不锈钢焊管焊缝质量的影响因素

为了保证不锈钢焊管的质量,实现对不锈钢焊管的质量控制,对不锈钢高频焊接过程中影响工艺质量的主要因素进行了分析,包括不锈钢材料的理化性能特点、焊接与成型工艺等。指出,要实现不锈钢钢管的高频焊接,关键是要保证焊接区域的无氧化,在此基础上,优化原材料的夹杂物水平,优化焊接与成型工艺,采用先进的成型工艺与焊接电源,均能有效提升不锈钢焊管的焊缝质量。

油气工业发展对石油管材的耐蚀性能要求越来越高,耐蚀性优良的不锈钢材料逐渐成为油气工业的研究热点。随着油气管材制造技术的进步,无论是不锈钢无缝管还是焊管,其生产技术都有了长足的进步,产量、质量和品种不断增加和提高。但是和国际先进水平相比,我国不锈钢管的生产企业在工艺技术、装备水平、产品质量等方面尚有较大的差距。

直缝不锈钢焊管焊接方法可分为两类:一类是在气体保护或真空环境下采用熔化焊方法生产,焊接方法包括等离子弧焊、TIG焊、激光焊等。这类不锈钢焊管焊缝质量好,可用于各种高端领域；缺点是焊接速度太慢。另一类是采用高频感应焊接方法生产,其最大优点是生产速度快,效率高,可用电脑控温；缺点是焊缝缺陷较多,质量不稳定,不能适应使用环境苛刻的石化、核电等领域的高质量要求。

1不锈钢焊管质量影响因素

高频感应焊用于碳钢管的焊接生产已有50多年历史,但用于焊接不锈钢管还是一种正在发展中的技术。国外的不锈钢、高镍合金管多为无缝钢管,尤其是航空用管、核驱动结构用管、高纯净不锈钢管等高端产品,多采用无缝热轧工艺生产。如美国普立矛斯钢管公司、法国瓦鲁雷克公司、瑞典山德维克公司、德国曼内斯曼公司等。经过努力探索,目前高频感应焊已经可以完成任何类型奥氏体不锈钢的焊接,同时也成功焊接了一些品种的铁素体不锈钢。近年来,市场对于高频不锈钢焊管的认可度在不断提高,但不锈钢焊管在用于油气化工行业时,仍然存在很多问题需要解决。

1.1不锈钢材料理化性能对焊接的影响

1.1.1理化性能对制造工艺的影响

不锈钢理化性能与碳钢差异很大,实际生产时不能将碳钢焊管制造工艺与设备直接套用在不锈钢焊管的生产中。不锈钢线膨胀系数比碳钢大,比如奥氏体不锈钢线膨胀系数比碳钢大40％；不锈钢高温强度大约比碳钢大2～3倍；不锈钢焊管的弹复率也比碳钢管大得多,必须根据不锈钢的实际弹复率进行成型辊的设计。另外,不锈钢无磁性,电阻大,约为碳钢的5倍左右,在焊接生产时,焊缝发热量大；不锈钢的导热性能差,焊接时热量不易扩散,这些情况的综合结果造成高频感应电流透入深度增加,高频集肤效应下降,焊接速度大幅降低。

由于理化性能的差异,不锈钢在进行高频焊接时,其焊接工艺参数也与碳钢有很大差别。在相同功率条件下,奥氏体不锈钢焊管高频焊接速度可达碳钢管的1.3倍；或者说,焊接速度相同时,奥氏体不锈钢所消耗功率约为低碳钢(w(C)＜0.12%)的0.77倍。在相同的功率条件下,铁素体不锈钢管的高频焊接速度是碳钢管速度的0.8倍；或者说,要达到相同的焊速,铁素体不锈钢管高频焊接所消耗的功率是碳钢管的1.25倍。

1.1.2焊缝中的夹杂物

不锈钢管高频感应焊所面临的最大问题是氧化物对质量的影响。由于不锈钢合金含量高,在高频焊接过程中,如果焊接区域暴露在空气中,就会产生大量的氧化物。虽然大部分氧化物可以通过挤压辊挤出,但还是会有少量氧化物残留在焊缝中,形成焊缝夹杂缺陷。由于铁的氧化物熔点(FeO:1 420℃；Fe 2 O 3:1 565℃)低于或接近铁单质的熔点(1 537℃),所以在碳钢钢管焊接时,氧化物会先于母材或同时达到熔点,从而氧化物去除较为容易。而不锈钢管焊接时情况不同,不论是铬系还是镍系不锈钢,都存在氧化物熔点高于母材的问题。当不锈钢中w(Cr)＞12%时,铬比铁优先与氧化合,并在母材表面形成一层致密的氧化膜Cr 2 O 3,其熔点为2 265℃,而铬的熔点为1 857℃。氧化镍(NiO)的熔点(2 090℃)也比镍的熔点(1 446℃)高许多。所以焊缝中的氧化物及其去除是影响不锈钢管焊接的关键因素。

目前,针对不锈钢的高频焊接进行的研究工作很多。董玉栋等通过对12%Cr铁素体不锈钢进行高频焊接,研究分析了12%Cr铁素体不锈钢高频焊接时,其焊缝组织和性能的变化。毕宗岳等研究了高频焊接的工艺参数对16Cr奥氏体不锈钢焊缝的组织与性能的影响,研究表明,在16Cr不锈钢的焊缝中存在Cr和Fe的氧化物,进行16Cr不锈钢的高频焊接时,需要采取气体保护措施,以防止焊缝区域氧化物的生成。Naoshi Ayukawa等通过在HF-ERW焊接过程中采用改进的气体保护技术,新开发了一种高尺寸精度的薄壁HF-ERW马氏体不锈钢管线钢管,该产品具有良好的耐CO 2腐蚀性能。这种钢管在制造过程中,开发了一种新型通保护气方法,用于防止在高频焊接过程中形成Cr的氧化物,从而保证获得优质焊缝。为了防止氧化物缺陷的产生,新日铁君津厂采用高纯度N 2,在非氧化性气氛下采用高频焊方法焊接SUS304奥氏体不锈钢。对焊缝断口进行了扫描电镜检查,没有发现氧化物夹杂,焊缝质量得到了有效保证。

相关人员研究了不锈钢在保护气氛下的焊接特点,研究认为,采用保护气氛显著扩大了不锈钢高频焊的焊接工艺区间,而保护气体所起的作用是将焊接区域的氧气含量降低到5%以下[15]。也有研究认为,当钢中的w(Cr)＜1.0%时,才有可能实现在空气中进行钢的无缺陷焊接。于是,为了保证高频不锈钢焊管焊缝质量,国外采用惰性气体、H 2、N 2及混合气体对焊接区域进行保护,以实现无氧化的高速焊接。钢种不同时,保护气体种类也不同,关键是要将氧气浓度控制在0.1%以下。

1.2对焊接工艺与设备的特殊要求

高频感应焊需要较大的电源功率,所用焊机的平均输出功率达150～450 kW。根据焊管不同材质、规格,高频焊能达到很高的焊速,甚至可以超过100 m/min,是使用TIG焊接所能达到最高焊速的10倍以上。

从焊接机理分析,高频焊管以塑性状态焊接为最好。焊接温度过高时,焊后试样的扩口试验结果是很不理想的。但塑性状态所需要的焊接温度范围很窄,难以控制,尤其是在电压产生波动时,焊接过程很难稳定进行。为了去除在高温下焊口处形成的高熔点氧化物(如氧化铬),也同时为了扩大焊接可适用的工艺范围,一般要求在焊接时钢管边缘要达到熔化状态。但与之相应带来的问题,就是要研究解决这一过程的稳定性,使焊缝能保证较高的质量水平。

焊接碳钢管时,焊接温度容限为150℃。焊接不锈钢时,根据其化学成分,焊接温度容限要小得多,因而不允许焊接工艺过程有任何疏忽。国外资料介绍,不锈钢或高合金钢管在高频焊时,允许的输入热量在工业生产中的控制精度范围大约为5%。鉴于此,一方面要求制管机组活动零部件必须要有严格的公差要求,防止振动,以保证机组、焊点和V形角的稳定性,避免产生冷焊与过热缺陷。另一方面,高频感应焊机的性能也必须稳定,因为输出功率产生的波动也将导致焊点产生类似的问题。国外高频焊机组一般带有热量自动输入控制系统和故障监控系统,将焊接过程的输入热量控制在工艺要求的范围内,确保了焊接质量的稳定。日本应用了一套新研制的高频电阻焊自动功率输入控制系统,不仅能根据板带对应的焊速对输入热量进行调控,还可以用高精度电子仪器对焊接现象进行监控,以保证焊接过程始终处于最佳状态,即保证焊接为第二类焊接现象。

为了能够焊接不同直径、壁厚和材料的不锈钢管,比如AISI304、316奥氏体不锈钢和AISI409铁素体不锈钢,需要有一台适应性极强的焊机。采用输出频率可变的焊机可解决这一问题,如输出频率从100～200 kHz、150～300 kHz或250～500 kHz等,可输出不同频率的焊机。另一种办法是在控制台上设计安装几个不同档位的选择开关,操作者可以通过开关进行输出频率的选择。

1.3成型工艺的不同

1.3.1材料性能对成型方式的影响

不锈钢线膨胀系数比碳钢大,抗拉强度、屈服强度及延伸率与碳钢相比也有很大差异。由于不锈钢材料的强度及回弹力等性能与碳钢存在差异,不锈钢焊管生产时,其成型工艺必然具有自身独有的一些设计特点。实践证明,奥氏体不锈钢材料对于双半径成型法有着良好的适应性,奥氏体不锈钢的成型应当采用综合弯曲变形法。

奥氏体不锈钢焊管成型时要解决的另一个技术问题,就是要防止成型辊与被成型材料的粘钢问题。钢管在成型时,成型辊孔底与两翼部分的圆周速度是不同的,两翼部分的圆周速度要比钢管在成型过程中的移动速度快。成型孔两翼部分的圆周速度与制管速度之差,会引起钢管与轧辊之间产生摩擦,导致成型辊出现粘钢现象,从而使得奥氏体不锈钢的钢管表面留下轧痕。防止轧痕产生最有效的措施就是要减少孔型两翼部分的圆周速度与成型焊管移动的速度差。为了解决这个难题,研究人员发明了拼合式轧辊来代替过去的传统轧辊。

1.3.2开口角与挤压力的影响

保证不锈钢钢带边缘的平整、光滑以及尽量少的毛刺,对于随后的焊接是十分重要的。张则胜等在试验中观察到,焊接时边缘的烧化过程稳定与否,与开口角的大小、开口角位置及与管边接触的状态有关。当开口角过小或者接触状态不好时,由于熔融金属形成后向焊点移动,聚集成更大的凸起,“爆炸”后会形成难以压合的凹坑。改变开口角的大小就可以使这一过程由不稳定烧化过程调整到稳定烧化过程,也就是说,能够找到临界的开口角值,当小于此值时,烧化过程会变得不稳定。在试验中,可以根据具体产品规格进行试验,以找出相对应的最佳开口角。在研究感应焊接时,研究了V形角与焊接质量的关系,并提出了获得理想的V形区的措施。研究表明,在高频直缝焊管的生产中,焊接区V形角顶端位置、开口角大小以及V形口两边的平行程度都影响着钢管的焊接质量。

HFW焊管焊接时,当管坯的两个边缘被加热到焊接温度后,带有氧化物的熔融金属会被挤出焊缝外,之后管坯的两个边缘继续被挤压辊挤压,直到形成共同金属晶粒互相渗透、结晶,最终形成牢固的焊缝。挤压力大小对焊缝的质量有着直接影响。通过适当的温度调节与控制,足够的加热深度,适当的挤压力,可以实现高质量的“锻造焊接”效果。再通过焊接之后的热处理,就可以获得焊缝和管体相当的冲击韧性。

造成焊管生产中出现各种质量缺陷的因素多种多样,焊缝的腰鼓形、流线上升角等特征形貌可以直接反映焊接工艺参数的选择与配合是否合理,能够比较直观地评判焊接质量。国内外的主要焊管生产厂家目前仍然通过对焊缝形态观察及金相分析来调整控制焊接板边的开口角、焊接温度、焊接速度以及焊接挤压力等工艺要素,以确保获得最佳的焊管产品质量。

1.4焊缝内毛刺与在线质量监控

化工、食品和核工业等焊管应用行业不接受有焊接内毛刺的高频焊不锈钢管。在进行高频焊高速生产时,铁素体不锈钢焊管的内毛刺清除相对容易,而奥氏体不锈钢焊管的内毛刺清除是非常困难的。这类焊管内毛刺对于装饰、家具、机械结构管等领域的使用一般不造成影响,但对于食品和石化工业来说则不被接受。

在不锈钢无缝管的生产中,超声波探伤是公认的一种有效的无损检验方法,但对于不锈钢焊管(尤其是对于奥氏体不锈钢)来说,其探伤效果并不理想,主要原因是在奥氏体不锈钢焊缝金属中存在较为粗大的奥氏体柱状晶,该组织易造成超声波波束散乱,并产生明显的林状反射波,造成缺陷信号衰减,SN比下降,缺陷识别困难。不锈钢焊管生产中采用在线涡流探伤,SN比增大,检测效果较好。

2不锈钢高频焊接区域的气体保护

2.1焊接区域密封气体保护装置

高频焊接气体保护密封装置原理如图1所示。对焊接区域采用保护方式进行焊接被认为是提高不锈钢高频焊接质量的关键因素之一。为了保证HFW合金钢管焊缝质量,国外采用在惰性气体、H 2、N 2及混合气体保护下进行无氧化高速焊接。

该装置将高频焊接V形角区域密封后,将保护气体充入焊接区域,使得整个焊接过程在无氧环境下进行,从而提高了焊缝的纯净度,为得到高质量的焊缝提供了保证。

2.2等离子气喷射保护装置

新日铁开发了一种等离子机,可产生稳定的氩气+氮气(+氢气)的混合气体流。在室温下采用低温气体对焊接区域进行保护的技术,对于得到稳定、低氧含量的焊接区域非常有效,防止了氧化物夹杂的产生。相比于低温气体保护技术,等离子体是一种更高温的状态(最高达6 000 K),分解的气体会与夹带的氧气反应,因而等离子体气流由于夹带气体少,加强了保护效果。此外,在高温等离子体的作用下,钢带边部的氧化物也可能熔化和(或)降低。采用试验材料为屈服强度达到X65钢级的高强度管线钢,对焊接区域采用等离子气喷射保护后的效果进行观察发现,通过应用这种新的保护技术进行的焊接试验,HF-ERW焊缝焊接缺陷少且低温韧性良好。图2为不同尺寸等离子发射机发射的等离子气流的高速摄影图。

研究表明,当采用等离子气体进行保护时的高频焊接,不但其工艺窗口更宽,焊缝缺陷率更低,焊缝的低温冲击韧性也明显提高。

3结束语

不锈钢的高频焊接比碳钢要困难得多。由于不锈钢材料理化性能与碳钢有很大差异,不锈钢焊管的制造工艺与碳钢焊管相比也存在很大不同。为了保证不锈钢焊管的质量,要从原材料的成分设计开始,通过对原料设计、成型工艺创新、焊接过程控制等手段,实现对不锈钢焊管质量的控制,生产出质量等级满足石油化工行业需要的不锈钢焊管。