Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復(fù)合板焊接工藝及接頭力學(xué)性能

馮玉蘭，蔡積虎

（山西戴爾蒙德不銹鋼科技有限公司，山西晉中030622）

Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復(fù)合板焊接工藝及接頭力學(xué)性能

馮玉蘭，蔡積虎

（山西戴爾蒙德不銹鋼科技有限公司，山西晉中030622）

采用等離子弧焊（PAW）、不添加焊絲的方法對(duì)基層碳鋼進(jìn)行打底焊接，再采用埋弧焊（SAW）、選用焊絲H08MnA、焊劑SJ101對(duì)碳鋼基層進(jìn)行蓋面焊接；其次采用非熔化極電弧焊（TIG）、選用焊絲ER309L和ER308L分別焊接Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼板的過渡層和復(fù)合層。對(duì)復(fù)合板接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率均在母材力學(xué)性能要求的范圍內(nèi)，且拉伸試件的斷裂部位均在母材部位，對(duì)不銹鋼復(fù)層進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，腐蝕之后焊縫表面并沒有發(fā)生腐蝕開裂；進(jìn)一步說明焊接工藝的可行性，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

不銹鋼復(fù)合板；力學(xué)性能；焊接工藝

0 前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，金屬復(fù)合材料的應(yīng)用逐漸被推廣，規(guī)模上占據(jù)很大的比例，其中不銹鋼復(fù)合板所占比例不低于80％。它是由低碳鋼或者是低合金鋼材料和不銹鋼材料通過一定的工藝結(jié)合而成[1]，其特點(diǎn)是同時(shí)具有兩種材料的優(yōu)良性能，試驗(yàn)用不銹鋼復(fù)合材料為Q245R/0Cr18Ni9，基層材料Q245R低碳鋼為管的外壁，主要滿足強(qiáng)度、剛度和韌性等力學(xué)性能，復(fù)合層0Cr18Ni9材料（304不銹鋼）作為鋼管的內(nèi)壁，滿足耐腐蝕、耐熱、耐磨損等性能的要求。另外在制作成本上低于傳統(tǒng)的不銹鋼材料，因此該材料被廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源、食品等各行各業(yè)中[2]。

1 焊接材料及方法

1.1 母材

試驗(yàn)材料為Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復(fù)合板，厚度為（10+3）mm，基層碳鋼Q245R的厚度為10 mm，不銹鋼304復(fù)層厚度為3 mm，板材尺寸為800 mm×

300 mm×13 mm。

1.2 焊接方法和設(shè)備

焊接方法：等離子弧焊（PAW）、埋弧焊（SAW）、鎢極氬弧焊（TIG）。

焊接設(shè)備：邊梁P+T單絲埋弧焊縫焊接系統(tǒng)、邊梁雙槍P+T縱環(huán)焊縫焊接系統(tǒng)；系統(tǒng)包含德國進(jìn)口的等離子焊接電源PAW 522 DC-P、TIG焊接電源TETRIX 521；機(jī)械化程度為自動(dòng)化。

焊接順序?yàn)橄群富鶎?，再焊過渡層，最后焊復(fù)合層。焊接方式為多層焊，焊接位置為平焊。

1.3 填充材料的選擇

1.3.1 不銹鋼復(fù)合板的焊接性

碳鋼與不銹鋼在物理性能上有較大的差別，存在差別的原因有兩點(diǎn)：（1）不銹鋼的熱導(dǎo)率低于低合金鋼；（2）不銹鋼的線膨脹系數(shù)和電阻率比碳鋼的大得多。從宏觀角度分析，以上兩點(diǎn)差別使得的焊接過渡層時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力和變形，這一現(xiàn)象在低溫時(shí)仍然存在；另外，焊縫與母材交界處熔合區(qū)的組織存在不均勻性，很容易產(chǎn)生焊接裂紋[3-9]。從微觀的角度分析焊接過程，在熱量的作用下，基層碳鋼中的C會(huì)向復(fù)層的不銹鋼擴(kuò)散，隨著時(shí)間的推移，擴(kuò)散累積使得在接頭處出現(xiàn)增、脫碳層，進(jìn)而產(chǎn)生馬氏體組織，馬氏體組織本身較硬，是焊接接頭最敏感的組織[10-11]。由于線膨脹系數(shù)的不同，在焊后冷卻收縮時(shí)，必然在焊接接頭處產(chǎn)生殘余應(yīng)力；而焊接過程中焊縫金屬的稀釋對(duì)復(fù)合材料的焊接性能起重要作用，熔合比越小，稀釋率越低，焊接性越好。

1.3.2 焊材的選用

為了解決上述問題，采用鎳基填充材料，其作用有：（1）Ni塑、韌性好，可以釋放應(yīng)力，解決應(yīng)力過渡。（2）減小兩種材料的熱膨脹系數(shù)，界面差度小，進(jìn)而界面應(yīng)力??；主要是因?yàn)殒嚮牧夏軌蜃柚笴向奧氏體擴(kuò)散，降低晶間腐蝕傾向，減小馬氏體帶的寬度，而且鎳基材料的熱膨脹系數(shù)介于奧氏體與珠光體（鐵素體）鋼之間，從而緩解因溫度變化引起的熱應(yīng)力[12-14]。

基層Q245R采用等離子弧焊（PAW）與埋弧焊（SAW）進(jìn)行焊接，采用等離子弧焊焊接時(shí)不進(jìn)行填絲，埋弧焊焊接選用填充材料藥芯焊絲H08MnA，直徑為3.2 mm，燒結(jié)型焊劑SJ101；過渡層采用非熔化極電弧焊（TIG）焊接，選用填充材料焊絲ER309L，直徑1.0 mm，復(fù)層同樣采用非熔化極電弧焊（TIG）進(jìn)行焊接，選用填充材料焊絲ER308L，直徑1.2mm。試驗(yàn)?zāi)覆牡幕瘜W(xué)成分如表1所示，填充材料的化學(xué)成分如表2所示。

表1 試驗(yàn)?zāi)覆牡幕瘜W(xué)成分Tab.1Chemical compositions of base metals ％

表2 填充材料的化學(xué)成分Tab.2Chemical compositions of filler metals ％

2 坡口設(shè)計(jì)

坡口設(shè)計(jì)可以根據(jù)選用母材的厚度、焊接方法等工藝條件選用標(biāo)準(zhǔn)坡口，也可以自行設(shè)計(jì)。對(duì)于不銹鋼復(fù)合材料，其坡口形式的設(shè)計(jì)應(yīng)保證在焊接過渡層時(shí)焊縫稀釋率較低[15]，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的坡口形式如圖1所示，在加工時(shí)以復(fù)層（不銹鋼層）為基準(zhǔn)面，坡口設(shè)計(jì)依據(jù)如下。

圖1 焊接坡口示意Fig.1Schematic of welded joint

（1）復(fù)層厚度3 mm，坡口開口深度4 mm，使基層和復(fù)層完全分開，從而保證低的稀釋率和過渡層的焊接質(zhì)量，既保證了復(fù)層的耐腐蝕性，又保證了基層強(qiáng)度等力學(xué)性能。

（2）基層碳鋼側(cè)設(shè)計(jì)斜角可以防止焊縫夾渣和未熔合缺陷。

3 焊接技術(shù)要求

（1）每道焊接前應(yīng)先用丙酮或不銹鋼絲輪清理焊縫坡口及兩側(cè)各50 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹、氧化皮等。

（2）使用等離子（PAW）打底，從管子外側(cè)也就是碳鋼側(cè)用PAW穿透，達(dá)到單面焊雙面成型效果；用埋弧焊（SAW）焊接碳鋼層，焊接過程分多層填滿焊縫，焊縫余高不大于1.5 mm。

（3）使用等離子（PAW）將碳鋼進(jìn)行穿透后，必須進(jìn)行清根處理（用砂輪機(jī)或鋼絲刷對(duì)焊道進(jìn)行打磨清理），必要時(shí)再用丙酮擦拭焊道表面，使覆層焊縫表面與覆層表面平整，方可進(jìn)行下一道焊接。

（4）使用埋弧焊（SAW）進(jìn)行焊接，焊前必須烘干焊劑，烘干溫度250℃～300℃，烘干時(shí)間約2 h。在焊接過程中未熔化的埋弧焊焊劑可以回收再使用，在重新使用之前，應(yīng)清除舊焊劑中的熔渣、雜質(zhì)及粉塵，并加入不少于50％的新焊劑均勻混合。

（5）嚴(yán)格控制焊縫層間溫度不大于150℃。

（6）焊接過渡層及不銹鋼層宜采用小線能量多道焊接，即小電流快速焊，保證小的熱輸入量，防止焊縫組織晶粒粗大，導(dǎo)致焊縫的強(qiáng)度、韌性、延伸率等力學(xué)性能下降。

（7）過渡層焊縫金屬在基層處的厚度控制在1.5～2.5 mm，在覆層處的厚度為0.5～1.5 mm，焊接過程中注意保護(hù)覆層的表面，防止焊接飛濺物等損傷覆層表面。

（8）焊接人員：①參加復(fù)合板焊接試驗(yàn)的焊工應(yīng)認(rèn)真領(lǐng)會(huì)焊接工藝要求，總結(jié)試焊經(jīng)驗(yàn)，參加并主導(dǎo)產(chǎn)品焊接，做到人員固定、參數(shù)固定，及時(shí)解決發(fā)現(xiàn)的問題；②在有該工藝經(jīng)驗(yàn)焊工的實(shí)際操作和指導(dǎo)下進(jìn)行焊接，提高責(zé)任心和質(zhì)量意識(shí)。

4 焊接參數(shù)和焊縫表面成形

不同的焊接方法，其焊接參數(shù)也不同。本次試驗(yàn)涉及的焊接參數(shù)主要包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度、送絲速度、離子氣、保護(hù)氣等。過渡層的焊接對(duì)于復(fù)合材料來說是整個(gè)焊接過程的關(guān)鍵因素。經(jīng)過焊接大量試板，同時(shí)進(jìn)行理化試驗(yàn)，得到較為理想的焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)見表3。

表3 焊接工藝參數(shù)Tab.3Welding parameters

復(fù)合板焊縫如圖2所示，焊縫表面平整，焊道平直，外觀上沒有出現(xiàn)夾渣、氣孔等現(xiàn)象，焊縫成形美觀。

5 力學(xué)性能測(cè)試及分析

5.1 拉伸、彎曲試驗(yàn)測(cè)試

采用鋼研納克檢測(cè)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的拉伸壓縮機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》將焊縫加工成有關(guān)規(guī)定的試樣尺寸，進(jìn)行側(cè)彎、拉伸試驗(yàn)，試樣的測(cè)試條件是：加載速率5 mm/min，加載載荷10 kN，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

由表4可知，屈服強(qiáng)度333 MPa高于母材要求的最低屈服強(qiáng)度245MPa，抗拉強(qiáng)度492MPa高于母材要求的最低值428 MPa，延伸率32％大于母材要求的最低值25％，焊接接頭的力學(xué)性能都滿足實(shí)際工程要求的最小值，焊接質(zhì)量良好。焊縫側(cè)彎、拉伸試樣如圖3、圖4所示。由圖3可知，焊縫表面光滑整潔，基層碳鋼與復(fù)層不銹鋼復(fù)合的分界線清晰可見，過渡層在碳鋼層側(cè)的深度約為1.5 mm，焊接狀

態(tài)非常理想，而且表面沒有裂紋出現(xiàn)。由圖4可知，拉伸斷裂的位置發(fā)生在離熔合線較遠(yuǎn)的母材處，焊縫性能較好，說明焊接工藝的合理性。

圖2 復(fù)合板焊縫Fig.2Composite plate welding seam

圖3 焊縫彎曲試樣Fig.3Weld bend sample

圖4 焊縫拉伸試樣Fig.4Weld tensile sample

表4 Q245/0Cr18Ni9焊接接頭力學(xué)性能Tab.4Mechanical properties of Q245/0Cr18Ni9 welded joint

5.2 耐腐蝕性能測(cè)試

晶間腐蝕是金屬材料在特定介質(zhì)中發(fā)生沿晶界開裂的現(xiàn)象，尤其對(duì)于不銹鋼來說，如果焊接過程不當(dāng)或者后期的熱處理不當(dāng)很容易發(fā)生晶間腐蝕。對(duì)于不銹鋼晶間腐蝕的測(cè)試方法有多種，常用的是化學(xué)浸蝕法、電化學(xué)法。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有GB/T4334.5-2000、ASTM A262、JISGO 571-0575。焊縫試樣尺寸80 mm×40 mm×2.5 mm。

本次試驗(yàn)采用化學(xué)浸蝕法，主要用硫酸-硫酸銅溶液進(jìn)行腐蝕，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T4334.5-2008。溶液配比方案：將100 g符合GB/T 665的分析純硫酸銅（CuSO4·5H2O）溶解于700 ml蒸餾水或去氯離子水中，再加入100 ml符合GB/T 625的優(yōu)級(jí)純硫酸，用蒸餾水或去氯離子水稀釋至1 000 ml，配制成硫酸-硫酸銅溶液作為本次試驗(yàn)的腐蝕液。試驗(yàn)裝置如圖5所示，試驗(yàn)所執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T4334-2008方法E中化學(xué)浸蝕法的試驗(yàn)溶液、試驗(yàn)條件及評(píng)價(jià)指標(biāo)如表5所示。

圖5 晶間腐蝕試驗(yàn)裝置Fig.5Test Device for inter-granular corrosion

表5 晶間腐蝕測(cè)試方法及參數(shù)Tab.5Test method and parameters of inter-granular corrosion test

針對(duì)復(fù)合板的復(fù)層即不銹鋼層進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，在硫酸銅溶液中煮沸16 h后的試樣如圖6所示，分別是進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)后進(jìn)行180°的彎曲試驗(yàn)和僅僅經(jīng)過晶間腐蝕后的圖片。由圖6可知，

無論有沒有進(jìn)行彎曲，在焊縫表面都沒有出現(xiàn)裂紋，說明焊接工藝合理。

圖6 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)Fig.6Stainless steel inter-granular corrosion test

6 結(jié)論

闡述了Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復(fù)合板的焊接性，并通過多次試驗(yàn)確定其焊接工藝，包括焊接接頭的坡口形式、焊接參數(shù)、焊接方法以及選用焊接材料的種類，在焊接之后對(duì)其焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能和晶間腐蝕等理化試驗(yàn)測(cè)試，得出結(jié)論：

科學(xué)合理的焊接坡口形式為前提，采用等離子弧焊（PAW）、埋弧焊（SAW）及非熔化極電弧焊（TIG），選用焊絲H08MnA、ER309L和ER308L，焊劑SJ101焊接Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復(fù)合板材，其拉伸、彎曲性能及其抗晶間腐蝕能力都達(dá)到要求，進(jìn)一步說明該焊接工藝的可行性，滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

[1]陳忱，王少剛，翟偉國，等.405/Q245R不銹鋼復(fù)合板焊接工藝及接頭組織與性能[J].壓力容器，2011，28（8）：16-18.

[2]李標(biāo)峰，王軍，張杰.0Cr13Ni5Mo/Q345C馬氏體不銹鋼復(fù)合板的焊接性[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2002，17（4）：17-20.

[3]翟雪煥，原國棟.不銹鋼復(fù)合板焊接技術(shù)要點(diǎn)[J].金屬加工研究與應(yīng)用，2008（16）：57-59.

[4]張春秋，仇志暉.不銹鋼復(fù)合板焊接工藝的優(yōu)化[J].焊接技術(shù)，2008（3）：26-27.

[5]殷建軍.GB/TI6957-1997《復(fù)合鋼板焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)方法》簡(jiǎn)介[J].理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)，2000，36（8）：373-376.

[6]王一德.太鋼不銹鋼復(fù)合板生產(chǎn)發(fā)展及展望[J].中國管理科學(xué)，2000（8）：612-622.

[7]Seki M，Yamamoto H，No Jeri M，et al.Brazing of Ti-Ni Shape memory alloy with stainless steel[J].Journal of the Japan Institute of Metals，2000，64（8）:632-640.

[8]陳漢惠.不銹鋼復(fù)合鋼板16MnR+316L的焊接[J].焊接技術(shù)，2002，3（1）：62-63.

[9]胡華忠，同建義.不銹復(fù)合鋼板的焊接工藝探討[J].化工施工技術(shù)，1998，20（5）：3-9.

[10]Chen R B，Shine R K.The micro-structural observation and wet t ability study of active brazing beryllium copper and 304 stainless steel[J].Journal of Materials Science Letters，2001，20（15）：1435-1437.

[11]金軍，李富科.00Cr18Ni5Mo3Si2+Q235復(fù)合不銹鋼板的焊接[J].化學(xué)工藝與工程技術(shù)，2004，25（3）：30-31.

[12]齊淑改.不銹鋼藥芯焊絲在復(fù)合板焊接中的應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2005，34（4）：20-22.

[13]郭晶，趙運(yùn)有，車菊秋.國內(nèi)復(fù)合鋼板產(chǎn)品焊接中存在問題分析[J].石油化工設(shè)備，2002，31（1）：17-19.

[14]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[15]陸漢惠.不銹鋼復(fù)合鋼板16MnR+316L的焊接[J].焊接技術(shù)，2002，3（1）：62-63.

Welding technology of Q245R/0Cr18Ni9 stainless steel composite plate and mechanical properties of welded joint

FENG Yulan，CAI Jihu
（Shanxi DMD Science and Technology Company，Jinzhong 030622，China）

The claddingmetal and transition region ofQ245R/0Cr18Ni9 stainless steel composite plate are welded bytungsten inert gas arc welding（TIG）withER309LandER308Lweldingwire；thebaselayerisweldedbyplasmaarcwelding（PAW）andbysubmergedarcautomatic SAW with H08MnA welding wire and SJ101 Welding Flux.Results of mechanical properties test showed that the tensile strength，yield strength and elongation of welded joints were in the range of the mechanical properties of the base metal，and all the tensile samples broke at the position of base material.The cladding metal of composite plate was carried out on the intergranular corrosion test，and the weld surface did not have corrosion cracking，which was announced that the mechanical properties of welded joint was better and the welding technologywas feasible，thus these twokinds ofwelded joint could meet the practical requirements ofengineeringstructure．

stainless steel composite plate；mechanical properties；welding technology

TG457.11

A

1001－2303（2016）09－0068-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.16

2015-12-30；

2016-04-10

馮玉蘭（1991—），女，山西大同人，碩士，主要從事不銹鋼及不銹鋼復(fù)合板焊接工藝的研究工作。