常用不锈钢的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。详见下面典型节点图。

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 44-46 cm/min

反面 H08A J431 φ5mm 32-34V 580-620A 44-46 cm/min

1.1.2焊后清渣，并打磨，要求详见下图。

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

过渡层焊后的截面如右图所示：

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

复层焊后的截面图如下：

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）

焊缝形式如右图所示：

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。

2．3．3． 角接缝的节点图如下：

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 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    焊材消耗量   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.=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.             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.          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。