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不锈钢焊接要求及注意事项
作者:宝鸡市色吊丝金属复合材料有限公司 金属爆炸焊接工程师-郝保国    发布于:2014-07-24 15:29:02    文字:【】【】【
摘要:不锈钢焊接要求及注意事项

不锈钢焊接要点及注意事项
       摘要:  通俗地说,不锈钢就是不容易生锈的钢,实际上一部分不锈钢,既有不锈性,又有耐酸性(耐蚀性)。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上富铬氧化膜(钝化膜)的形成。这种不锈性和耐蚀性是相对的。试验表明,钢在大气、水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中,其耐蚀性随钢中铬含水量的增加而提高,当铬含量达到一定的百分比时,钢的耐蚀性发生突变,即从易生锈到不易生锈,从不耐蚀到耐腐蚀。不锈钢的分类方法很多。按室温下的组织结构分类,有马氏体型、奥氏体型、铁素体和双相不锈钢;按主要化学成分分类,基本上可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大系统;按用途分则有耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐海水不锈钢等等,按耐蚀类型分可分为耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、耐晶间腐蚀不锈钢等;按功能特点分类又可分为无磁不锈钢、易切削不锈钢、低温不锈钢、高强度不锈钢等等。由于不锈钢材具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点,所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中获取得广泛的应用。

奥氏体不锈钢 
    在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%~10%、C约0.1%时,具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性,但强度较低,不可能通过相变使之强化,仅能通过冷加工进行强化。如加入S,Ca,Se,Te等元素,则具有良好的易切削性。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外,如果含有Mo、Cu等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。此类钢中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni,就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。高硅的奥氏体不锈钢浓硝酸肯有良好的耐蚀性。由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能,在各行各业中获得了广泛的应用。

铁素体不锈钢  
  在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量在11%~30%,具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍,有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等到元素,这类钢具导热系数大,膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点,多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点,因而限制了它的应用。炉外精炼技术(AOD或VOD)的应用可使碳、氮等间隙元素大大降低,因此使这类钢获得广泛应用。
奥氏体--铁素体双相不锈钢  
  是奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含C较低的情况下,Cr含量在18%~28%,Ni含量在3%~10%。有些钢还含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti,N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点,与铁素体相比,塑性、韧性更高,无室温脆性,耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高,同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高,具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比,强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能,也是一种节镍不锈钢。
马氏体不锈钢  
  通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢,通俗地说,是一类可硬化的不锈钢。典型牌号为Cr13型,如2Cr13 ,3Cr13 ,4Cr13等。粹火后硬度较高,不同回火温度具有不同强韧性组合,主要用于蒸汽轮机叶片、餐具、外科手术器械。根据化学成分的差异,马氏体不锈钢可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两类。根据组织和强化机理的不同,还可分为马氏体不锈钢、马氏体和半奥氏体(或半马氏体)沉淀硬化不锈钢以及马氏体时效不锈钢等。
本文主要介绍了不锈钢复合钢板的对接,角接等形式的焊接。
前言:耐海水腐蚀的环保设备装置——海上平台、污水处理装置等既要求有强度保证,又要求具有耐腐蚀和使用寿命长的特征,因此使用碳钢与不锈钢复合板制作。其碳钢一面保证其结构强度要求,不锈钢一面保证其耐腐蚀要求

关键词:不锈钢复合钢板,CO2半自动气体保护焊
 一、施焊前的准备工作
1、 根据产品图纸要求用机械加工的方法在接头处,去除不锈钢复合层,对接焊缝需开合适的坡口。
2、焊缝两侧各10-20mm宽度范围内作好清理工作,用钢丝刷或打磨的方法,去除氧化物、锈、油、水分等影响焊接质量的物质。
3、按产品图纸装配,在碳钢侧用CJ422,φ3.2mm焊条定位焊,定位焊焊工应具有有效的岗位操作证书,保证定位焊的质量,定位焊有效长度为25-30mm。
二、焊接过程
1、不锈钢复合钢板对接缝的焊接工艺 1.1基层碳钢焊接 
1.1.1采用埋弧自动焊的方法,正面焊一层,翻身后反面先用碳弧气刨方法清根,再封底焊一层。焊接规范如下:
位置 焊丝 焊剂 焊丝直径 电弧电压 焊接电流 焊接速度 正面 H08A J431 φ5mm 31-33V 500-550A 44-46cm/min
反面 H08A J431 φ5mm 32-34V 580-620A 44-46 cm/min
1.1.3焊后用X射线抽样检查,抽样比例为10—20%,或用UT探伤检 1.2过度层焊接
采用CO2半自动气保焊方法,焊接一层,焊接规范选择如下: 药芯焊丝   TS-309(天泰) 焊丝直径   φ1.2(MM) 电弧电压    19-21V 焊接电流    130-150A
1.3复层焊接
采用CO2半自动气体保护焊的方法,焊接一层,焊接规范如下: 药芯焊丝 TS-316L(天泰)                        焊丝直径 φ1.2(MM) 层间温度 150。C关键词:不锈钢复合钢板,CO2半自动气体保护焊
 一、施焊前的准备工作
1、 根据产品图纸要求用机械加工的方法在接头处,去除不锈钢复合层,对接焊缝需开合适的坡口。
2、焊缝两侧各10-20mm宽度范围内作好清理工作,用钢丝刷或打磨的方法,去除氧化物、锈、油、水分等影响焊接质量的物质。
3、按产品图纸装配,在碳钢侧用CJ422,φ3.2mm焊条定位焊,定位焊焊工应具有有效的岗位操作证书,保证定位焊的质量,定位焊有效长度为25-30mm。
二、焊接过程
1、不锈钢复合钢板对接缝的焊接工艺 1.1基层碳钢焊接 
1.1.1采用埋弧自动焊的方法,正面焊一层,翻身后反面先用碳弧气刨方法清根,再封底焊一层。焊接规范如下:
位置 焊丝 焊剂 焊丝直径 电弧电压 焊接电流 焊接速度 正面 H08A J431 φ5mm 31-33V 500-550A 44-46cm/min
反面 H08A J431 φ5mm 32-34V 580-620A 44-46 cm/min

1.1.2焊后清渣,并打磨
1.1.3焊后用X射线抽样检查,抽样比例为10—20%,或用UT探伤检

 1.2过度层焊接
采用CO2半自动气保焊方法,焊接一层,焊接规范选择如下: 药芯焊丝   TS-309(天泰) 焊丝直径   φ1.2(MM) 电弧电压    19-21V 焊接电流    130-150A
1.3复层焊接
采用CO2半自动气体保护焊的方法,焊接一层,焊接规范如下: 药芯焊丝 TS-316L(天泰)                        焊丝直径 φ1.2(MM) 层间温度 150。C

1.1 焊后清理焊渣,并打磨光顺焊缝后外观检查。 2、不锈钢复合钢板角接缝焊接工艺。 

2.1  基层碳钢焊接 
2.1.1   按图纸要求的焊脚尺寸,采用CO2半自动气保焊方法,进行角接缝焊接。焊接规范要求: 药芯焊丝 TWE—711(天泰)或SF—71(现代) 焊丝直径 φ1.2(MM) 电弧电压 19—21V 焊接电流 150—180(A)

2.1.2 焊后对焊缝进行清理,去飞溅,清渣,并对不锈钢侧  的焊缝进行打磨。

 2.2 过渡层焊接 
2.2.1. 采用CO2半自动气保焊方法,焊接一层,焊接规范及焊材选择如下: 药芯焊丝 TS316(天泰) 焊丝直径 φ1.2(MM) 电弧电压 20—22V 焊接电流 140—160(A) 层间温度 150。C 
2.3.2. 焊后做好清理工作,去飞溅和焊渣,用外观检查焊缝。

三、注意事项 
1、不锈钢复合钢板对接缝装配时,基准面为不锈钢复层面,防止错边过大,影响复层焊接质量。 2、装配,焊接过程中,严防机械碰伤,电弧烧伤不锈钢复层表面。

3、严防碳钢焊丝焊接在复层上或过度层焊丝焊在复层上。 4、碳钢焊接时的飞溅落在复层面上时,要仔细清除。 
5、焊接过度层时,为了减少稀释率,在保证焊透的情况下,应尽可能采用小规范。 
6、凡是参与焊接的电焊工,均需有效的合格上岗证书,并经过相应机械考核认可,方可上岗操作。 7、所用焊接材料均需有效相应的材质认可证书。

目前的不锈钢压力容器生产企业,普遍采用的主要焊接方法均为成熟的焊接工艺,如钨极氩弧焊(GTAW)、焊条电弧焊(SMAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)、埋弧自动焊(SAW)等。对于4~10mm的1Cr18Ni9Ti薄板不锈钢,主要采用钨极氩弧焊(GTAW)、焊条电弧焊(SMAW)和药芯焊丝电弧焊(FCAW);而对于4~10mm的304薄板不锈钢(相当于我国的0Cr18Ni9),则主要采用钨极氩弧焊(GTAW)、焊条电弧焊(SMAW),由于药芯焊丝电弧焊(FCAW)采用的保护气体为Ar+CO2,易使焊接接头产生增碳问题,导致其耐腐蚀性能下降,故对于低碳、超低碳不锈钢的焊接,一般情况下不采用药芯焊丝电弧焊。

本文以板厚8mm的低碳、304不锈钢为例,对其常用焊接方法及焊接成本进行分析和对比。

焊接方法分析 

钨极氩弧焊采用的保护气体为纯Ar,焊接时它既不与金属起化学反应,也不溶解与液态金属中,故可以避免焊缝中金属元素的烧损和由此带来的其它焊接缺陷,同时因其密度较大,在保护时不易漂浮散失,保护效果好。该焊接方法由于热源和填充焊丝是分别控制的,热量调节方便,使输入焊缝的焊接线能量更容易控制,故适合于各种位置的焊接,也容易实现单面焊双面成型。钨极氩弧焊的最大缺点是熔深浅、熔敷速度慢、生产效率低,因而其焊接变形也就较大。   
    焊条电弧焊由于操作灵活、方便,焊接设备简单、易于移动,设备费用比其它电弧焊方法低,因而得到了广泛的应用。该焊接方法与熔化极气体保护焊(GMAW)、埋弧自动焊(SAW)等焊接方法相比,其熔敷速度慢及熔敷系数低,并且每焊接完一条焊道均需要清理熔渣,而坡口内的清渣是比较繁琐的。   
    熔化极惰性气体保护焊(MIG焊),由于采用Ar或在Ar中添加了少量的O2作为保护气体,因而其电弧稳定,熔滴细小且过渡稳定,飞溅很小。该焊接方法的电流密度高、母材熔深深,因而其焊丝的熔化速度和焊缝的熔敷速度高,焊接生产效率高,尤其适于中等厚度和大厚度结构的焊接。该焊接设备比较复杂,设备成本较高。   
    表1给出了薄板不锈钢常用焊接方法的相关数据。该表中的GTAW焊的熔敷速度为实际测量的数据。

表1给出了薄板不锈钢常用焊接方法的相关数据。该表中的GTAW焊的熔敷速度为实际测量的数据。      表1 薄板不锈钢常用焊接方法数据  
焊  接  方  法             

                                                     TIG             SMAW            MIG  

热源  最小加热面积(cm2)           10-3             10-2             10-4 

特性  最大功率密度(W/cm2)       1.5×104           104           104~105  

热效率(功率有效系数)        0.77~0.99      0.77~0.87      0.66~0.69            

焊接电流(A)                         100~130        170~200        200~300  

焊接速度  焊材直径(mm)          Φ2.4           Φ4.0           Φ1.2  

及效率    熔敷速度(g/min)       7~10           18~22          75~85            

熔敷效率(%)                            98~100          55~60          96~99     

 低碳、超低碳薄板不锈钢焊接成本对比

对于薄板不锈钢压力容器,由于其特殊性及相关标准的要求,因而对打底焊的焊缝背面的质量要求比较高。

对于打底焊而言,钨极氩弧焊(GTAW)均优于焊条电弧焊(SMAW)、熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)等焊接方法,这主要是由于热源和填充焊丝是分别控制的,热量调节方便;同时,该种焊接方法对焊工的操作技能、接头的组对质量要求不高。因此,对于单面焊双面成型的焊接接头,其打底焊均采用钨极氩弧焊(GTAW)。对于不锈钢的焊接,焊接时必须充背面保护气(通常为纯Ar),以防止焊缝背面的氧化。   
    1 焊接成本对比   
    表2给出了板厚8mm、材质304不锈钢对接接头的焊接成本对比。表中的焊材、气体及工资的价格均是按照目前的价格进行计算的。GTAW焊的Ф2.4mm的焊丝是直条的,长度为36英寸,每根焊丝的剩余长度约80~100mm;不锈钢焊条的剩余长度约50~80mm。

表2 薄板不锈钢常用焊接方法的成本对比

焊  接  方  法                     GTAW           GTAW+SMAW        GTAW+MIG  

施 焊 条 件      V型坡口,对接接头,单面焊双面成型。  
                     母材厚度为8mm,材质为304;坡口角度70°,钝边0mm, 根部间隙2.0mm       

           焊丝直径    打底焊           Φ2.4           Φ2.4            Φ2.4         

          (mm)     填充及盖面       Φ2.4            ----            Φ1.2      

           焊条直径    打底焊            ----            ----             ---- 

焊      (mm)      填充及盖面        ----           Φ4.0             ---- 

接    焊接电流    打底焊            110             110              110

规      (A)       填充及盖面        130             170              140 

范    电弧电压    打底焊            12              12               12

          (V)       填充及盖面        12              24               24        

          焊缝厚度    打底焊            2.5             2.5              2.5        

            (mm)      填充及盖面        5.5             5.5              5.5        

          气体流量(L/min)               20              20               20

        需要金属量   打底焊           74.4            74.4             74.4        

            (g/m)      填充及盖面       407.9           407.9            407.9 

                                   综合熔敷效率 打底焊           90              90               90 

焊                              (%)             填充及盖面       90              48               98  

材                                                        焊 丝            535.9           82.7       82.7+416.2=498.9  

费                           (g/m)               焊 条            ----            849.8            ----  

用                          焊材单价          焊 丝            70.0            70.0             70.0        

                              (元/kg)                       焊 条    ----            34.0             ----        

                             焊材费用(元/m)                         37.51      5.79+28.89=34.68      34.92       

                           熔敷速度               打底焊       7              7                7  

气                       (g/min)      填充及盖面        10             20               80  

体                      燃弧时间     打底焊            10.6           10.6             10.6 

费                   (min/m)      填充及盖面        40.8           20.4             5.1  

用                     气体单价(元/L)                 0.003          0.003          0.003/0.012       

                      气体费用     焊接气体          3.09           0.64             1.85

                      (元/m)      背面保护气体      3.09           1.86             0.95       

                   其它时间     层间冷却时间    3×20=60        3×20=60         1×20=20 

 其               (min/m)      清渣时间        3×3=9        1×3+2×10=23       1×3=3  

它              总作业时间(min/m)              120.4         114.0             38.7  

费              工资单价(元/h)                 11.36         11.36             11.36  

用              工资费用(元/m)                 22.80         21.58             7.33       

                  电力费用(元/m)                 0.64          0.92              0.26       

                   焊接成本(元/m)                 67.13         59.68             45.31

当然,焊接成本还包括焊接设备的折旧、维修等费用。由于该费用很少,故本文未予考虑。

各种焊接数据的计算公式为:   
焊材消耗量=需要金属量÷综合熔敷效率

焊材费用=焊材消耗量×焊材单价

燃弧时间=需要金属量÷熔敷速度  
气体费用=气体流量×燃弧时间×气体单价      

总作业时间=燃弧时间+其它时间      

工资费用=总作业时间×工资单价  
电力费用=(焊接电流×电弧电压×燃弧时间×单价)÷60000      

焊接成本=焊材费用+气体费用+工资费用+电力费用

2 焊接成本分析

以往的资料所进行的焊接成本对比,均是九十年代初的相关数据,它是在不同坡口尺寸条件下进行的,且主要是对碳钢、中厚板常用的药芯焊丝电弧焊、实芯焊丝CO2电弧焊、焊条电弧焊等焊接方法进行成本对比与分析。

     表2的焊接成本是对于相同的坡口尺寸、薄板不锈钢进行对比的。市场经济条件下的产品随客户要求的不同而不同,且对于生产制造企业而言,产品也会随不同板厚而采取更加经济的焊接工艺。因此,相同类别的焊接接头,如果采用不同的坡口尺寸,会给生产带来许多弊端和不便。

    由表2的数据可以看出,对于70°的V型坡口、304材质、8mm板厚的对接次之,GTAW+MIG最低。GTAW+MIG的焊接成本约为GTAW的67%左右,其焊接生产效率为GTAW的3.1倍左右。不仅如此,由于MIG焊的焊接热输入少,因而GTAW+MIG的焊接变形比GTAW要小的多,它更有力于产品的质量保证。

结论   
    通过表2的焊接成本对比,可以得到如下结论:   
    (1) GTAW+MIG焊的焊接成本低,生产效率高,应加以推广应用。   
    (2) 对于薄板不锈钢的焊接,提供了焊接方法的选择依据。

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