不锈钢冶金复合管焊接工艺研究

王秀琴 张瑞增 章超荣

1. 概述

2009年，我公司中标的NX70A共用平车标书中规定制动管系采用不锈钢冶金复合管。由于我公司从未对该种复合管进行过焊接，因此在批量生产使用前进行了焊接工艺试验。通过试验中发现，该种复合管焊后存在容易产生热影响区裂纹和基层与覆层分离的问题。如果该标车制动管系采用该不锈钢冶金复合管制造，后果将不堪设想。

通过焊接工艺试验研究，对焊接裂纹形成原因进行了分析，经过与复合管研制厂家沟通，共同提出了不锈钢冶金复合管材料的改进措施，对改进后的不锈钢冶金复合管焊接进行了焊接工艺试验和工艺评定，保证了不锈钢冶金复合管的焊接可靠性。

2. 不锈钢冶金复合管材料及性能指标

铁路货车用不锈钢冶金复合管是一种以碳素钢无缝钢管为基层，薄壁不锈钢管为覆层，界面采用冶金结合方式，使覆层连续均匀覆于基层钢管内壁所形成的复合管材（以下简称复合管）。基层钢管为2 0钢无缝钢管，承受结构强度；覆层材质为1Cr18Ni9Ti薄壁不锈钢焊管，与工作介质相接触起耐腐蚀作用。复合管的外径、壁厚及允许偏差和力学性能如表1、表2所示。

表1 复合管外径、壁厚及允许偏差

表2 复合管力学性能

图1 复合管与法兰接头体焊接装配示意

3. 焊接试验

（1）焊前准备 ①按照表1中五种规格的复合管，准备与之配套的五种规格的低碳钢法兰接头体。②用砂轮打磨清除复合管和接头体待焊部位的铁锈、油污及水分等污物。③在专用焊接胎上组装接头体和不锈钢管，焊接接头装配如图1所示。④焊接环境温度要求≥5℃，工作区域不允许有穿堂风。

（2）试件焊接 第一，焊接工艺方法。采用MAG焊以及手工TIG焊，焊条电弧焊修复。

第二，焊接用材料。试验采用3种不同的焊接工艺：MAG熔化极气体保护焊、焊条电弧焊、手工TIG钨极氩弧焊，具体焊接材料如表3所示。

第三，焊接参数。首先，复合管采用MAG专机自动焊接，焊机型号为YD—350AG2，焊接参数如表4所示。

其次，复合管采用手工TIG 焊，焊机型号为ZX7—400STG；采用焊条电弧焊，焊机型号为BX—300，焊接参数如表5所示。

图2 MAG专机自动焊缝外表面

图3 TIG手工钨极氩弧焊焊缝外表面

图4 焊条电弧焊焊缝外表面

4.焊接结果分析

（1）焊接外表面质量及对比结果分析 图2～图4为复合管分别采用MAG专机自动焊、手工TIG焊、焊条电弧焊时焊缝的外表面成形情况。

通过采用上述3种焊接方法焊后焊缝外观质量对比可知，采用MAG焊接专机自动焊的气体保护焊焊缝成形和采用手工TIG焊成形较为美观，采用焊条电弧焊时易产生夹渣、气孔及咬边等焊接缺陷。

（2）焊缝宏观、管壁内表面质量及对比结果分析 通过对采用MAG气体保护焊、手工TIG焊、焊条电弧焊三种不同的焊接工艺方法焊接的复合管焊接接头内表面、焊接接头断面进行解剖检测，发现主要存在以下问题：

第一，采用手工TI G焊时，焊后内表面热影响区部位即不锈钢覆层出现了贯通裂纹（见图5箭头所指位置）。

第二，采用焊条电弧焊焊接φ17mm复合管时，在冶金复合层出现了明显的分层现象，其他规格的复合管也发现有此现象，如图6箭头所指位置。

上述问题表明：该不锈钢冶金复合管对热敏感性较强，焊接时容易产生热影响区裂纹和基层与覆层分离的问题，如果批量使用会造成制动系统的泄漏，并危及行车安全。

表3 复合管试验用焊接材料

表4 MAG专机自动焊接参数

表5 TIG焊、焊条电弧焊焊接参数

5. 复合管焊接接头裂纹分析

（1）复合钢管界面组织 针对我公司焊接试验结果，我们与复合管研制单位进行技术沟通，了解其复合管的生产工艺，发现其在复合过程中选用了厚度为0.05mm的铜-锌合金箔作为中间层，而这种铜-锌合金熔点较低，约为900℃，经过加热后扩散复合。在20钢界面出现部分新的组织，经X射线衍射分析主要为含Cr、Ni、Cu的富铁奥氏体组织，强度、硬度较高，对塑性没有不良影响。在不锈钢界面，铜合金向不锈钢中有少量扩散，扩散距离最大约0.08mm，除界面附近外，对不锈钢基体没有影响。碳钢中为细晶铁素体+珠光体组织，晶粒度7～8级。

（2）焊接裂纹的产生 然而在采用TI G焊接时或在进行焊缝返修时，在焊接收弧部位下面不锈钢覆层内表面焊接热影响区产生裂纹，如图7a箭头所指。显微镜下观察裂纹如图7b所示，裂纹自中间层与不锈钢的界面开始，穿过不锈钢层，扩展至不锈钢外表面。

（3）焊接裂纹形成原因分析 经分析与下述几个因素有关：

第一，碳钢、不锈钢与铜合金三种材料中，碳钢热膨胀系数较小，而铜合金和不锈钢的热膨胀系数都较大，比碳钢大40%～50%。

第二，铜合金受热熔化，将产生约2%的体积膨胀。

第三，液体铜合金热膨胀系数大于固体铜合金。

第四，铜合金中低熔点元素蒸汽压较高，也会引起体积膨胀。

第五，焊条电弧焊、TI G钨极氩弧焊两种工艺方法，由于焊接速度较慢，复合管受热时间长，因此焊接接头热影响区易产生裂纹，同时，在基层碳钢与覆层的复合部位易分层。

因此，除了碳钢与不锈钢胀缩不同会引起内应力外，铜合金的热膨胀、熔化及其蒸汽压均导致体积增大，同时由于铜合金为铜-锌合金，锌的熔点较低，而液态铜及铜合金对钢的渗透作用较强，其结果是作用于不锈钢层，使其受内应力作用引起开裂，而且随着焊接接头受热作用时间的增加开裂倾向越大。

6. 复合管材料的改进

经上述分析，不锈钢冶金复合管制造选用合理的中间层材料成分及厚度是避免焊接裂纹的根本措施。复合管材料改进主要从以下两方面：

第一，改变中间层铜合金材料，采用改进后的纯铜为中间层材料，避免或减少低熔点元素引起的种种不利作用。

第二，将中间层厚度减至最小0.03mm，以减小其引起的体积膨胀。

改进后的复合钢管组织如图8所示，中间层厚度及扩散距离均大大减小。

图5 TIG焊内表面（φ27mm）

图6 焊条电弧焊（φ17mm）

图7 焊接裂纹，中间层为1号铜合金箔

图8 改进后的复合钢管组织

图9 MAG专机自动焊缝外表面质量

7. 改进后不锈钢冶金复合管的焊接工艺试验及评定

在对初期复合管焊接接头试验的基础上，针对改进后的不锈钢冶金复合管与接头体焊接主要采用MAG混和气体保护专机自动焊和手工TI G焊进行焊接工艺评定，具体焊接参数与焊接改进前复合管焊接参数相同，同时模拟焊缝缺陷返修，即采用焊条电弧焊对原环焊缝进行重复焊接，考验改进后复合管的热敏感性。

（1）复合管焊缝外表面质量 图9为采用MAG焊接的焊缝外观质量。图10为对外径为φ 42mm、φ 32mm复合管的手工TIG焊缝外观质量。由图可知，MAG、TIG焊接外观焊缝质量均较为良好。

（2）复合管焊接接头断面和内表面质量 将改进后的复合管MAG焊接头断面解剖其断面和内表面质量，如图11所示。由图可知，采用MAG焊，复合管断面未发现复合层分层现象，内表面也未发现热影响区裂纹的情况。复合管采用TI G焊断面解剖后，由图12可知采用TI G焊，复合管断面未发现复合层分层现象，内表面也未发现热影响区裂纹的情况。

(3)气密性试验 首先，采用MAG气体保护焊，进行复合管焊接接头气密性试验。复合管焊后冷至室温后，对上述四种规格的管接头分别进行了气密性试验，试验结果均未泄漏。

为进一步考验复合管的热敏感性，采用J422焊条对采用表4焊接的复合管进行模拟焊缝缺陷焊修，并对焊修后复合管进行气密性试验，试验均合格。

可以看出，改进型复合管热敏性良好，焊缝存在缺陷返修后不会造成复合管接头产生裂纹。

其次，使用钨极氩弧焊试验复合管的气密性。对使用钨极氩弧焊试验复合管进行气密性试验，气密性良好，未发现泄漏现象。

（4）复合管焊后内表面着色检测 针对改进后复合管焊后内表面质量，解剖后还进行了复合管不锈钢内表面进行着色检测，均未发现焊接热影响区裂纹。

图10 TIG手工钨极氩弧焊焊缝外表面

图11 MAG专机自动焊缝断面及内表面质量

图12 TIG手工钨极氩弧焊焊缝断面及内表面质量

8. 结语

改进后的不锈钢冶金复合管的焊接工艺试验及焊接工艺评定表明：改进型复合管热敏性良好，焊接缺陷进行返修后，经气密性试验无泄漏，说明焊接接头和不锈钢覆层抗裂性良好。采用MAG焊接及现有的自动焊接专机、手工钨极氩弧焊均能保证焊接接头质量，与改进前复合管焊接试验结果对比，改进型复合管焊接性良好，焊接接头性能更为可靠。改进后的复合管焊后接头各项指标均满足要求，目前已小批量用于铁路货车制动管系的制造。

[1] 中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册——材料的焊接[M].北京：机械工业出版社，2008.