对当前不锈钢钢管焊接技术的分析与研究

对当前不锈钢钢管焊接技术的分析与研究

张志军

中国石油 管道机械制造有限责任公司 河北 廊坊 065000

摘要：20世纪中叶至今，各种先进科技都获得了长足进步，钢铁产业也在一次一次的工业革命中获得了发展，比如焊管的技术，该项技术在21世纪十几年间已经实现了飞跃式的发展，各种合金焊管以及不锈钢钢管的发展都直接带动了焊管的产能提升以及不锈钢钢管焊接速率的大幅加快，虽然就目前而言不锈钢钢管焊接技术的质量已经明显提高了，但是对于要求越来越高、需求趋近饱和的钢管市场来说，对于焊管质量的要求标准也变得越来越高。

关键词：钢铁产业 焊接技术 不锈钢钢管 市场需求

一．不锈钢焊接技术概述

1.1不锈钢的主要概念

铁是人类步入铁器时代以来一直使用的生产力工具，而日常生活中常见的不锈钢就是将铁进行冶炼后，使其之中含有11%以上的铬。因为在铁中添加了铬，因此钢材表面会形成一层铬钝化膜，钢的耐蚀性才大大提升。另外，不锈钢中除了有铬元素，还有镍这一重要组成要素。需要注意的是，使用的铬、镍含量不同会让不锈钢的性状产生差异。随着现在钢铁制造技术的不断更新，大型的不锈钢制造厂商也会根据不同的使用环境自主开发一些特殊型号、特殊用途的不锈钢，现在比较常见的用途是钢管、条钢、钢板等等，各个产业领域都有涉猎[1]。

1.2不锈钢产出种类概述

不锈钢制作工艺相对复杂的其中一个原因就是化学成分组成复杂。由于其化学成分较多，根据当前对于钢组织的认识，不锈钢大体可以可分以下四种。

1.2.1铁素体不锈钢

铁素体不锈钢属于典型的体心立方晶系，物理特性比较坚硬，与最基础的碳素钢相似，属于比较早期的不锈钢种类，现在使用渠道逐渐收窄。

1.2.2奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢的晶体结构与基础碳素钢不同，其为面心立方晶系，材质性状与铁素体及碳素钢均不相同。

1.2.3马氏体不锈钢铁素体

马氏体也属于体心立方晶系，由于马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的合金含量相对较大，所以导热和导电性都有所下降，使用中应注意相关问题。

1.2.4双相不锈钢

双相不锈钢焊接性能良好，超塑性较强，与奥氏体不锈钢相比强度明显增大且耐孔蚀性能也很强。

二．对不锈钢钢管焊接性能及技术原理的分析

2.1不锈钢焊接特性的概述

与其他钢铁材料相似，不锈钢在焊接热循环的影响下，不锈钢与其他钢铁材料一样，其组织会发生一些变化。比如，焊接区进行熔融的部位基本都属于凝固组织，而热影响区则是相对比较粗大的晶粒组织。另外，在对不锈钢进行焊接的过程中还有可能观察到各种组织变化以及相应析出物的产生与消融。最后，由于母材以及焊丝不尽相同，其化学成分以及对应的混合比例也不会相似，因此焊接区组织也会受到影响产生一定变化，由此可看出不锈钢是优良的焊接材料，应变通使用并发扬光大。

2.2当前通用的不锈钢钢管焊接技术工艺

2.2.1 焊条电弧焊技术

焊条电弧焊技术通俗讲就是手工电弧焊。具体来讲，手工电弧焊这项技术是通过手工来对焊条进行操纵并焊接的。其优点是进行焊接的设备简单易操作，且价格便宜维护很方便，只要是焊条能够到达的地方基本都可以进行焊接，一般适用于小批量的焊件以及形状不规则或者不容易进行机械化操作的焊缝。

其缺点也比较显著，比如依赖性强，由于焊接需要手工进行，因此焊接的质量需要焊工技巧得当富有经验；此外，焊接中需要的焊条经常需要更换导致生产效率比自动化焊接要低。

2.2.2TIG焊接技术

TIG焊接技术又被称为又称为非熔化极惰性气体保护电弧焊，这种焊接技术的主要原理在于利用惰性气体快速切割的作用力实现无损切割。

TIG焊的主要优点是可供进行焊接的材料范围很广，主要包括合金钢、灰口铸铁、青铜、银、铅等等。其曾经广泛应用于铝、镁等及其合金、不锈钢等等材料，主要用于焊接厚度不太大的工件。

但是缺点也是很明显的，一般的碳钢以及低合金钢等普通材料并不适用，所以在不锈钢焊接中使用场景受限比较严重，当前不锈钢钢管种类逐渐增多，不能妥善地对钢管进行焊接的TIG焊接逐渐式微。

2.2.3 A-TIG焊接技术

A-TIG焊接技术从字面意思就可以看出其与TIG焊接具有一定的关系，其继承了TIG焊接技术质量优越的特点,焊接生产率能够得到大幅度提升[2]。

其优点是适用范围广且操作比较方便，对于不锈钢钢管焊接这一领域上有先发性作用，在加入活化剂后熔深进一步增加，焊接效果不错。A-TIG最早在20世纪60年代被前苏联应用在钛合金上，后来由于氧化物和氟化物组成的钨极氩弧焊活性剂研制获得成功，其开始使用在不锈钢上。

目前该技术的局限性在于我国A-TIG焊接技术的研究起步较晚，因此还没有达到投产使用这一阶段，但是实验室研究成果已经初见成效。

三．不锈钢钢管焊接容易出现的问题

3.1高温裂纹

就目前技术发展的程度来看，不锈钢钢管焊接中容易发生的问题就是焊接高温裂纹这一现象。首先，焊接高温裂纹其实就是在焊接时，对金属进行熔融后，其必须经历的凝固过程中很容易出现一些细小裂纹，这就是焊接高温裂纹。在熔融金属凝固时，杂质会在晶粒边界产生偏析，而这种偏析会产生收缩应力，对熔融金属造成影响，挤压熔融金属最后产生了裂纹，这对于焊接质量会产生不小的影响。

3.2焊接部位腐蚀

不锈钢钢管焊接活动中另一个常常出现的问题是在焊接部位上出现腐蚀现象。这主要是因为使用的材料耐蚀性较差，容易被外界因素腐蚀。在这个基础上，不锈钢为了耐蚀大都添加了适量的Cr，且进行精炼减少了杂质的含量。并且在目前的不锈钢钢管制造过程中，钝化膜技术已经非常成熟，这可以使该钝化膜分子在钢中能够均匀地分布，能够有效地实现防腐蚀，但是需要注意的是，在进行焊接加热时，钝化膜仍然无法避免与大气发生反应，最终还是会被氧化。

四．针对不锈钢钢管焊接中出现问题的策略

4.1综合调整不锈钢含量配比

出现焊接高温裂纹的主要原因就是配置精炼不锈钢时成分搭配的不恰当，且杂质含量较多，因此为了防止高温裂纹的产生，可以通过二次精炼来降低不锈钢中的杂质比例；另外，在使用焊丝进行焊接时时，有效地对焊缝金属的成分进行合理调配可以比较好地减少裂纹出现的可能性；最后，使用工具对焊接线进行固定，进一步控制焊接线的能量、这样可以防止误操作而对焊接工件施加拉力，避免了人为制造裂缝的可能性。下图为对含量配比的图示。

表1 不锈钢含量配比表

4.2合理对结构进行优化设计

上文中提到了焊接部位容易被腐蚀的现象，所以为了避免钝化膜过快地被氧化，在设计中必须考虑耐腐蚀性。比如可以在对管道及其他结构进行设计时，对其内壁的连接处增加防腐裕度。另外，设计时也要尽可能地让截面的过渡平滑，如此可以减小应力过于集中导致的焊接部位腐蚀问题，具体操作方法是采用流线型的砑疲进行改良，将其放置在低应力区，相应结构在原则上不能有缝隙或者死角，如果这些部位应力集中救火使介质溶液过于密集，应力就会对焊接部位腐蚀并破坏该结构。

五．结语

我国目前在不锈钢钢管焊接方面的探索已经获取了不小的成绩，这对于打开国际市场，促进我国不锈钢钢管焊接技术的发展与进步有深刻的影响，但是在一些方面我国技术仍然不能达到世界领先水平，相对依赖国外核心技术。因此本文观点就是对于技术的发展与探索不能停止，因为只有不断提高自身的生产质量与生产效率，才真正有可能在当今经济全球化的激烈竞争中开辟属于自己的战略高地，才能站稳脚跟对外输出我国优良的产品，在此基础上我国才有可能在产量与技术两个层面上实现巨大突破，在世界范围内提升钢管产品竞争力，并在相应的技术领域不依赖其他国家的核心技术。

参考文献：

1. 世界金属导报.产业延伸.2016.12.20（B15）

2. 葛小层.A-TIG焊接技术的研究与发展[J].新技术新工艺,2004(2):3840