，但焊縫韌性較差，焊縫處存在大量的氧化物夾雜是焊縫韌性較差的主要原因。焊縫處氧化物夾雜主要是由氣體保護(hù)不完全和冷卻水與高溫焊縫接觸引起的，因此采用適當(dāng)?shù)耐耆珰鍤獗Ｗo(hù)和避免水與高溫焊縫的接觸可有效地減少焊縫氧化物夾雜的產(chǎn)生。