不锈钢与低碳钢焊接裂纹的预防措施

陆山等

[摘要]针对不锈钢与低碳钢焊接接头，易产生裂纹的问题进行剖析以及解决此问题所采取的方法和措施。

[关键词]异种钢的焊接 裂纹 方法和措施

前言

在采油一厂采油十五队的三采注聚站内，由许多奥氏体不锈钢阀门直接与低碳钢管焊接，由于管内的介质为腐蚀性的聚合物，管线内的压力又高，高达22Mpa，焊缝长时间受高压、腐蚀介质的作用，有十几道焊接在靠近碳钢的一侧出现了裂纹，若不能及时补焊，不仅浪费能源，恶化环境，而且还会给我们厂的原油生产带来很大的影响。

一、低碳钢和奥氏体不锈钢在物理性能、化学性能和机械性能上的差异

（一）物理性能 1Cr18Ni9Ti不锈钢与Q235钢相比，（1）低的热导率，不到碳钢的1/3倍，（2）高的电阻率，为碳钢的近5倍，（3）大的线膨胀系数，比碳钢高40%左右。

（二）1Cr18Ni9Ti不锈钢与Q235钢化学成分的比较，见表一。

从表一中可以看出：两种金属的化学成分存在着较大的差异，1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢中不但含有较高的合金元素，而且含碳量也比Q235钢低60%左右。当两种金属焊接时，Q235钢就会对焊接接头进行稀释，造成焊接头的组织成分分布不均匀。

1.31Cr18Ni9Ti不锈钢与Q235钢机械性能的比较，见表二。

从表二中可以看出1Cr18Ni9Ti不锈钢与Q235钢的机械性能相差较大，焊接时就会存在一定的困难，焊接接头就会出现应力分布不均匀的现象。

二、裂纹产生的机理

对采油一厂采油十五队三采注聚站站内的Q235钢管与1Cr18Ni9Ti不锈钢阀门连接的焊缝，进行补焊时所产生裂纹的问题进行分析，原因有以下几个方面：

（一）补焊时，由于时间太紧，开口坡口小，造成焊接接头中溶入过多的Q235钢成分，熔入的母材对焊缝金属具有稀释的作用，使焊缝中的奥氏体形成元素的含量减少，出现了淬硬的马氏体组织，导致焊缝产生裂纹。所谓稀释作用，是指碳素钢与奥氏体不锈钢焊接時，由于碳素钢成分熔入焊缝，使焊缝的合金元素成分被冲淡的现象。焊缝的稀释程度主要取决于母材金属的溶入量，即“熔合比”。异种金属焊接时应尽量减小熔合比。因为熔和比越小，焊缝金属中填充材料占的比例就越大，就可有效的防止裂纹产生。

（二）焊接接头的塑性和韧性降低，导致焊接接头产生裂纹。焊接Q235钢与1Cr18Ni9Ti不锈钢时，焊接接头塑性和韧性降低的主要原因，是在熔合区出现脆性层，其原因有：（1）在焊接时，由于溶池边缘金属的温度较低，流动性较差，使熔化的母材金属和填充材料不能充分混合，其结果是在Q235钢一侧的焊缝金属中，Q235钢的成分所占比例较大，而且越靠近熔合线，母材所占比例越大。这样在碳素钢母材一侧的熔和区金属中，容易形成与焊缝金属内部成分不同的脆性层，脆性层的宽度为0.2mm-0.6mm。（2）由于Q235钢含碳量比1Cr18Ni9Ti不锈钢高，合金元素含量较少，因而使得Q235钢对焊缝金属的稀释作用较强，使熔和区的脆性层中含铬、镍量减少，形成组织为高硬度的马氏体，造成脆性增加，塑性和韧性下降。

（三）由于两种金属性能上差异很大，导致焊缝出现裂纹。在焊接Q235钢与1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢时，由于不锈钢的线膨胀系数、电阻率都比低碳钢大，而热导率又比低碳钢小，焊接后焊缝内部会产生很大的热应力，当热应力值超过焊缝金属的强度极限时，就会沿溶合线产生裂纹。

三、对出现的裂纹采取的方法和措施

根据Q235钢与1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢焊接时产生裂纹的原因，采取了以下方法和措施：

（一）严格控制焊缝的溶合比。实践证明，在Q235钢与1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢焊接时，焊缝熔合比控制在30%以下，能有效的防止母材金属对焊缝金属的稀释作用。主要是通过选择焊接方法、坡口大小和填充材料，来控制合比。对Q235钢与1Cr18Ni9Ti不锈钢焊缝进行补焊时，由于条件的限制，在选择焊条电弧焊的前提下，就应该选择A307焊条，U型坡口或大V型披口，并且坡口两侧50mm都要清理干净，焊接后得到的焊缝组织为5%的铁素体和奥氏体的双相组织，使得焊缝金属的抗裂性能显著提高。

（二）采用过度层。焊接Q235钢与1Cr18Ni9Ti不锈钢时，可先在Q235钢的坡口表面上，用含铬、镍量高的焊条堆焊一层奥氏体过度层。先用A307或A302作为过度层，在碳钢一侧的坡口面上堆焊一层，然后再选用A102焊条将过度层与1Cr18Ni9Ti不锈钢焊接。这样，不但脱碳层区域变小了，而且也减小了熔合比，降低了焊缝产生裂纹的可能性。

（三）严格控制冷速度，降低焊缝产生裂纹的可能性。由于在站内补焊时管线内还有水，冷却速度很快，在热影响区产生很大的焊接应力，造成了焊接接头的焊趾处出现了裂纹。在Q235钢管与1Cr18Ni9Ti不锈钢闸门焊接时，要先把水排掉，再对碳钢一侧预热150℃左右后再进行焊接，尽量采用小规范焊接，焊后还要用毛毡等覆盖焊缝，达到缓冷的目的，使焊接应力在缓冷过程中能充分消除。

四、结论

实践证明，在正确选择坡口型式、坡口尺寸以及正确的焊接方法的情况下，选用A307焊条焊接或选择先用A307焊条在碳钢一侧堆焊一层后再用A102焊条焊接，所得到的焊缝都能达到质量的要求，在投入运行两年多以来，均未发现异常现象。

[参考文献]

[1]高忠民的《实用焊接技术》

[2]刘云龙《焊工技术手册》

（作者单位：中原油田）