低合金钢的焊接及焊缝热处理工艺研究

低合金钢的焊接及焊缝热处理工艺研究

王于峰

常州市康蒂娜医疗科技有限公司江苏省常州市213000

摘要：低Cr合金钢作为无缝油套管材料，例如3Cr合金钢，具有突出的耐腐蚀性特征，目前在油田现场已经广泛使用。不过低Cr合金钢焊接管依旧较少，不利于低Cr合金钢材料的进一步应用。焊管在尺寸方面有较高的精准度，表面质量好，抗击性能和射孔性能都比较突出，制造成本也比较低，所以在油田生产现场对焊管有较大需求。因此，为了充分满足油田生产需求，本文以3Cr合金钢为例，深入探究低Cr合金钢的焊接及焊缝热处理工艺，加快低Cr合金钢焊接钢管的开发和应用力度。

关键词：低合金钢；焊接；焊缝热处理；工艺

前言：

低Cr合金钢在无缝油套管中属于重要材料，具有良好的耐腐蚀性，目前在油田现场具有广泛应用，不过低Cr钢焊接管使用的就比较少。与无缝管相比，低Cr合金钢焊管具有良好的抗挤性能、射孔性能，表面质量又比较好，尺寸具有较高精度，制造成本也更低，所以油田现场对低Cr合金钢焊管具有较大需求。要促进低Cr合金钢的进一步开发和应用，就需要未来加快研究低Cr合金钢焊接管，以更高效、安全、可靠的生产此材料，加大应用程度和范围，满足油田生产需求。油气开发以及集输过程中，耐蚀合金、不锈钢、低合金钢还有碳钢等属于主要使用管材，比如镍铬基合金、13Cr马氏体不锈钢以及22Cr双相不锈钢。在低Cr合金钢焊接管开发中，焊接及焊缝热处理属于重点技术之一，因此，本文细化探究低Cr合金钢的焊接工艺及其焊缝的热处理工艺，为低Cr合金钢焊接钢管的开发与生产提供一定参考。

1低Cr合金钢的焊接工艺

本文以3Cr合金钢为例，基于目前生产线具体工艺特点和要求，对于3Cr合金钢焊接钢管的生产，主要是通过等离子焊接工艺进行。此焊接方法的焊接热源，为等离子电弧，在实际焊接过程中，利用电弧加热气体，并对气体产生解离作用，之后利用水冷喷嘴，促使钢管在电弧压缩和机械压缩双向作用之下，增加电弧解离度与能量密度，以此构成等离子弧。相比普通电弧，等离子弧具有更高的温度、热量和稳定性，也具备更强的熔透能力，可以快速实现焊接作业。

等离子电弧在作业中，主要是在工件与钨尖端之间形成等离子电弧，在将电极合理的安置在焊枪当中，可以有机的从保护气囊当中分离出等离子弧，进而在特定结构对应喷嘴电弧作用下，对等离子产生压缩作用。利用等离子电弧焊接3Cr合金钢管，通过改变和调整等离子气流具体速度、喷嘴孔大小直径，能够分别实现小孔型等离子焊、中等电流等离子焊和微束等离子焊。等离子焊接设备可见图1。

图1等离子焊接设备

2合理确定焊接工艺参数

使用等离子焊接工艺对3Cr合金钢材进行焊接作业的时候，为了保证焊接过程稳定，需要合理选择焊接电流、离子气流量、压缩喷嘴尺寸、焊接速度、钨极直径以及保护器流量等工艺参数[1]。焊接参数的确定，需要以对接接头形式、试板材质以及厚度等为基础进行设置，同时结合实际焊接过程中发生的变化，对参数实现合理化调整，保证参数之间具有良好的匹配程度。焊接工艺参数：①焊接电流的确定，与焊接试板对应焊接熔深、厚度要求有直接关系，同时与钨极直径、焊接速度以及离子气流量等参数都有密切联系，因此需要保证参数之间的匹配。焊接电流、离子气流量、焊接速度参数匹配范围可见表1；②焊接速度的确定，需要和焊接电流、风离子气流量相匹配，在其它条件固定不变的时候，如果焊接速度过小，木材会出现发热甚至出现烧穿现象，如果焊接速度过高，电弧不能有效的穿透工件，那么将很难获得小孔效应；③在等离子焊接中，所用钨极大多是铈钨极或者钍钨极，但是相对来说，铈钨极具有更低的放射性，所以焊接作业中优选铈钨极；④焊接作业中，压缩喷嘴孔径大小的确定，需要与离子气流量、焊接电流相匹配，孔道长度也要合理设置，保证压缩作用可以有效增强，且不会出现双弧现象；⑤等离子气体主要选择氩气；⑥保护气体主要选择氩气，或者选择氦气等，流量一般控制在15至30L/min区间之内。

表1等离子焊工艺参数匹配

3焊缝成形缺陷防止措施

3Cr合金钢焊接过程中，钨极内缩量过大、孔道长度较长、喷嘴孔径过小、离子气流量比较大以及焊接电流过大等，都会引发双弧现象，降低焊接稳定度，导致焊缝出现成性缺陷。所以，在焊接操作中，需要对等离子气流量、焊接电流等进行合理控制，并优化选择喷嘴尺寸和结构，对钨极内缩量实现合理化调整。为了防止焊缝出现咬边问题，需要在焊接过程中，结合实际情况，对焊接工艺参数进行动态调整，保证焊缝成形良好；为了防止出现焊接气孔，需要在焊接之前，通过角磨机合理修磨试板表层的氧化物，保持表面干净、整洁，并合理匹配离子气体、送丝速度、焊接速度等；为了防止焊缝中心出现凹陷，需要在等离子气流量、焊接电流维持不变基础上，适当加快焊接速度，若已经出现凹陷，可及时降低离子气流量和焊接电流，并同时加快送丝速度；为了防止背面焊缝出现严重氧化，可以将氩气通入垫板凹槽中，构成惰性气体保护环境[2]。

4Cr合金钢焊缝热处理工艺

通过等离子焊接工艺对3Cr合金钢管进行焊接之后，需要采取合理工艺，对焊缝实现热处理，促使焊接残余应力得到有效消除，并一定程度上减小焊接接头实际硬度。在对3Cr合金钢焊接缝进行热处理过程中，需要合理选择热处理设备，一般选择中频感应对应的加热装置。此设备主要是把50Hz的工频交流电转为1KHz及以上频率的交流电，最高可达上百KHz[3]。之后，再通过电磁感应原理，将感应线圈向同频率磁场转换，对焊缝产生一定作用，基于涡流效应，在焊缝中发出感生旋转电流。在焊缝金属电阻利用下，感生电流会发出电阻热，进而向热能转换，最终有效加热焊缝。通过中频加热方式对焊缝进行热处理，当加热温度达到设定温度之后，需要通过空冷的方式，将其温度冷却到室温，不做任何保温处理。焊缝热处理中，需要对工艺参数进行合理设定，可见表2。

表2焊缝热处工艺参数

在920℃、850℃、750℃条件下对焊缝进行热处理，焊缝以及周边热影响区都属于条状马氏体和铁素体组织，并且处理温度越高，相关区域内的铁素就会越细，尤其热处理温度达到920℃的时候，其焊接接头当中的铁素体有非常明显的细化特征[4]。焊接接头在经过加热处理后，其结构硬度和残余应力都有所下降，不同处理温度下的变化不明显，但是由于750℃条件下的焊接接头蕴含更多铁素体，所以其硬度相对稍高。焊缝在热处理后，其焊缝抗拉强度有所下降，处理温度越高，其抗拉强度实际下降程度也越大。焊接接头经过热处理，其弯曲性能突出，依旧保持良好的延展性和塑性，能够充分满足使用需求。采用万能材料试验机对焊接接头进行弯曲试验，均具有良好的延展性和塑性，实验结果如表3所示：

表3焊接接头弯曲试验结果

图2不同实验温度的焊缝冲击试验结果

结束语：

对低Cr合金钢焊接钢管进行有效开发，能够促使油气管材性能获得显著提升，在推动油田生产发展方面具有重要价值。基于此，有关技术研究部门和生产部门，需要充分把握低Cr合金钢管焊接工艺以及热处理工艺，文章合理运用等离子焊接工艺等工艺对3Cr合金钢材进行科学焊接，并优选热处理设备，合理设置热处理温度，对3Cr合金钢管焊缝进行有效处理，保证焊缝具有更高的冲击韧性，并有效降低其强度与硬度，促使3Cr合金钢焊接钢管加大应用范围。

参考文献：

[1]秦斌,齐彦昌,曹建春,等.马氏体不锈钢与低合金钢异质焊接接头的组织与力学性能[J].金属热处理,2017(5):68-68.

[2]朱官朋,郭纯,孔红雨.药芯焊丝Cr含量对低合金钢焊缝金属性能的影响[J].金属热处理,2018(1):81-81.

[3]王恒,谷延霞,李军.新型低合金钢结构的热处理工艺研究[J].铸造技术,2016(8):1606-1606.

[4]王辉,徐锟.热处理工艺对30Cr3MoV低合金钢力学性能影响[J].新型工业化,2017(10):00103-00103.