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摘 要：通过对TP304H小径薄壁管现场焊接遇到的难题，进行分析和解决，得出比较适合现场焊接中高合金钢小径薄壁管的创新工艺。从实际效果看，这个工艺是可行的，具有应用推广价值。
关键词：奥氏体钢；充氩；焊接工艺
1 TP304H钢的焊接性分析
奥氏体钢具有耐腐蚀性能的条件主要是Cr的含量含Cr量必须大于12%，在室温时碳在奥氏体中的溶解度很小。当温度升高时在奥氏体晶粒边界会产生碳扩散现象，并与Cr结合，生成碳化铬。当晶粒界附近的Cr含量小于12%时，会导致贫铬，从而在腐蚀介质作用下贫铬区将失去耐腐蚀性能。导致不锈钢晶间腐蚀，這种腐蚀现象受到应力作用时就会沿晶断裂，是奥氏体钢最危险的一种破坏形式。晶间腐蚀受应力作用时产生断裂的区域分别作用在焊接接头的热影响区、焊缝或熔合线上。奥氏体不锈钢不是在任何时候都会产生晶间腐蚀。它与钢的加热温度和产生晶间腐蚀的温度敏感区，焊接过程中高温停留时间有关。最敏感的温度区间为450-850℃。当加热温度小于450℃时，不会产生碳扩散现象。也就是说不会形成碳化铬化合物。当温度升高至850℃以上时，此时晶粒内铬扩散现象增强。大量的铬于晶粒的碳化合生成碳化铬，但两者都不会形成贫铬。产生晶间腐蚀最敏感的温度为650℃，因此在焊接过程中严格控制危险温度区，降低650℃的高温度停留时间。
焊接过程中，焊缝两侧热影响区处是最危险的温度区，易产生晶间腐蚀。因此应采用小电流、弱规范、焊接速度稍快降低高温停留时间，提高焊接接头抗晶间腐蚀能力的焊接工艺。为了避免或减少产生晶间腐蚀的机率，在工况条件允许的情况下采用快速冷却方法，可在焊接完毕的焊接接头或在焊接过程中焊30-40mm后熄弧用冷水冷却。奥氏体钢在急剧的冷却过程中不会产生淬硬的马氏体组织，所以快速冷却不会使焊接接头产生淬硬组织。
2 产生热裂纹的原因及防止方法
在焊接过程中由于奥氏体钢的导热系数小，电阻率高，热膨胀系数大。由于焊接是一个局部加热和冷却过程，导致焊缝金属在结晶时产生较大的拉应力。另外奥氏体钢中的镍、硫、磷杂质在熔池中易形成低熔点共晶物，所以镍、硫、磷含量越高产生热裂纹的倾向越大。奥氏体钢的液相线与固相线的距离较大，主要是因为奥氏体钢的铁水流动性差，粘稠度大，因此结晶时间较长。另外奥氏体钢在焊接过程中杂质偏析性较强。以上均是产生焊接热裂纹，层间裂纹和弧坑裂纹的原因。
避免产生热裂纹的方法：正确选择焊接规范参数，采用优质、含杂质量少的焊接材料。从而使焊缝金属获得双相组织即奥氏体加铁素体。奥氏体钢焊缝中的铁素体含量应控制在3%左右，因为铁素体含量过多会使焊缝金属脆化，一般通常控制在5%以内，并严格控制焊缝中硫、磷等杂质元素的含量。
3 焊接工艺
3.1 充氩方式、焊接顺序
在地面组合联箱过渡段散管时期，由于采用的充氩方式为管口内一侧200mm处用可溶纸封闭，另一开口侧用氩气管直接进行充氩保护，这样的充氩效果是最理想的。而在后期安装焊口与管排对口时，由于不能采用象地面组合时的充氩方式而采用在焊口两侧做气室然后用一扁头的细铜管从间隙处直接进行充氩保护，使得充氩难度加大，效果不理想。在初期遇到的问题是在充氩时氩气的气流过于集中，而且氩气吹到焊口后马上又从焊口对面间隙处吹出来，保护气体大量的流失使得焊接的时候达不到理想的充氩效果。经过反复实验总结，我们制作成一件充氩的专用工具，用Ф8的不锈钢管弯曲一半径略小于管子半径的半圆形，并在半圆环内两侧开槽，在圆环的背面开孔焊一三通连接在氩气皮管上，从而使得氩气进入焊口的气流非常均匀，并起到封闭一侧间隙的作用，在一侧打完底后再换作直管进行另一侧的充氩。使用这个装置后，发现管子内壁充氩效果得到了大大改善，充氩遇到的问题基本得到解决。但是在我们焊接时又发现焊口内壁上侧很容易出现未熔合的焊接缺陷，而且焊接缺陷通常在最后1/4封口处，总结其中的原因是在此处焊接时由于管与管间距的过于狭小，充氩用管与焊工操作相互影响，既影响了焊工的视线又影响此处充氩的保护效果。为此参与安装的焊接人员集中进行了针对这一现象的讨论，主要是围绕焊接操作顺序和方法展开讨论。最后得出在焊接顺序上：在一侧先打底的焊缝不封口，正中心留有15mm左右的焊道，然后到另一侧进行打底焊接，从留孔处利用氩气胶管直接充氩，最后焊接留口处位置较好的焊缝，由于内部气室的严密焊枪喷出的氩气足以充满内部使得最后封口的焊缝质量也容易保证。这样避免了在焊接最后的位置困难焊道时产生的一些缺陷，而且对氩气的背面保护效果也得到了提高。
3.2 氧化膜层间清理提高焊口质量
在焊接期间我们还发现这一类的材质在打过底的焊缝盖面焊接时熔池熔化的非常不好，外观容易存在“咬边”等缺陷，外观质量难以得到保证。在总结时我们发现，这些中高合金的钢种在焊接打底后很多合金元素在高温条件下与空气接触容易产生一层很薄且熔点很高的氧化膜，即使采用了较小的焊接线能量这种情况依然存在，氧化膜在盖面时影响熔滴的熔合还降低焊接速度，增加了焊接的热输入，并使得焊接操作难度加大。我们的做法是在钨极氩弧焊接打底后，用电动钢刷做表面抛光处理，去除氧化膜，这样在焊接第二层焊道焊接时焊接工艺得到大大改善，从而使焊口的外观成形加强提高了焊缝的整体质量。
4 焊接工艺要点
我们总结出“焊接高合金钢小径薄壁管”的一点经验，仅供参考：
4.1 焊接TP304H小径薄壁管时，充氩是关键因素，有时由于充氩保护不好，可能产生焊道根部“过烧”、“未熔合”等缺陷，一定要想尽一切办法使充氩效果得到保证。比如调整焊接顺序，和根据条件制作提高保护效果的充氩工具。见图1。
4.2 在焊接时一定要采用“小规范”焊接，电流的大小，焊接的速度一定要相互配合好，这样才能得到合格的焊缝组织。使得焊缝的强度和内在质量得到保证。
4.3 在焊接时不要一直不停把焊口焊完，适当的控制层间的温度，由于管子的壁薄这样可有效避免在盖面时产生焊缝背面“氧化”甚至“过烧”。
4.4 要严格按照焊接工艺评定给定的焊接工艺进行焊接，杜绝野蛮施焊等对质量不负责任的焊接做法。
5 注意事项
5.1 由于奥氏体钢的导热性差，电阻率高，焊接时产生的电阻热大，线膨胀系数大，所以焊接电流应小于低碳钢15%左右。
5.2 采用小电流，弱规范，焊接速度稍快，打底层不得将坡口外棱角熔成缺口，否则次层盖面时会产生咬边缺陷及焊缝成形不美观。
5.3 由于奥氏体钢焊接时，铁水流动性差，粘稠度大，因此应调整焊枪角度比低碳钢和普通合金钢焊接时焊枪角度稍大，与施焊方向角度在50-60度左右，并将喷嘴与熔池距离保持小于8mm。钨极端部与熔池小于2mm为最佳距离。打底焊道焊接完毕后应清除表面氧化物以便次层焊接时铁水流动性好，焊缝成形美观，减少产生未熔合机率。
5.4 焊接电流参数见表2
5.5 点焊时点焊长度应小于10mm，点焊前应先充氩1分钟左右，管内充氩流量为6-8L/min。焊枪氩气流量为12-15L/min。室外焊接时可灵活调整氩气流量。
5.6 焊接时，氩弧焊打底应一次连续性焊完，层间温度应控制在60-80oC，并在收弧时填满弧坑，避免产生弧坑裂纹。进行次层盖面焊接完毕后，可用冷水降温。
关键词：奥氏体钢；充氩；焊接工艺
1 TP304H钢的焊接性分析
奥氏体钢具有耐腐蚀性能的条件主要是Cr的含量含Cr量必须大于12%，在室温时碳在奥氏体中的溶解度很小。当温度升高时在奥氏体晶粒边界会产生碳扩散现象，并与Cr结合，生成碳化铬。当晶粒界附近的Cr含量小于12%时，会导致贫铬，从而在腐蚀介质作用下贫铬区将失去耐腐蚀性能。导致不锈钢晶间腐蚀，這种腐蚀现象受到应力作用时就会沿晶断裂，是奥氏体钢最危险的一种破坏形式。晶间腐蚀受应力作用时产生断裂的区域分别作用在焊接接头的热影响区、焊缝或熔合线上。奥氏体不锈钢不是在任何时候都会产生晶间腐蚀。它与钢的加热温度和产生晶间腐蚀的温度敏感区，焊接过程中高温停留时间有关。最敏感的温度区间为450-850℃。当加热温度小于450℃时，不会产生碳扩散现象。也就是说不会形成碳化铬化合物。当温度升高至850℃以上时，此时晶粒内铬扩散现象增强。大量的铬于晶粒的碳化合生成碳化铬，但两者都不会形成贫铬。产生晶间腐蚀最敏感的温度为650℃，因此在焊接过程中严格控制危险温度区，降低650℃的高温度停留时间。
焊接过程中，焊缝两侧热影响区处是最危险的温度区，易产生晶间腐蚀。因此应采用小电流、弱规范、焊接速度稍快降低高温停留时间，提高焊接接头抗晶间腐蚀能力的焊接工艺。为了避免或减少产生晶间腐蚀的机率，在工况条件允许的情况下采用快速冷却方法，可在焊接完毕的焊接接头或在焊接过程中焊30-40mm后熄弧用冷水冷却。奥氏体钢在急剧的冷却过程中不会产生淬硬的马氏体组织，所以快速冷却不会使焊接接头产生淬硬组织。
2 产生热裂纹的原因及防止方法
在焊接过程中由于奥氏体钢的导热系数小，电阻率高，热膨胀系数大。由于焊接是一个局部加热和冷却过程，导致焊缝金属在结晶时产生较大的拉应力。另外奥氏体钢中的镍、硫、磷杂质在熔池中易形成低熔点共晶物，所以镍、硫、磷含量越高产生热裂纹的倾向越大。奥氏体钢的液相线与固相线的距离较大，主要是因为奥氏体钢的铁水流动性差，粘稠度大，因此结晶时间较长。另外奥氏体钢在焊接过程中杂质偏析性较强。以上均是产生焊接热裂纹，层间裂纹和弧坑裂纹的原因。
避免产生热裂纹的方法：正确选择焊接规范参数，采用优质、含杂质量少的焊接材料。从而使焊缝金属获得双相组织即奥氏体加铁素体。奥氏体钢焊缝中的铁素体含量应控制在3%左右，因为铁素体含量过多会使焊缝金属脆化，一般通常控制在5%以内，并严格控制焊缝中硫、磷等杂质元素的含量。
3 焊接工艺
3.1 充氩方式、焊接顺序
在地面组合联箱过渡段散管时期，由于采用的充氩方式为管口内一侧200mm处用可溶纸封闭，另一开口侧用氩气管直接进行充氩保护，这样的充氩效果是最理想的。而在后期安装焊口与管排对口时，由于不能采用象地面组合时的充氩方式而采用在焊口两侧做气室然后用一扁头的细铜管从间隙处直接进行充氩保护，使得充氩难度加大，效果不理想。在初期遇到的问题是在充氩时氩气的气流过于集中，而且氩气吹到焊口后马上又从焊口对面间隙处吹出来，保护气体大量的流失使得焊接的时候达不到理想的充氩效果。经过反复实验总结，我们制作成一件充氩的专用工具，用Ф8的不锈钢管弯曲一半径略小于管子半径的半圆形，并在半圆环内两侧开槽，在圆环的背面开孔焊一三通连接在氩气皮管上，从而使得氩气进入焊口的气流非常均匀，并起到封闭一侧间隙的作用，在一侧打完底后再换作直管进行另一侧的充氩。使用这个装置后，发现管子内壁充氩效果得到了大大改善，充氩遇到的问题基本得到解决。但是在我们焊接时又发现焊口内壁上侧很容易出现未熔合的焊接缺陷，而且焊接缺陷通常在最后1/4封口处，总结其中的原因是在此处焊接时由于管与管间距的过于狭小，充氩用管与焊工操作相互影响，既影响了焊工的视线又影响此处充氩的保护效果。为此参与安装的焊接人员集中进行了针对这一现象的讨论，主要是围绕焊接操作顺序和方法展开讨论。最后得出在焊接顺序上：在一侧先打底的焊缝不封口，正中心留有15mm左右的焊道，然后到另一侧进行打底焊接，从留孔处利用氩气胶管直接充氩，最后焊接留口处位置较好的焊缝，由于内部气室的严密焊枪喷出的氩气足以充满内部使得最后封口的焊缝质量也容易保证。这样避免了在焊接最后的位置困难焊道时产生的一些缺陷，而且对氩气的背面保护效果也得到了提高。
3.2 氧化膜层间清理提高焊口质量
在焊接期间我们还发现这一类的材质在打过底的焊缝盖面焊接时熔池熔化的非常不好，外观容易存在“咬边”等缺陷，外观质量难以得到保证。在总结时我们发现，这些中高合金的钢种在焊接打底后很多合金元素在高温条件下与空气接触容易产生一层很薄且熔点很高的氧化膜，即使采用了较小的焊接线能量这种情况依然存在，氧化膜在盖面时影响熔滴的熔合还降低焊接速度，增加了焊接的热输入，并使得焊接操作难度加大。我们的做法是在钨极氩弧焊接打底后，用电动钢刷做表面抛光处理，去除氧化膜，这样在焊接第二层焊道焊接时焊接工艺得到大大改善，从而使焊口的外观成形加强提高了焊缝的整体质量。
4 焊接工艺要点
我们总结出“焊接高合金钢小径薄壁管”的一点经验，仅供参考：
4.1 焊接TP304H小径薄壁管时，充氩是关键因素，有时由于充氩保护不好，可能产生焊道根部“过烧”、“未熔合”等缺陷，一定要想尽一切办法使充氩效果得到保证。比如调整焊接顺序，和根据条件制作提高保护效果的充氩工具。见图1。
4.2 在焊接时一定要采用“小规范”焊接，电流的大小，焊接的速度一定要相互配合好，这样才能得到合格的焊缝组织。使得焊缝的强度和内在质量得到保证。
4.3 在焊接时不要一直不停把焊口焊完，适当的控制层间的温度，由于管子的壁薄这样可有效避免在盖面时产生焊缝背面“氧化”甚至“过烧”。
4.4 要严格按照焊接工艺评定给定的焊接工艺进行焊接，杜绝野蛮施焊等对质量不负责任的焊接做法。
5 注意事项
5.1 由于奥氏体钢的导热性差，电阻率高，焊接时产生的电阻热大，线膨胀系数大，所以焊接电流应小于低碳钢15%左右。
5.2 采用小电流，弱规范，焊接速度稍快，打底层不得将坡口外棱角熔成缺口，否则次层盖面时会产生咬边缺陷及焊缝成形不美观。
5.3 由于奥氏体钢焊接时，铁水流动性差，粘稠度大，因此应调整焊枪角度比低碳钢和普通合金钢焊接时焊枪角度稍大，与施焊方向角度在50-60度左右，并将喷嘴与熔池距离保持小于8mm。钨极端部与熔池小于2mm为最佳距离。打底焊道焊接完毕后应清除表面氧化物以便次层焊接时铁水流动性好，焊缝成形美观，减少产生未熔合机率。
5.4 焊接电流参数见表2
5.5 点焊时点焊长度应小于10mm，点焊前应先充氩1分钟左右，管内充氩流量为6-8L/min。焊枪氩气流量为12-15L/min。室外焊接时可灵活调整氩气流量。
5.6 焊接时，氩弧焊打底应一次连续性焊完，层间温度应控制在60-80oC，并在收弧时填满弧坑，避免产生弧坑裂纹。进行次层盖面焊接完毕后，可用冷水降温。