Q235B+00Cr22Ni5Mo3N復合鋼板的焊接工藝研究

【摘要】雙相不銹鋼誕生已經幾十年了，但在水工金屬結構中的應用并不多見，本文通過對雙相不銹鋼的發(fā)展、性能特點及焊接工藝等方面的認識和研究，分析了雙相不銹鋼復合鋼板的焊接工藝及其特點。

【關鍵詞】雙相不銹鋼復合鋼板；焊接工藝；過渡層；試驗

1.前言

隨著水利工程的不斷發(fā)展，一些工業(yè)應用領域的技術和材料逐漸被引入到水利工程建設中來。南水北調中線一期工程總干渠金屬結構設備標中，有閘門門槽鋼埋件共58孔，圖紙設計選用了Q235B+00Cr22Ni5Mo3N復合不銹鋼板做為埋件的過流面板。基層材質為Q235B碳鋼、不銹鋼覆層材質為00Cr22Ni5Mo3N屬雙相不銹鋼。此種鋼材在水利工程金屬結構應用并不多見，其焊接質量將決定著該鋼材的使用效果和工程的質量問題。本文從雙相不銹鋼的發(fā)展、性能特點及焊接工藝等方面對雙相復合不銹鋼板的焊接工藝進行分析研究。

2.雙相不銹鋼的發(fā)展及性能特點

2.1雙相不銹鋼的發(fā)展。第一代雙相不銹鋼以美國在20世紀40年代開發(fā)的329鋼為代表，此鋼種的鉻、鎳含量較高，耐局部腐蝕性能良好，但其碳的質量分數較高（C含量≤0.1%），在焊接時容易失去相平衡及沿晶界析出碳化物而導致其耐蝕性及韌性下降，故焊后必須進行熱處理，一般用于鑄鍛件，因此在工業(yè)應用中受到一定的限制。20世紀70年代以來，隨著精煉技術、真空精練技術及連鑄技術的普及和發(fā)展。超低碳（C含量≤0.03%）鋼種的生產較易實現，同時發(fā)現氮元素對雙相不銹鋼的性能起著重要作用，它可以促進高溫下形成的鐵素體逆變?yōu)樽銐虻亩螉W氏體，維持必要的相平衡，由此可提高焊接接頭的耐蝕性；氮元素還可在富鉻和鉛的鐵素體相中取得平衡，提高材料的耐孔蝕性能，同時減輕鉻、鉬等元素在兩相中分布的差異。利用氮元素這些獨特作用開發(fā)了第二代含氮雙相不銹鋼，并拓寬了新的應用領域。第三代雙相不銹鋼是在20世紀80年代后期發(fā)展的超級雙相不銹鋼，這類鋼的特點是碳的質量分數0.01%～0.02%，鉬的質量分數為4%.氮的質量分數為3%，鋼中鐵素體的含量為40%～45%，此類鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能。

盡管雙相不銹鋼誕生已經幾十年了，但其實際應用的歷史并不長，它的生產和加工涉及復雜的冶金技術問題，到20世紀80年代后期才實現了部分標準化。1992年～1993年，美國焊接材料標準中首次列入了雙相不銹鋼焊條和焊絲，但僅有兩個牌號。00Cr22Ni5Mo3N屬于第二代中合金雙相不銹鋼，也是國外目前應用最普遍的雙相不銹鋼，此種鋼20世紀70年代首先由瑞典研制成功，材料牌號為SAF2205，對應的美國牌號為UNSS31803。

2.2雙相不銹鋼的焊接性能特點。所謂雙相不銹鋼是指在其固溶組織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半，一般量少相的含量也需要達到30%。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，它將奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良韌性、焊接性與鐵素體不銹鋼所具有的較高強度和耐氯化物應力腐蝕性能結合在一起，具有良好的綜合力學性能。在雙相不銹鋼的焊接中必須注意兩個問題：①維持適當的相比例，以防止出現焊縫金屬區(qū)及熱影響區(qū)奧氏體相含量不足或鐵素體相含量偏高；②鐵素體相在一定的高溫范圍內是不穩(wěn)定的，能析出對韌性和抗腐蝕性有害的高鉻碳化物、氮化物、金屬間化合物及有害相，因此必須防止有害相析出。上述問題一般可通過選擇合適的焊接材料來調整焊縫金屬化學成分、選用合適的焊接方法及焊接參數來控制焊接輸入能量這兩個途徑來解決。焊縫金屬中的奧氏體能起到細化晶粒、減少氮化物的析出、提高塑韌性和耐腐蝕性、增強抗裂紋能力等作用，因此對于含氮雙相不銹鋼通常采用鎳含量比母材高2%～4%和與母材具有相同或略低于含氮量的焊材，以保證焊縫金屬有足夠的奧氏體量。

3.復合不銹鋼板的焊接工藝分析

3.1焊材選擇：不銹復合鋼板是由不銹鋼復層和碳素鋼或低合金鋼基層經爆炸或軋制或爆炸軋制貼合而成的雙金屬板。本文所述Q235B+00Cr22Ni5Mo3N復合不銹鋼板即是指基層材質為Q235B碳素鋼、復層為雙相不銹鋼材質通過爆炸焊貼合而成的一種復合不銹鋼板。由于兩層鋼板化學成分、物理性能及焊接性能有很大差異，如果單一采用焊接復層的焊接材料和焊接工藝焊接基層碳素鋼，雖然容易得到抗耐蝕性的焊縫，但焊縫裂紋傾向非常大，而且其塑性、強度等級不能與復合不銹鋼板保持協調，在荷載作用下會出現不連續(xù)的應力狀態(tài)，可能誘發(fā)斷裂，更別談經濟問題了，顯然與設計想獲得較好強度、塑性和沖擊韌性的意圖是不相符的。因此可在基層和復層之間設立過渡層焊接區(qū)，故可將焊接區(qū)域分為三層進行工藝制定，如下圖1所示：

基層為普通碳素鋼，其焊接工藝及焊材選擇都已十分成熟，焊材可選用與基層強度相匹配的焊絲（H08A）。

3.2焊接工藝

焊接按先焊基層再過渡層后焊復層的焊接順序。

①在下述環(huán)境條件下，焊接場所應有可靠的防護屏障和保溫措施：

Ⅰ.風速：氣體保護焊大于2m/s，其他焊方法大于8m/s；

Ⅱ.相對濕度大于90%；

Ⅲ.雨雪環(huán)境；

②焊絲、焊條存放在通風、干燥的專設庫房內，其溫度保持在5℃以上，相對濕度不大于60%。不銹鋼焊條焊前需經2500C烘焙1.5小時，隨烘隨用。

③施焊前，應將坡口及其兩側10mm～20mm范圍內的鐵銹、熔渣、油垢、毛刺等清除干凈并打磨，直至露出金屬光澤。

④焊接該種不銹鋼，由于板厚17～40mm，且采用了多層多道焊，焊前不必預熱，也不需要焊后熱處理。由于00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼是由奧氏體+鐵素體構成，為了維持結構中的相比例平衡，減少在焊接過程中不銹鋼物理性能的變化，層間溫度和熱輸入的控制十分重要，應保證層間溫度小于150℃，過高或過低的熱輸入都是不可取的，應控制在5-15KJ/cm。

⑤定位焊及裝配要求：進行定位焊時，定位焊均焊在基層一側（不得熔入不銹鋼層），焊厚在4-6mm為宜，每段長30mm，間距300～400 mm。焊接時嚴禁碳鋼焊材焊在不銹鋼層上，以免影響正式焊接時的焊接質量。

⑥焊接時采用從中間向兩側施焊和對稱焊的控制措施。焊接過渡層和復層時，電流不宜過大，運條避免大的擺動，電弧不宜過長，以控制變形和保證焊接質量。蓋滿坡口外1～1.5mm，焊縫余高<1.5mm，超高部分打磨處理；對接接頭的咬邊深度不得大于0.5mm，咬邊連續(xù)長度不得大于100mm，焊接接頭兩側咬邊總長度不得大于該焊接接頭總長的10%等超規(guī)范現象。

4.焊接試驗力學性能驗證

5.結語

雙相不銹鋼已經在越來越多的工業(yè)領域應用，在水工金屬結構中的應用也是近年才逐步開始，作為水利行業(yè)一線的技術人員，我們應該積極學習、研究，以指導實際生產施工，為水利事業(yè)的發(fā)展作出貢獻。

作者簡介

孫超，安徽水利開發(fā)股份有限公司，水利水電工程師.