引江濟淮鋼渡槽316L+Q345qD 不銹鋼復(fù)合板焊接接頭過渡層厚度對焊接接頭性能影響的研究

王潤國WANG Run-guo

（中鐵四局集團鋼結(jié)構(gòu)建筑有限公司，合肥 230031）

0 引言

不銹鋼復(fù)合板通常是以碳鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼為基體、以各種不銹鋼為復(fù)層，通過爆炸焊或熱機械軋制方法而形成的兩層或多層金屬結(jié)構(gòu)材料。不銹鋼/碳鋼復(fù)合板代替不銹鋼可節(jié)約Cr、Ni 合金元素70%以上，常規(guī)生產(chǎn)工藝可降低成本30%-50%，作為一種資源節(jié)約型的產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油工業(yè)、化學工業(yè)以及建筑等行業(yè)。

由于不銹鋼復(fù)合鋼板基層與復(fù)層的性能與成分相差迥異，受復(fù)層化學成分的影響，復(fù)合焊接時，焊接接頭中的金屬Cr、Ni 成分隨焊接增高，金屬成分聚集位置脆硬易產(chǎn)生裂縫。而相應(yīng)地，復(fù)層因焊接產(chǎn)生C 成分聚集會降低復(fù)合板的耐腐蝕性。因此，過渡層的焊接質(zhì)量直接影響到焊接接頭的綜合性能，應(yīng)嚴謹選擇。

于文忠等人研究發(fā)現(xiàn)，均采用CO2氣體保護焊以及藥芯焊絲的過渡層與復(fù)層滿足承載及防腐需求[1]。王文先等人在復(fù)合鋼板過渡層焊縫焊接時選用高Cr、Ni 的焊絲，得到奧氏體加彌散分布的鐵素體焊后組織，保證了基體焊縫的力學性能要求[2]。田曉軍等人對焊接接頭進行晶間腐蝕試驗，發(fā)現(xiàn)隨著復(fù)合板焊接接頭過渡層稀釋率增大，Cr、Ni含量降低，碳含量增加，降低了接頭耐晶間腐蝕能力[3]。

引江濟淮工程跨徑布置為（68+110+68）m，屬于國務(wù)院要求快速建成的172 項重大節(jié)水供水工程之列，通過全焊鋼桁梁結(jié)構(gòu)承擔全焊渡槽的形式，淠河跨越運河而上下均通水通航，是跨度世界第一的通水通航的鋼渡槽工程。渡槽底板、渡槽壁板材質(zhì)均為焊接316L+Q345qD 不銹鋼復(fù)合板，有（4+20）mm、（4+30）mm 兩種規(guī)格。由于水為對鋼結(jié)構(gòu)焊縫耐久性影響較大的介質(zhì)，且鋼結(jié)構(gòu)焊縫性能受水流荷載及溫變荷載等疲勞性質(zhì)的荷載影響較大，焊接工藝應(yīng)確保焊縫質(zhì)量可靠。不銹鋼復(fù)合板焊接雖有相關(guān)國家標準指導，但對316L+Q345qD 不銹鋼復(fù)合板的焊接暫無大量可供參考的數(shù)據(jù)用于工程建設(shè)。

針對本工程采用的24mm 厚316L+Q345qD 不銹鋼復(fù)合板，取3～5mm 作為厚度參數(shù)，通過試驗統(tǒng)計分析不同條件下過渡層化學成分稀釋影響焊接的程度，分析焊接接頭的化學成分及微觀組成形式，以抗拉、抗沖切為強度指標、以硬度為物理性能指標進行力學試驗，同時采用浸液后抗彎強度為指標進行晶體內(nèi)部抗腐蝕性能試驗，綜合評判各組焊接接頭試驗結(jié)果，為渡槽316L+Q345qD 不銹鋼復(fù)合板焊接確定合適的焊接工藝參數(shù)。

1 試驗材料及方法

本文試驗基層材料為橋梁鋼材Q345qD，復(fù)層材料為不銹鋼板316L，基層與復(fù)層間填充不同厚度的TS309LFC11 焊絲，而作為自行連接部分，基層間填充ER50-6 焊絲，復(fù)層間填充材料為TS316L-FC11。

試件制作過程嚴格按照《不銹鋼復(fù)合鋼板和鋼帶》，試件尺寸厚24mm，其中基層厚度20mm，復(fù)層厚度4mm，試件寬200mm，長度取為400mm，每層內(nèi)、層間均采用對接焊縫形式，焊接方法采用CO2氣體保護焊，焊接形式為多層多道焊?；鶎印?fù)層、過渡層材料所用的化學成分如表1所示，試件制作焊接的工藝參數(shù)如表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

為了研究焊接過渡層厚度對接頭組織性能的影響，固定復(fù)層焊縫厚度2mm，通過改變基層材料的預(yù)留深度，設(shè)置了3mm、4mm、5mm 三類過渡層厚度，三類不同厚度過渡層的焊縫取樣形式見圖1，試板共六塊，試板編號1、2過渡層厚度3mm，試板編號3、4 過渡層厚度4mm，試板編號5、6 過渡層厚度5mm，每種厚度依次采用焊接參數(shù)1、2。試件制作完畢后，逐個取樣測試分析。

圖1 不同厚度過渡層形式

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 化學成分檢測

六組試樣復(fù)層焊接接頭焊縫區(qū)的化學成分如表3 所示，過渡層金屬化學成分見表4。由表3 可知，復(fù)層化學成分在316L 不銹鋼的標準成分范圍內(nèi)，焊后具有良好的防腐蝕性能。由表4 可以看出，對接接頭過渡層區(qū)域化學成分中Cr 和Ni 元素含量略低于309S 不銹鋼的標準成分范圍，原因是過渡層與基層反應(yīng)造成了元素的稀釋，且不同焊接工藝參數(shù)造成的稀釋量不同，整體上呈現(xiàn)出隨過渡層厚度增加，稀釋程度加劇的趨勢。

表3 對接接頭復(fù)層化學成分（wt.%）

表4 對接接頭過渡層化學成分（wt.%）

2.2 拉伸強度

拉伸強度測試的試驗過程嚴格依據(jù)標準GB/T 2652以及標準GB/T 2651，試驗對象分別取為熔敷金屬和焊接接頭。試驗對象均取自試驗試件中心位置，熔覆金屬試驗對象截取自橫截面上，包括基層和復(fù)層；焊接接頭從垂直焊縫方向截取。不同試樣均斷裂在靠近試樣中心位置，試樣標距處和斷口處發(fā)生明顯的頸縮現(xiàn)象，熔敷金屬和對接接頭的抗拉強度、屈服強度見圖2。

圖2 拉伸試驗結(jié)果

試板熔覆金屬、對接接頭的抗拉強度均高于316L+Q345qD 不銹鋼復(fù)合板基層材料在使用條件下490MPa 的最小抗拉強度；屈服強度均滿足高于Q345qD 屈服強度345MPa 的要求。整體呈現(xiàn)出隨過渡層厚度增加，強度下降的趨勢，其中1、2 號試板的熔敷金屬屈服強度變化最為明顯，原因為復(fù)合板接頭基層預(yù)留深度越大，焊接電流越大，會加劇過渡層不銹鋼與基層碳鋼成分的稀釋。

2.3 沖擊性能

對六組焊接試板取樣測試沖擊功，一組從基層焊縫取樣，焊縫中心設(shè)置V 型缺口開，用于沖擊試驗；對比組試樣取樣位置改為熱影響區(qū)，V 型坡口位置移動至熔合線以外，試驗溫度取為-20℃，沖擊性能實驗數(shù)據(jù)見圖3。六組接頭沖擊功試驗結(jié)果均滿足不低于34J 的技術(shù)要求，其中，過渡層厚為3mm 的兩組接頭沖擊功最高。

圖3 沖擊試驗結(jié)果

2.4 硬度測試

對六組焊接接頭沿“母材-熱影響區(qū)-焊縫金屬”方向進行維氏硬度測試，測試結(jié)果見表5。

表5 硬度測試結(jié)果HV10

由表5 結(jié)果表明，試件硬度受過渡層厚度及焊接工藝影響較小，且遠小于Q345qD 鐵路橋鋼焊接接頭的最高硬度臨界值380HV10，均滿足技術(shù)要求。熱影響區(qū)的硬度與母材硬度正相關(guān)且過渡區(qū)的熔合線位置沒有硬度突變，說明晶粒由于受熱循環(huán)的影響發(fā)生一定的粗化，但不嚴重，從而可以判斷六種焊接工藝下獲得的接頭產(chǎn)生冷裂紋的傾向較低，側(cè)面印證沖擊試驗結(jié)果。

2.5 接頭微觀分析

每個試件的過渡區(qū)微觀組織結(jié)構(gòu)分別見圖4。由圖4 可知，在過渡層位置，焊縫組織均為奧氏體基體，基體上方均勻分布黑色鐵素體。伴隨過渡層厚度的增加，鐵素體直徑變粗且密度增大，由蠕蟲狀轉(zhuǎn)變?yōu)楣趋罓睢?/p>

圖4 焊接接頭過渡層金相組織

鐵素體由于奧氏體基體不均勻急速冷卻產(chǎn)生，當其過程發(fā)生δ→γ 轉(zhuǎn)變時，鐵素體可以有效避免金屬成分尤其是Cr 流失區(qū)域的發(fā)生，提高試件（實際復(fù)合板）焊縫的耐晶間腐蝕性，減少溫度產(chǎn)生的焊接裂縫。若工藝控制不當，導致δ 鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相，則產(chǎn)生與上述相反的性能效果，應(yīng)進一步檢測焊接接頭耐晶間腐蝕的性能。

2.6 晶間腐蝕彎曲試驗

將六種焊接接頭置于H2SO4-CuSO4 溶液中晶間腐蝕后進行背彎試驗，檢測裂紋生成情況。結(jié)果證明所有接頭的抗晶間腐蝕性能良好，符合技術(shù)要求。由于多層多道焊接中后續(xù)道次會對前序堆焊有加熱作用，若線能量控制不當，會導致過渡層中Cr、Ni 含量降低，基層中C 原子會大量遷移至過渡層，造成晶粒粗大、鐵素體含量降低等現(xiàn)象，加大晶間腐蝕傾向。

3 總結(jié)

①24mm 厚的316L+Q345qD 不銹鋼復(fù)合板在不同過渡層厚度條件下均采用二氧化碳保護焊接方法，基層、復(fù)層以及過渡層形成的焊接接頭均滿足標準要求且力學性能良好。

②基板預(yù)留深度、焊接電流對過渡層拉伸、沖擊性能影響顯著，本工程中采用焊接電流180A，基層預(yù)留1mm，復(fù)層焊接2mm，即過渡層厚3mm 時，綜合性能表現(xiàn)優(yōu)異。

③不同過渡層厚度、焊接電流的復(fù)合板焊接接頭抗晶間腐蝕性能均符合指標要求，但鐵素體形態(tài)隨過渡層厚度增加而粗化，過渡層厚度越大的接頭處出現(xiàn)腐蝕問題的風險越高。