不銹鋼復(fù)合鋼板焊接接頭性能分析

邱 濤，伍碧霞，陳群燕，陳文靜

(1.成都市工業(yè)設(shè)備安裝公司，四川 成都 610072；2.凱天電子有限公司，四川 成都 610091；3.山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 256414；4.西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039)

0 前言

不銹鋼復(fù)合鋼板是一種新型材料，它是由較薄的復(fù)層（不銹鋼）和較厚的基層（珠光體鋼）通過(guò)爆炸焊或者爆炸焊后軋制成型的雙金屬板?；鶎又饕獫M(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求，復(fù)層滿(mǎn)足耐腐蝕性的要求，既保證了產(chǎn)品性能，又節(jié)約了不銹鋼材料，許多容器和管道均采用此種材料進(jìn)行制造。

在施工過(guò)程中需要對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼板進(jìn)行對(duì)接焊。雖然復(fù)合鋼板的優(yōu)點(diǎn)明顯，但焊接過(guò)程中，碳鋼材料對(duì)不銹鋼焊縫產(chǎn)生稀釋?zhuān)档土瞬讳P鋼焊縫中鉻、鎳含量，增加了不銹鋼焊縫的含碳量，由于冷卻速度快，不銹鋼復(fù)合鋼板對(duì)接焊縫中容易形成硬脆的馬氏體組織，降低了焊接接頭的塑性和韌性。在此對(duì)生產(chǎn)中常見(jiàn)的 Q235（30 mm）+TP304（5 mm）不銹鋼復(fù)合鋼板對(duì)接焊進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，分析和探討Q235+TP304不銹鋼復(fù)合鋼板對(duì)接焊工藝及接頭性能，為進(jìn)一步開(kāi)展不銹鋼復(fù)合鋼板焊接工藝和接頭性能的研究打下了基礎(chǔ)。

1 焊接性分析

復(fù)層（TP304）屬于奧氏體不銹鋼，能滿(mǎn)足生產(chǎn)對(duì)復(fù)合鋼板耐腐蝕性的要求。焊接性較好，焊接時(shí)一般不需要采取特殊的工藝措施，但若焊接材料選擇不當(dāng)或焊接工藝不正確時(shí)，易產(chǎn)生晶間腐蝕和焊接熱裂紋等缺陷。基層（Q235）屬于熱軋低碳鋼，由珠光體和鐵素體組成，焊接性良好，焊接工藝成熟，能夠保證焊接質(zhì)量，滿(mǎn)足生產(chǎn)對(duì)復(fù)合鋼板強(qiáng)度、剛度和韌性等力學(xué)性能的要求。兩者通過(guò)爆炸焊復(fù)合在一起形成不銹鋼復(fù)合鋼板，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 不銹鋼復(fù)合鋼板的化學(xué)成分 %

1.1 焊接熱應(yīng)力

奧氏體鋼的熱導(dǎo)率約為珠光體的1/3，其線(xiàn)膨脹系數(shù)則比珠光體鋼大50%，并隨著溫度的升高，線(xiàn)膨脹系數(shù)的數(shù)值也相應(yīng)增大。兩種材料熱物理性能差異將影響焊接熱循環(huán)過(guò)程、結(jié)晶條件，降低焊接接頭的質(zhì)量。當(dāng)異種材料熱物理性能差異較大使熔化和結(jié)晶狀態(tài)不一致時(shí)，就會(huì)給焊接造成一定的困難；兩種材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，會(huì)使異種材料接頭區(qū)產(chǎn)生較大的焊接熱應(yīng)力和變形，導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)開(kāi)裂。不銹鋼復(fù)合鋼板在焊接過(guò)程中由于奧氏體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，膨脹系數(shù)較大，膨脹變形量較大，接頭冷卻時(shí)奧氏體鋼比珠光體鋼收縮變形大，在焊接方向上使過(guò)渡層受拉應(yīng)力作用。如果過(guò)渡層存在硬脆的馬氏體組織，在熱應(yīng)力作用下很容易產(chǎn)生裂紋。馬氏體越多，焊縫裂紋敏感性就越強(qiáng)[1]。

1.2 碳遷移

不銹鋼復(fù)合鋼板焊接過(guò)程中，碳在珠光體中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在奧氏體中的含碳量，形成一個(gè)濃度差，碳具有從α-Fe向γ-Fe中遷移的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)椋海?）碳的活度。碳原子為間隙型原子，間隙原子比置換型原子的擴(kuò)散系數(shù)要大105～106倍；（2）合金元素的影響。合金元素通過(guò)影響碳的活度系數(shù)來(lái)影響碳遷移，碳化物形成元素Cr會(huì)降低碳的活度系數(shù)，不銹鋼中含有大量的Cr元素。因此，碳在焊縫處的活度系數(shù)較小，會(huì)向焊縫中擴(kuò)散；（3）晶體結(jié)構(gòu)對(duì)碳的遷移也有一定的作用，碳在α-Fe中的活度系數(shù)大于碳在γ-Fe中的活度系數(shù)，因此在冷卻過(guò)程中，珠光體中的碳將向奧氏體焊縫中擴(kuò)散[2]。焊接時(shí)，碳由低Cr含量的基層鋼板向高Cr含量的不銹鋼復(fù)層焊縫金屬擴(kuò)散遷移，在基層與復(fù)層交接的過(guò)渡層焊縫熔合區(qū)形成增碳層和脫碳層，引起熔合區(qū)的脆化或軟化。

鑒于上述原因，不銹鋼復(fù)合鋼板焊接的關(guān)鍵是過(guò)渡層的焊接。而過(guò)渡層（基層與復(fù)層之間的焊接）是典型的異種金屬焊接，是奧氏體與非奧氏體鋼的焊接。兩種材料物理性能上的差異在焊接過(guò)渡層時(shí)會(huì)引起較大的焊接應(yīng)力和變形，再加上焊縫與母材交界處的熔合區(qū)組織的不均勻性，這些因素的組合疊加易導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生。因此，保證過(guò)渡層具有優(yōu)良的塑性、韌性，減少焊接應(yīng)力，控制并調(diào)節(jié)異種鋼接頭組織的不均勻是防止過(guò)渡層脆弱而產(chǎn)生裂紋的關(guān)鍵。

2 選擇焊接方法和材料

2.1 焊接方法

基層與復(fù)層分開(kāi)焊接，基層Q235屬于珠光體+鐵素體組織。為了提高生產(chǎn)效率和保證焊接質(zhì)量，對(duì)接接頭的基層焊接采用埋弧焊，過(guò)渡層、復(fù)層焊接采用焊條電弧焊。

2.2 焊接材料

基層材料為碳鋼Q235，厚度δ=30 mm，采用埋弧焊，焊絲H08MnA，焊劑HJ431，焊絲直徑φ5 mm。

過(guò)渡層焊縫的目的是防止基層焊縫金屬被稀釋?zhuān)瑥?fù)層奧氏體形成元素不足，可能形成馬氏體，增加了脆性，容易產(chǎn)生裂紋，過(guò)渡層是確保復(fù)層焊縫化學(xué)成分達(dá)到復(fù)層母材要求的一個(gè)重要區(qū)域。對(duì)于不銹鋼復(fù)合板焊接而言，這是確保接頭質(zhì)量的一個(gè)重要方面。過(guò)渡層的目的主要是使復(fù)層焊縫的合金成分保持應(yīng)有的水平[3]。因此，過(guò)渡層焊接選用的焊條中鉻、鎳含量應(yīng)較高。為了保證過(guò)渡層的抗裂性和力學(xué)性能，采用鉻、鎳含量較高的A302（E309-16）焊條，焊條直徑φ3.2 mm。

復(fù)層TP304屬于奧氏體不銹鋼，其焊接性良好，選用A132（E347-16）焊條，焊條直徑φ4 mm。A132焊條是鈦鈣型焊條，藥皮含Nb穩(wěn)定劑，具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕性能并保證良好的機(jī)械性能，同時(shí)具有優(yōu)良的焊接工藝和抗氣孔性能。焊縫所用焊接材料的化學(xué)成分如表2所示。

3）項(xiàng)目信息化管理的運(yùn)行機(jī)制有待完善。除了系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身的問(wèn)題，通過(guò)在使用系統(tǒng)進(jìn)行項(xiàng)目申報(bào)工作中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在運(yùn)行機(jī)制方面仍有完善空間。

表2 焊接材料化學(xué)成分%

3 焊接工藝

3.1 焊前準(zhǔn)備

不銹鋼復(fù)合鋼板尺寸180 mm×310 mm×35 mm，使用機(jī)械加工的方法加工如圖1所示形式的坡口，用砂輪機(jī)清理坡口面及坡口兩側(cè)30 mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污及臟物等。在碳鋼側(cè)用E4312、φ3.2 mm焊條定位焊，嚴(yán)格保證定位焊的質(zhì)量，復(fù)層錯(cuò)邊量控制在1 mm以?xún)?nèi)，定位焊時(shí)焊縫的有效長(zhǎng)度為5～30 mm。

圖1所示的坡口形式可防止焊接基層焊縫時(shí)對(duì)復(fù)層產(chǎn)生不利影響，即在復(fù)層V形坡口的基礎(chǔ)上用機(jī)械加工的方法各剝離掉約4 mm。這樣在焊接基層時(shí)能避免對(duì)復(fù)層的影響，同時(shí)也便于在基層焊接工作完成后進(jìn)行探傷檢查和基層焊縫清根，復(fù)層側(cè)開(kāi)60°坡口，基層側(cè)開(kāi)50°坡口，鈍邊2 mm。

3.2 焊接順序和焊接參數(shù)

不銹鋼復(fù)合鋼板常規(guī)的焊接順序是先焊基層，清根后再焊過(guò)渡層，最后焊接復(fù)層。本次試驗(yàn)因?yàn)椴捎昧巳凵钶^大的埋弧焊焊接基層，為了最大限度減少基層第一層焊道對(duì)復(fù)層的影響，采用先焊接過(guò)渡層，清根后再焊接基層，最后焊接復(fù)層的方法。焊接順序和工藝參數(shù)如表3所示。

表3 Q235+TP304不銹鋼復(fù)合鋼板焊接工藝

4 焊接接頭金相分析

圖2a為T(mén)P304復(fù)層的原始組織——奧氏體，圖2b為基層Q235的原始母材組織——鐵素體+珠光體。

圖2 復(fù)合板接頭金相組織（400×）

Q235因?yàn)楹剂康?，鐵素體的比例高于珠光體的比例?；鶎訜嵊绊憛^(qū)在750℃發(fā)生因焊接熱循環(huán)影響產(chǎn)生的組織變化。在焊接加熱時(shí)，首先是珠光體開(kāi)始向奧氏體轉(zhuǎn)變，但由于峰值溫度較低，使珠光體尚未完全向奧氏體的轉(zhuǎn)變，冷卻過(guò)程已開(kāi)始，已冷卻的奧氏體在冷卻過(guò)程中進(jìn)行相變，生成細(xì)小的鐵素體和珠光體[4]，尚未轉(zhuǎn)變的珠光體粗化。圖2c為靠近復(fù)層側(cè)金屬區(qū)域的熔合區(qū)，由于復(fù)層奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率比較小，導(dǎo)致該區(qū)域在焊接熱循環(huán)過(guò)程中熱量相對(duì)集中，高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，使奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大。冷卻時(shí)首先沿奧氏體晶界析出粗大的鐵素體針，剩余的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。鐵素體沿奧氏體晶界析出后，并且沿奧氏體晶粒內(nèi)某慣習(xí)面上不斷長(zhǎng)大，從而形成粗大的魏氏組織。由圖2d可知，靠近基層側(cè)金屬熔合線(xiàn)上的組織并不粗大，這是由于在多層多道焊中，后續(xù)的焊縫金屬對(duì)前面的焊縫起到了熱處理的作用，使晶粒細(xì)化。

靠近熔合區(qū)的焊縫組織如圖2f所示，由鐵素體、殘余奧氏體和回火索氏體組成；圖2g為靠近不銹鋼側(cè)焊縫組織，可以看到除有回火索氏體外，殘余奧氏體有所增加；靠近基層碳鋼側(cè)的焊縫組織如圖2e所示，鐵素體呈白色，黑色顆粒為珠光體，還有少量的回火索氏體?；鼗鹚魇象w形成的主要原因是在基層第一道焊接時(shí)由于埋弧焊熔深較大，過(guò)渡區(qū)焊縫金屬受到基層碳鋼的稀釋作用，在較快的冷卻速度下在靠近復(fù)層側(cè)過(guò)渡區(qū)有板條狀馬氏體形成，在隨后對(duì)基層的焊接過(guò)程中，焊接熱循環(huán)對(duì)先焊接的焊縫金屬起到了一個(gè)回火的作用，從而得到了鐵素體基體上大量彌散分布著細(xì)粒狀滲碳體的回火索氏體組織。

焊接熔池中處于熔合區(qū)附近的液態(tài)金屬的溫度較低、流動(dòng)性差，液態(tài)停留時(shí)間短，并且受到機(jī)械攪拌作用較弱。因此越靠近熔合區(qū)，母材成分所占比例越大。焊縫中心部位與焊縫邊緣的化學(xué)成分有很大的差別，在焊縫不同區(qū)域其顯微組織存在一定的差異[5]。

復(fù)層不銹鋼焊縫組織如圖2i所示，在柱狀?yuàn)W氏體基體上分布有骨架狀或蠕蟲(chóng)狀δ-鐵素體。焊縫中存在δ相的有利作用為：（1）打亂單一γ相柱狀晶的方向性，不致形成連續(xù)貧Cr層。（2）δ相富Cr，有良好的供Cr條件，可減少γ晶粒形成貧Cr層。因此，常希望焊縫中存在4%～12%的δ相。過(guò)量δ存在，多層焊時(shí)易促使形成σ相，不利于高溫工作[1]。

眾所周知，焊縫區(qū)是在電弧的攪拌作用下，填充金屬與母材熔化后均勻混合而成的。焊縫區(qū)凝固是首先析出δ-鐵素體，然后通過(guò)δ→γ固態(tài)轉(zhuǎn)變形成奧氏體。由于焊接的快速冷卻過(guò)程，部分富Cr、貧Ni的δ-鐵素體晶核來(lái)不及轉(zhuǎn)變被留下來(lái)，形成所謂的骨架狀或蠕蟲(chóng)狀δ-鐵素體+柱狀?yuàn)W氏體雙目組織。這樣形成的δ-鐵素體粗大且完整[6]，掃描電鏡下觀察到的復(fù)層不銹鋼焊縫金屬組織如圖3所示。

圖3 復(fù)層TP304不銹鋼焊縫金屬SEM照片

5 力學(xué)性能檢驗(yàn)

5.1 拉伸試驗(yàn)

根據(jù)GB228-2002金屬材料拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。常溫下Q235+TP304不銹鋼復(fù)合鋼板的拉伸強(qiáng)度為500 MPa。斷裂發(fā)生于焊接熱影響區(qū)外的母材。

5.2 彎曲試驗(yàn)

根據(jù)GB/T6396-1995復(fù)合鋼板力學(xué)和工藝性能試驗(yàn)方法規(guī)定，當(dāng)復(fù)合鋼板總厚度大于等于10 mm時(shí)，可采用側(cè)彎曲取代外彎和內(nèi)彎曲試驗(yàn)。彎曲后經(jīng)檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。

5.3 硬度測(cè)試

對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼板的復(fù)層焊縫、過(guò)渡區(qū)焊縫、基層焊縫區(qū)域的硬度進(jìn)行了測(cè)定，依據(jù)測(cè)定的硬度值做出相應(yīng)的硬度曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖4 焊接接頭硬度曲線(xiàn)

由圖4可知，在過(guò)渡區(qū)金屬的硬度普遍比復(fù)層焊縫金屬和基層焊縫金屬的高，表明有馬氏體存在，說(shuō)明復(fù)合板焊接存在著一定的淬硬傾向。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不銹鋼復(fù)合鋼板焊接中，難點(diǎn)在于過(guò)渡區(qū)的焊接，焊接接頭的過(guò)渡區(qū)也是整個(gè)接頭的薄弱環(huán)節(jié)，如何焊好過(guò)渡區(qū)對(duì)整個(gè)接頭的性能意義重大。

6 結(jié)論

（1）不銹鋼復(fù)合中厚板的焊縫分為基層、過(guò)渡層、復(fù)層三部分。焊接時(shí)宜采用多層多道焊，后一層對(duì)前一層具有熱處理作用，降低了產(chǎn)生裂紋的傾向。

（2）復(fù)層焊接時(shí)，當(dāng)焊接參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)熱影響區(qū)組織惡化，影響焊接接頭的塑性、韌性、耐蝕性；過(guò)渡層焊接時(shí)采用小電流、稍微大點(diǎn)的焊接速度，盡量減少熔合比，保證焊縫的奧氏體組織；基層焊接時(shí)，在熱影響區(qū)易出現(xiàn)過(guò)熱區(qū)，須控制焊接熱輸入，減少過(guò)熱區(qū)寬度。

（3）復(fù)層的焊接應(yīng)采用小電流、窄道快速焊可使熱輸入減少，降低接頭在450℃～850℃敏化溫度區(qū)間停留的時(shí)間，以避免因貧鉻現(xiàn)象而產(chǎn)生晶間腐蝕。

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