邱 濤，伍碧霞，陳群燕，陳文靜

(1.成都市工業(yè)設備安裝公司，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)學院，山東 淄博 256414；4.西華大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610039)

0 前言

不銹鋼復合鋼板是一種新型材料，它是由較薄的復層（不銹鋼）和較厚的基層（珠光體鋼）通過爆炸焊或者爆炸焊后軋制成型的雙金屬板?；鶎又饕獫M足結(jié)構(gòu)強度和剛度的要求，復層滿足耐腐蝕性的要求，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行制造。

在施工過程中需要對不銹鋼復合鋼板進行對接焊。雖然復合鋼板的優(yōu)點明顯，但焊接過程中，碳鋼材料對不銹鋼焊縫產(chǎn)生稀釋，降低了不銹鋼焊縫中鉻、鎳含量，增加了不銹鋼焊縫的含碳量，由于冷卻速度快，不銹鋼復合鋼板對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。在此對生產(chǎn)中常見的 Q235（30 mm）+TP304（5 mm）不銹鋼復合鋼板對接焊進行了焊接試驗，分析和探討Q235+TP304不銹鋼復合鋼板對接焊工藝及接頭性能，為進一步開展不銹鋼復合鋼板焊接工藝和接頭性能的研究打下了基礎。

1 焊接性分析

復層（TP304）屬于奧氏體不銹鋼，能滿足生產(chǎn)對復合鋼板耐腐蝕性的要求。焊接性較好，焊接時一般不需要采取特殊的工藝措施，但若焊接材料選擇不當或焊接工藝不正確時，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，滿足生產(chǎn)對復合鋼板強度、剛度和韌性等力學性能的要求。兩者通過爆炸焊復合在一起形成不銹鋼復合鋼板，其化學成分如表1所示。

表1 不銹鋼復合鋼板的化學成分 %

1.1 焊接熱應力

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

1.2 碳遷移

不銹鋼復合鋼板焊接過程中，碳在珠光體中的含量遠遠高于在奧氏體中的含碳量，形成一個濃度差，碳具有從α-Fe向γ-Fe中遷移的趨勢。這主要是因為：（1）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散系數(shù)要大105～106倍；（2）合金元素的影響。合金元素通過影響碳的活度系數(shù)來影響碳遷移，碳化物形成元素Cr會降低碳的活度系數(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，會向焊縫中擴散；（3）晶體結(jié)構(gòu)對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)，因此在冷卻過程中，珠光體中的碳將向奧氏體焊縫中擴散[2]。焊接時，碳由低Cr含量的基層鋼板向高Cr含量的不銹鋼復層焊縫金屬擴散遷移，在基層與復層交接的過渡層焊縫熔合區(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，不銹鋼復合鋼板焊接的關(guān)鍵是過渡層的焊接。而過渡層（基層與復層之間的焊接）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渡層時會引起較大的焊接應力和變形，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致焊接裂紋的產(chǎn)生。因此，保證過渡層具有優(yōu)良的塑性、韌性，減少焊接應力，控制并調(diào)節(jié)異種鋼接頭組織的不均勻是防止過渡層脆弱而產(chǎn)生裂紋的關(guān)鍵。

2 選擇焊接方法和材料

2.1 焊接方法

基層與復層分開焊接，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，對接接頭的基層焊接采用埋弧焊，過渡層、復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。

過渡層焊縫的目的是防止基層焊縫金屬被稀釋，復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，過渡層是確保復層焊縫化學成分達到復層母材要求的一個重要區(qū)域。對于不銹鋼復合板焊接而言，這是確保接頭質(zhì)量的一個重要方面。過渡層的目的主要是使復層焊縫的合金成分保持應有的水平[3]。因此，過渡層焊接選用的焊條中鉻、鎳含量應較高。為了保證過渡層的抗裂性和力學性能，采用鉻、鎳含量較高的A302（E309-16）焊條，焊條直徑φ3.2 mm。

復層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械性能，同時具有優(yōu)良的焊接工藝和抗氣孔性能。焊縫所用焊接材料的化學成分如表2所示。

3）項目信息化管理的運行機制有待完善。除了系統(tǒng)設計本身的問題，通過在使用系統(tǒng)進行項目申報工作中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在運行機制方面仍有完善空間。

表2 焊接材料化學成分%

3 焊接工藝

3.1 焊前準備

不銹鋼復合鋼板尺寸180 mm×310 mm×35 mm，使用機械加工的方法加工如圖1所示形式的坡口，用砂輪機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，嚴格保證定位焊的質(zhì)量，復層錯邊量控制在1 mm以內(nèi)，定位焊時焊縫的有效長度為5～30 mm。

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

3.2 焊接順序和焊接參數(shù)

不銹鋼復合鋼板常規(guī)的焊接順序是先焊基層，清根后再焊過渡層，最后焊接復層。本次試驗因為采用了熔深較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復層的影響，采用先焊接過渡層，清根后再焊接基層，最后焊接復層的方法。焊接順序和工藝參數(shù)如表3所示。

表3 Q235+TP304不銹鋼復合鋼板焊接工藝

4 焊接接頭金相分析

圖2a為TP304復層的原始組織——奧氏體，圖2b為基層Q235的原始母材組織——鐵素體+珠光體。

圖2 復合板接頭金相組織（400×）

Q235因為含碳量低，鐵素體的比例高于珠光體的比例。基層熱影響區(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，首先是珠光體開始向奧氏體轉(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，冷卻過程已開始，已冷卻的奧氏體在冷卻過程中進行相變，生成細小的鐵素體和珠光體[4]，尚未轉(zhuǎn)變的珠光體粗化。圖2c為靠近復層側(cè)金屬區(qū)域的熔合區(qū)，由于復層奧氏體不銹鋼的熱導率比較小，導致該區(qū)域在焊接熱循環(huán)過程中熱量相對集中，高溫停留時間較長，使奧氏體晶粒嚴重長大。冷卻時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)某慣習面上不斷長大，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)的焊縫金屬對前面的焊縫起到了熱處理的作用，使晶粒細化。

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由于埋弧焊熔深較大，過渡區(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層側(cè)過渡區(qū)有板條狀馬氏體形成，在隨后對基層的焊接過程中，焊接熱循環(huán)對先焊接的焊縫金屬起到了一個回火的作用，從而得到了鐵素體基體上大量彌散分布著細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、流動性差，液態(tài)停留時間短，并且受到機械攪拌作用較弱。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]。

復層不銹鋼焊縫組織如圖2i所示，在柱狀奧氏體基體上分布有骨架狀或蠕蟲狀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。過量δ存在，多層焊時易促使形成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δ→γ固態(tài)轉(zhuǎn)變形成奧氏體。由于焊接的快速冷卻過程，部分富Cr、貧Ni的δ-鐵素體晶核來不及轉(zhuǎn)變被留下來，形成所謂的骨架狀或蠕蟲狀δ-鐵素體+柱狀奧氏體雙目組織。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層不銹鋼焊縫金屬組織如圖3所示。

圖3 復層TP304不銹鋼焊縫金屬SEM照片

5 力學性能檢驗

5.1 拉伸試驗

根據(jù)GB228-2002金屬材料拉伸試驗方法進行了拉伸試驗。常溫下Q235+TP304不銹鋼復合鋼板的拉伸強度為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

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

5.3 硬度測試

對不銹鋼復合鋼板的復層焊縫、過渡區(qū)焊縫、基層焊縫區(qū)域的硬度進行了測定，依據(jù)測定的硬度值做出相應的硬度曲線，如圖4所示。

圖4 焊接接頭硬度曲線

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

6 結(jié)論

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

（2）復層焊接時，當焊接參數(shù)選擇不當時，會出現(xiàn)熱影響區(qū)組織惡化，影響焊接接頭的塑性、韌性、耐蝕性；過渡層焊接時采用小電流、稍微大點的焊接速度，盡量減少熔合比，保證焊縫的奧氏體組織；基層焊接時，在熱影響區(qū)易出現(xiàn)過熱區(qū)，須控制焊接熱輸入，減少過熱區(qū)寬度。

（3）復層的焊接應采用小電流、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)間停留的時間，以避免因貧鉻現(xiàn)象而產(chǎn)生晶間腐蝕。

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[6]陳冰泉，潘春旭，張志慧.奧氏體不銹鋼焊接接頭過渡區(qū)組織變化研究[J].武漢交通科技大學學報，1995（1）：1-5.