雙相不銹鋼2205＋Q345C復(fù)合鋼板研制

（四川驚雷科技股份有限公司，四川宜賓644623）

0 前言

2205+Q345C爆炸復(fù)合鋼板是將具有良好耐全面腐蝕和局部腐蝕性能的2205雙相不銹鋼（00Cr22Ni5Mo3N）作為覆層，Q345C為基材，通過爆炸復(fù)合的方式結(jié)合在一起的金屬復(fù)合材料，可降低生產(chǎn)成本，因此廣泛應(yīng)用于冶金、石油化工、水利、真空制鹽等工業(yè)領(lǐng)域[1-2]。在水利工程中，美國、日本等在建造高水頭水利發(fā)電站時(shí)已大量使用雙相不銹鋼或雙相不銹鋼復(fù)合鋼板，原因是雙相不銹鋼或雙相不銹鋼復(fù)合鋼板既具有較高強(qiáng)度，又具備高流速下的耐氣蝕性和泥沙沖擊下的耐磨性以及水質(zhì)變化的耐腐蝕性。我國在長江三峽、向家壩、溪洛渡等工程中，在排沙泄水管道、永久船閘等地方大量使用復(fù)合鋼板，僅三峽工程就使用了8 300余t。焊接工作者對(duì)2205雙相不銹鋼的焊接性能、耐蝕性能等也進(jìn)行了許多研究[3-5]。

本研究以2205＋Q345C為例，詳細(xì)介紹金屬復(fù)合板生產(chǎn)中爆炸復(fù)合、熱處理、覆層拼接及未結(jié)合補(bǔ)焊等幾道關(guān)鍵工序的質(zhì)量控制。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為4 mm 2205不銹鋼+20 mm Q345C鋼的復(fù)合板，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1～表4。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按GB/T6396－2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，耐蝕性實(shí)驗(yàn)按ASTM A923中的C法和GB/T4334－2008 E法進(jìn)行。

表1 2205不銹鋼的化學(xué)成分%

表2 2205不銹鋼的力學(xué)性能

表3 Q345C鋼的化學(xué)成分%

表4 Q345C鋼的力學(xué)性能

2 結(jié)果與討論

2.1 爆炸焊接工藝參數(shù)控制

2205雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度是奧氏體不銹鋼的2倍，這一特性使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)可減輕設(shè)備質(zhì)量，但同時(shí)也增加了爆炸復(fù)合生產(chǎn)的難度。由于屈服強(qiáng)度較高，使其發(fā)生塑性變形以形成爆炸焊接所需的碰撞角變得更為困難，所以用常規(guī)奧氏體不銹鋼爆炸復(fù)合工藝很難達(dá)到理想的復(fù)合效果。必須調(diào)整爆炸焊接工藝以解決物理性質(zhì)、化學(xué)成分以及力學(xué)性能均存在較大差異的兩種材料的焊合問題，從而達(dá)到技術(shù)條件規(guī)定的結(jié)合率。

根據(jù)2205雙相鋼的特性，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證制定出2205+Q345C爆炸復(fù)合的工藝參數(shù)，包括：

（1）預(yù)設(shè)角。指覆板與基板之間的夾角，在較大面積板材的爆炸焊接裝置中，推薦采用平行法（即預(yù)設(shè)角為0）。

（2）板間距。指覆板與基板之間的距離。為了使覆板獲得爆炸焊接所需的碰撞速度，必須保證一定的板間距。但是由于2205雙相鋼超高的屈服強(qiáng)度，在爆炸復(fù)合前因拼接后變形而很難保證其平整度，在局部區(qū)域可能無法達(dá)到爆炸焊接所需的加速距離，因此板間距大于一般奧氏體不銹鋼。

（3）炸藥密度。爆炸焊接是以炸藥爆炸產(chǎn)生的能量作為復(fù)合能源，而炸藥爆炸能量與爆速關(guān)系十分緊密，炸藥爆速直接決定基、覆板的碰撞速度；當(dāng)炸藥密度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，炸藥爆速一般隨炸藥密度的增加而增大，所以炸藥密度是控制炸藥爆速的重要參數(shù)。因此，當(dāng)炸藥品種選定后，控制炸藥密度顯得十分重要。

（4）炸藥配方。復(fù)合鋼板爆炸焊接一般采用混合炸藥，必要時(shí)添加一定的附加物，以改善炸藥爆炸性能和安全性。應(yīng)專門針對(duì)高屈服強(qiáng)度材料進(jìn)行炸藥配方，以控制爆轟速度和猛度。

（5）裝藥厚度。爆炸焊接采用平面裝藥，即在覆板上表面形成具有一定厚度的炸藥量，裝藥厚度不僅決定爆轟能量的多少和爆轟載荷的大小，而且與爆速的關(guān)系十分密切。因此，裝藥厚度是決定爆炸焊接能否成功以及復(fù)合質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)之一。

（6）基礎(chǔ)。爆炸焊接的基板必須置于某種基礎(chǔ)之上，如果基板與基礎(chǔ)之間有空隙，或者基礎(chǔ)的聲阻抗與基板的聲阻抗匹配不恰當(dāng)，則會(huì)在基板與基礎(chǔ)的接觸界面上產(chǎn)生拉伸波，可能會(huì)分離基板與基礎(chǔ)之間剛剛形成的固相結(jié)合界面。所以基礎(chǔ)的選取是爆炸焊接中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

通過上述工藝控制，較好解決了4 mm的2205與20 mm的Q345C的復(fù)合質(zhì)量，一次性復(fù)合面積超過25 m2，經(jīng)超聲波檢測，結(jié)合率達(dá)到99.95%，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)NB/T47002.1－2009 B1級(jí)質(zhì)量要求。

2.2 復(fù)合鋼板熱處理及其性能

復(fù)合鋼板在爆炸過程中會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，造成基、覆層的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均有所升高，塑性和韌性降低，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)將影響覆層耐蝕性能特別是抗應(yīng)力腐蝕性能，同時(shí)也影響復(fù)合鋼板的冷成型。因此，采取適當(dāng)?shù)臒崽幚硐驕p少爆炸復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的硬化效應(yīng)和內(nèi)應(yīng)力，保證基材性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求非常必要。根據(jù)2205和Q345C的物理和化學(xué)性質(zhì)的較大差異，這兩種材料的熱處理規(guī)范有很大區(qū)別。選擇兩者均適合的熱處理規(guī)范，既要考慮2205的耐蝕性不受影響，同時(shí)又要保證Q345C的力學(xué)性能。當(dāng)溫度為650～975℃時(shí)，即使在較短時(shí)間內(nèi)停留，也會(huì)析出有害相。當(dāng)溫度超過1 100℃以后[3－5]，只要保持一定時(shí)間就能使各種金屬沉淀物完全溶解，但基材在高溫下會(huì)造成晶粒粗大，降低材料的塑性和韌性。通過大量的試驗(yàn)研究和理論分析，生產(chǎn)上選擇低于650℃的熱處理，控制好加熱溫度、保溫時(shí)間以及冷卻速度，能夠很好地保證基材的力學(xué)性能和覆層的耐蝕性能。

經(jīng)熱處理后的復(fù)合鋼板力學(xué)性能見表5。金相組織為50%奧氏體+50%鐵素體，按ASTM 923 C法耐蝕性的要求值為10mdd，實(shí)測值為0.676mdd，按GB/T4334－2008 E法測試無裂紋，耐蝕性能良好。

2.3 復(fù)合鋼板的覆層拼接及未結(jié)合補(bǔ)焊

2.3.1 焊接特點(diǎn)

焊接熱循環(huán)對(duì)2205雙相鋼焊接接頭的組織影響很大。焊接時(shí)焊縫和熱影響區(qū)都會(huì)有重要的相變發(fā)生，進(jìn)而影響其耐蝕性和韌性。焊接的關(guān)鍵是如何保證焊縫和熱影響區(qū)保持適量的鐵素體相（α相）和奧氏體相（γ相）。

熱影響區(qū)的高溫區(qū)加熱時(shí)奧氏體完全溶解，成為單一的鐵素體。高溫區(qū)的α相向γ相的轉(zhuǎn)變是不平衡的，快速冷卻時(shí)鐵素體來不及轉(zhuǎn)變成奧氏體，導(dǎo)致該區(qū)域存在大量鐵素體，從而影響接頭性能。另外，焊縫中含有一定量N，N在鐵素體中的溶解度很低，易導(dǎo)致氮化物析出，也會(huì)導(dǎo)致其韌性和耐蝕性下降。

與熱影響區(qū)的高溫區(qū)轉(zhuǎn)變相同，焊縫從高溫冷卻時(shí)鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變也是不平衡的，其主要影響是焊縫中的化學(xué)成分和冷卻速度。如果焊縫金屬與母材的化學(xué)成分相同，就會(huì)造成焊縫中鐵素體含量過高。由于Ni是奧氏體形成元素，因此在焊材中適當(dāng)增加w（Ni）有利于提高焊縫中奧氏體比例，這就是焊材采用9Ni的原因。另外，N也是奧氏體形成元素，在焊材中加入適量N元素，焊縫在快速冷卻時(shí)可獲得更多的奧氏體。根據(jù)文獻(xiàn)[3－5]和本研究試驗(yàn)結(jié)果，焊縫的γ相保持在30%～65%，熱影響區(qū)的α相不超過70%，可保證焊接接頭的耐蝕性。2205復(fù)合鋼板的生產(chǎn)在焊接方面主要涉及覆層拼接和未結(jié)合區(qū)域補(bǔ)焊，對(duì)此分別進(jìn)行了系列焊接試驗(yàn)。

2.3.2 覆層拼接

根據(jù)工程上需要的板副尺寸，2205覆層一般要求拼接。覆層拼接普遍采用焊條電弧焊和鎢極氬弧焊。不加絲的等離子弧焊通常不推薦用于2205鋼的焊接，原因是不加絲的焊接會(huì)增加焊縫鐵素體含量，影響焊縫的韌性和耐蝕性。從試驗(yàn)結(jié)果來看，如果采取適當(dāng)?shù)拇胧┮部杀ＷC焊縫的雙相組織，一是焊接時(shí)在離子氣和背保氣中加入一定量的N2，在一定程度上提高焊縫的奧氏體含量；二是等離子拼縫在后續(xù)復(fù)合鋼板的消應(yīng)力熱處理時(shí)采取高溫處理，恢復(fù)焊縫金屬的相平衡。

焊條電弧焊、手工氬弧焊和等離子弧焊的拼焊簡圖如圖1～圖3所示，其接頭力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表6。

圖1 焊條電弧焊

圖2 手工氬弧焊

圖3 等離子弧焊

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用焊條電弧焊、手工鎢極氬弧焊和等離子弧焊焊接2205薄板，在焊態(tài)下焊接接頭的各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足要求。雙相鋼一般不推薦焊后熱處理[2]，但由于復(fù)合鋼板制造工藝的特殊性，需要進(jìn)行消除爆炸應(yīng)力的熱處理。只要復(fù)合板的熱處理溫度和保溫時(shí)間選擇恰當(dāng)，熱處理對(duì)焊縫耐蝕性影響是可以控制的。至于焊態(tài)情況下的等離子自熔焊縫，雖然鐵素體含量偏高，但腐蝕結(jié)果仍在合格范圍內(nèi)，而經(jīng)高溫?zé)崽幚砗螅糠骤F素體轉(zhuǎn)化成奧氏體，使得焊縫中奧氏體比例有所提高，從而提高焊縫的耐蝕性。

2.3.3 堆焊（補(bǔ)焊）試驗(yàn)

復(fù)合鋼板爆炸焊接時(shí)，其結(jié)合率受很多因素影響，除爆炸焊焊接工藝參數(shù)外，還有天氣的影響。這些因素的變化有時(shí)會(huì)造成基層與覆層出現(xiàn)未結(jié)合的現(xiàn)象。當(dāng)工程上所需復(fù)合鋼板質(zhì)量等級(jí)為B1級(jí)即100%結(jié)合時(shí)，就存在未結(jié)合區(qū)域的補(bǔ)焊問題。由于未結(jié)合區(qū)域形狀不規(guī)則，目前大多采用操作靈活簡單且質(zhì)量穩(wěn)定的焊條電弧焊進(jìn)行修補(bǔ)。針對(duì)2205＋Q345C復(fù)合板，根據(jù)耐腐蝕程度高低要求，過渡層焊材既可選擇E309MoL，也可選擇E2209，而填充和蓋面均選擇E2209。補(bǔ)焊選擇在復(fù)合鋼板消應(yīng)力熱處理后進(jìn)行。堆焊示意如圖4所示。

表6 覆層拼接試板力學(xué)性能數(shù)據(jù)

D試樣過渡層為E309MoL，覆層為E2209，D－1試樣過渡層和覆層均為E2209，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7?？梢钥闯?，選擇E2209焊接過渡層和覆層，其焊縫耐蝕性更優(yōu)。

2.3.4 保證焊接質(zhì)量的措施

圖4 堆焊

（1）焊材選擇。

對(duì)于焊后不經(jīng)固溶處理的2205焊接接頭，應(yīng)選擇9Ni焊材，其原因?yàn)椋篘i是奧氏體形成元素，當(dāng)焊接接頭冷卻速度快，Ni的加入不會(huì)導(dǎo)致焊縫鐵素體過多，能保持其雙相比。此外，Ni可減緩析出相的析出速度，富Ni焊縫中不易出現(xiàn)氮化鉻等有害相[2]。除 Ni外，焊縫金屬中的 C、Cr、Mo、N 等元素應(yīng)控制在適當(dāng)比例，Cr、Mo含量不宜過高，太高易導(dǎo)致σ相析出，但也不宜過低，否則影響其耐蝕性。

表7 補(bǔ)焊試樣性能數(shù)據(jù)

（2）熱輸入及焊接規(guī)范參數(shù)控制。

2205的焊接熱輸入為0.5～2.5 kJ/mm[2]，層溫應(yīng)小于等于150℃，多層多道焊有利于改善熱影響區(qū)的相比例和性能。熱輸入過低，冷卻速度太快，導(dǎo)致HAZ的α過多，韌性和耐蝕性下降；熱輸入過大則易產(chǎn)生中間相。推薦最佳熱輸入為1.0～1.2 kJ/mm。2205復(fù)合板推薦規(guī)范為：焊條電弧焊，φ3.2，100～110 A，速度 14～18 cm/min；φ4.0，150～160 A，速度20～24 cm/min。

（3）層溫影響。

2205焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱，其層溫上限控制在150℃以內(nèi)。層溫過高，若連續(xù)堆焊，則焊接區(qū)域冷卻太慢，會(huì)析出有害相，嚴(yán)重時(shí)焊縫開裂，這在復(fù)合板未結(jié)合區(qū)域的補(bǔ)焊時(shí)應(yīng)引起高度重視；但層溫也不宜過低，過低會(huì)造成焊接接頭冷卻速度過快，從而導(dǎo)致HAZ的鐵素體含量增多，特別是純2205厚板的焊接。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，層溫控制在50～150℃較為合適。

（4）熱處理對(duì)焊縫性能的影響。

2205鋼經(jīng)過焊接熱循環(huán)后，焊縫和HAZ已不是原有雙相鋼的相比例，特別是HAZ的α相比例可能約高達(dá)70%，此時(shí)HAZ內(nèi)奧氏體量少且有純鐵素體晶界，鐵素體晶內(nèi)還會(huì)析出較多的氮化物，特別是表面與焊縫毗鄰的高溫HAZ內(nèi)。此時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理等于再次加熱和冷卻含有過飽和氮的鐵素體，由于碳氮化合物的析出會(huì)使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度明顯上移，鋼的缺口敏感性增加，沖擊韌性和耐腐蝕性下降，除固溶處理外的任何熱處理都易導(dǎo)致焊縫脆化。因此，2205焊接接頭應(yīng)以焊態(tài)交貨為好，焊縫經(jīng)熱處理后韌性塑性下降，易造成彎曲不合格。未結(jié)合區(qū)域的補(bǔ)焊盡量在復(fù)合板熱處理后進(jìn)行。

3 結(jié)論

（1）2205+Q345C復(fù)合鋼板爆炸焊接性良好，其結(jié)合率可達(dá)NB/T47002.1－2009中的B1級(jí)，滿足工程用復(fù)合鋼板結(jié)合率的要求。

（2）消除爆炸焊接應(yīng)力的熱處理，宜采用低溫?zé)崽幚怼?/p>

（3）采用焊條電弧焊和手工氬弧焊覆層2205，均能滿足接頭的耐蝕性和力學(xué)性能要求。采用等離子焊接，焊態(tài)下焊縫鐵素體含量較高，對(duì)耐蝕性要求高的產(chǎn)品不推薦采用。對(duì)2205+Q345C復(fù)合板的焊接以及未結(jié)合區(qū)補(bǔ)焊，不推薦焊后進(jìn)行熱處理。

（4）通過爆炸、焊接、熱處理等關(guān)鍵工序的控制，2205復(fù)合鋼板的力學(xué)性能、耐蝕性、金相組織等均滿足技術(shù)要求。

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