陳建平，姚 屏，黃昌文

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣東 佛山 528317；2.廣東技術(shù)師范大學(xué) 機電學(xué)院，廣東 廣州 510665；3.廣州理工學(xué)院，廣東 廣州 510540；4.廣東萬和新電氣股份有限公司，廣東 佛山 528305）

0 引言

Q345鋼是含有Mn和Si合金元素的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的機械性能和工藝性能.Q345鋼僅比低碳鋼Q235增加少量的Mn元素，但其強度可提升35%左右，是最為經(jīng)濟實用的合金結(jié)構(gòu)鋼.因其焊接性良好，且具有突出的抗大氣海水腐蝕能力，常用于壓力容器、鍋爐管道和橋梁建設(shè)等.304不銹鋼是應(yīng)用最為廣泛的一類奧氏體型不銹鋼，具有良好的防腐防銹性能和生物相容性，可用于食品級容器、醫(yī)療器械等行業(yè)，但價格稍高.以上兩種鋼材在工業(yè)生產(chǎn)中各有側(cè)重，均極為廣泛.在實際應(yīng)用中要求合理利用材料，常將不同性能的鋼材進行焊接連接以滿足不同性能的要求，實現(xiàn)成本優(yōu)化和良好的經(jīng)濟效益.

哈爾濱工業(yè)大學(xué)李洪亮[1]等人對8mm板厚的異種鋼304L和16Mn低合金鋼進行自保護藥芯焊絲水下濕法焊接，試件開設(shè)了鈍邊2mm、坡口角度60°V形坡口，采用自行開發(fā)的鎳基管狀焊絲進行單道焊，試驗具有良好的電弧穩(wěn)定性并獲得了外觀質(zhì)量良好的焊縫.西南石油大學(xué)黃本生[2]等人采用TIG焊對12mm板厚的Q345與316L對接接頭顯微組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能進行研究，試件采用坡口角度75°V形坡口，對口間隙和鈍邊2mm，分析接頭微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)有明顯的碳元素遷移現(xiàn)象，力學(xué)性能試驗表明焊縫沖擊韌性良好.重慶大學(xué)蔡建鵬[3-5]等人針對V形、X形、K形坡口10mm板厚Q345與304異種鋼對接接頭的殘余應(yīng)力和變形進行數(shù)值模擬研究和試驗驗證，焊接接頭的橫向收縮和角變形均較明顯，不同坡口在母材與焊縫交界處的應(yīng)力分布均出現(xiàn)不連續(xù)性；K形坡口焊縫交界處附近的應(yīng)力較其他兩種類型坡口明顯較小，焊接接頭變形亦較小.賀誠[6]等人針對板厚為24mm的Q345B與304L筒體結(jié)構(gòu)焊接出現(xiàn)缺陷進行分析與解決，試驗中焊縫開設(shè)坡口角度45°單V形坡口，采用手工電弧焊在焊接接頭處出現(xiàn)肉眼可見的縱向裂紋，部分裂紋貫穿整個焊縫.通過分析焊縫裂紋產(chǎn)生原因，改用非熔化極惰性氣體保護電弧焊（TIG）焊打底、手工焊條電弧焊（SMAW）或熔化極氣體保護焊（GMAW）填充蓋面、降低熱輸入等工藝措施，以實現(xiàn)焊接有效連接，防止了裂紋的產(chǎn)生.廣東技術(shù)師范大學(xué)姚屏[7]等人針對電弧聲譜圖分析電弧聲穩(wěn)定性的方法對電弧焊過程進行定量評價，對多道焊過程中評價焊縫質(zhì)量、判別是否出現(xiàn)熱裂紋等缺陷提供了更及時便利的解決方案.

由此可見，Q345合金結(jié)構(gòu)鋼與304不銹鋼的焊接作為典型異種鋼連接，國內(nèi)已經(jīng)有一定的研究，但是由于不同鋼材本身化學(xué)成分、膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等固有性能的差異，導(dǎo)致焊縫易出現(xiàn)不同程度的焊接缺陷，如裂紋、氣孔等，因此選擇合適的焊接規(guī)范具有一定的研究意義.

采用中厚板或厚板進行焊接連接，其應(yīng)用場合通常要求致密性，并可承受一定壓力.因此，可采用大的焊接熱輸入的熔焊方法來實現(xiàn)，以獲得良好的致密性接頭.本文結(jié)合企業(yè)商用熱水鍋爐進出水管路構(gòu)件焊接生產(chǎn)實際，產(chǎn)品應(yīng)用場景如圖1所示，管路要求致密且可通過1.5MPa耐壓力測試.Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼按照不同溫度下對沖擊韌性要求區(qū)分A-E質(zhì)量等級，本產(chǎn)品應(yīng)用中無須承受沖擊，牌號選用對沖擊韌性不作要求的Q345A.本文主要以30mm等厚Q345A與304不銹鋼異種鋼板的焊接工藝進行研究，通過開設(shè)不同坡口形式，優(yōu)化焊接工藝，防止焊接裂紋，以實現(xiàn)兩種中厚板材料的可靠連接，獲得可承載1.5MPa的致密焊縫.

圖1 產(chǎn)品應(yīng)用場景

1 材料的焊接性分析

1.1 中厚板焊接性

焊接過程由局部快速加熱和冷卻階段組成，使母材產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力應(yīng)變，易導(dǎo)致變形和裂紋等缺陷.Q345A鋼板通常情況下具有良好的焊接性能，但板厚較大時，在焊接應(yīng)力的作用下，易產(chǎn)生縱向裂紋，為中厚板的焊接增加難度.

中厚板焊接連接通常采用多道焊，在選擇焊接方法和焊縫填充材料時需避免夾雜.因而，可選擇熔化極惰性氣體保護焊、CO2氣體保護焊等焊接方法可避免不必要的夾雜.母材厚度增加，焊縫難以焊透，其融合難度增加，為調(diào)整焊接熱量輸入和提高焊縫接頭強度，需開設(shè)合適的坡口，調(diào)整焊縫成形系數(shù)，控制焊縫熔合比，獲得較好的焊縫成型，以保證中厚板焊接獲得良好的焊接接頭.

1.2 異種鋼焊接性

為了對比母材化學(xué)成分，Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼選擇Q345A作為試驗材料.304不銹鋼和Q345A低合金結(jié)構(gòu)鋼主要合金元素成分如表1所示，母材化學(xué)成分具有較顯著的差異.在異種材料熔焊焊縫中，焊接接頭的化學(xué)成分基本上由母材或者與填充材料三者按熔化量的比例混合而成，導(dǎo)致各化學(xué)成分的濃度被稀釋而降低.在焊后加熱過程中，因碳含量與碳活度不同，碳將從Q345A一側(cè)向304不銹鋼一側(cè)擴散遷移，與不銹鋼中的鉻結(jié)合形成碳化物，而在Q345A一側(cè)形成脫碳層，且晶粒長大，加劇形成兩側(cè)硬度差異，引起焊接接頭力學(xué)性能惡化，可導(dǎo)致焊接構(gòu)件在后續(xù)使用過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的焊接質(zhì)量問題.

表1 304不銹鋼和Q345A低合金結(jié)構(gòu)鋼合金成分表

由此可見，實現(xiàn)低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345A與304不銹鋼板的可靠連接，對焊接方法與焊接工藝提出更苛刻的要求.

在異種金屬焊接中，由于不銹鋼與低合金鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能及物理性能的差別，焊縫容易產(chǎn)生氣孔、夾渣，焊縫及近縫區(qū)易產(chǎn)生裂紋等缺陷[8].兩種材料的焊接相關(guān)物理性能參數(shù)如表2所示，常溫下的熱導(dǎo)系數(shù)相差兩倍以上，在高溫焊接條件下，熱膨脹系數(shù)仍具有顯著的差異.Q345A鋼材具有良好的焊接性能，但隨板厚增加，具有一定的冷裂紋傾向，可采取一定的預(yù)熱措施，以避免冷裂紋的產(chǎn)生.較于低合金結(jié)構(gòu)鋼，304不銹鋼材料線膨脹系數(shù)大，熱導(dǎo)率小，在焊接局部加熱和冷卻條件下，由于劇烈的熱脹冷縮，一方面導(dǎo)致突出的焊接變形，另一方面導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，進而產(chǎn)生熱裂紋.

表2 低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345A與不銹鋼304物理性能參數(shù)

1.3 焊接工藝分析

根據(jù)304不銹鋼和Q345A低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性能分析，結(jié)合焊接的經(jīng)濟性和焊件產(chǎn)品的實際應(yīng)用，焊接產(chǎn)品有密封和承壓性能方面要求，需采用易獲得密封性良好的焊縫.熔焊作為最為常見，應(yīng)用最為廣泛的焊接方法之一，其焊縫具有良好的密封性能.

本文擬采用熔焊的方法以實現(xiàn)不銹鋼與低合金結(jié)構(gòu)板的焊接對接連接，并對此進行了試驗研究.

2 試驗平臺及方法

2.1 試驗平臺

試驗采用的焊接電源是唐山松下產(chǎn)業(yè)有限公司生產(chǎn)的松下YD-500GL5電焊機，系數(shù)字IGBT控制CO2/MAG/MIG焊機，其小電流下可實現(xiàn)輕飛濺短路過渡，適合打底及大間隙焊接，也可應(yīng)用于大熔深穿透焊和厚板打底焊.送絲機構(gòu)采用松下YW-50DG管狀送絲機構(gòu)，配套采用松下YT-50CS空冷焊槍，W-201THNM氣體調(diào)節(jié)器.承擔(dān)打底焊的手工電弧焊機為北京時代科技股份有限公司生產(chǎn)的時代電焊機ZX7-400手工直流弧焊機.試驗主要裝置如圖2所示.

圖2 試驗裝置示意圖

2.2 試驗材料

試驗?zāi)覆牟捎?0mm等厚低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345A與304不銹鋼板.母材選用尺寸規(guī)格為500mm×100mm×30mm（長×寬×高）.熔化極活性氣體保護焊（MAG）采用焊絲型號ER309L，即H03Cr24Ni13Si，規(guī)格為直徑1.0mm，為哈焊所華通（常州）焊業(yè)股份有限公司制造，焊絲化學(xué)成分如表3所示，焊絲熔敷金屬化學(xué)成分及機械性能如表4所示.ER309L系超低碳型不銹鋼焊絲，在高溫環(huán)境下的強度比ER309略低，但抗晶間腐蝕性能更佳.由于增加了Si的含量，焊接操作性及熔金流動性更佳，用超低碳不銹鋼焊絲焊接對防止裂紋有利.考慮到產(chǎn)品后續(xù)需要采用熱處理，降低熔合線碳遷移過程影響，其焊接裂紋傾向較ER309小的多.SMAW打底焊采用焊條為E309L-15堿性藥皮的不銹鋼焊條，直徑為1.0mm，可進行全位置焊，熔敷金屬具有良好的抗裂性能及抗氧化性能.

表3 焊絲化學(xué)成分（%）

表4 ER309L焊絲熔敷金屬化學(xué)成分及機械性能

2.3 坡口形式

焊接母材開設(shè)坡口是為了保證根部焊透，特別是中厚板和厚板，通過開設(shè)坡口可使焊接熱源能深入接頭根部，以獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭.坡口形式的選擇主要取決于母材厚度、焊接方法和工藝要求.對接焊接常見坡口形式及其特點比較如表5所示.試驗采用的是Q345A和不銹鋼304異種鋼30mm中厚板對接，須分析試驗?zāi)覆某煞趾秃附有?，依?jù)母材30mm厚度及可承載、致密性等工藝要求設(shè)計并開設(shè)坡口.因Q345A材料熱導(dǎo)系數(shù)較304不銹鋼大，線膨脹系數(shù)接近2/3，焊接過程中散熱較快，角變形較大.若設(shè)計非對稱坡口形式，坡口應(yīng)朝向Q345材料一側(cè).坡口的合理開設(shè)可以調(diào)節(jié)焊縫成形金屬成分，控制熔合比，形成具有良好組織性能的焊接接頭，同時有利于控制焊后變形，防止裂紋等焊接缺陷.

表5 焊接對接常見坡口形式及特點

根據(jù)以上分析，為獲得可承載致密性良好的焊接接頭，控制焊接變形，防止裂紋，需有針對性地設(shè)計焊接接頭形式.母材規(guī)格及焊接接頭如圖3所示.設(shè)計焊縫坡口具體尺寸開設(shè)如圖4所示，試驗組采用非對稱K形坡口，坡口朝向Q345A一側(cè).坡口開設(shè)后可減小焊縫間隙，降低焊縫充填量.為了有利于焊縫根部焊透，同時便于焊材送入，開設(shè)45°坡口面角.打底焊主要作用為控制變形和焊縫成形質(zhì)量，坡口深度取值宜較小，便于采用較慢的焊接速度，減少打底焊的焊縫充填量，同時可以提高后續(xù)焊接蓋面效率.因此，開設(shè)坡口深入焊縫2/3板厚處.對照組采用I形坡口.

2.4 試驗方法與工藝

圖3 試驗?zāi)覆囊?guī)格及焊接接頭示意圖

圖4 母材焊縫坡口示意圖

試驗采用平焊，使用多道焊的方式進行.采用SMAW打底，再使用MAG進行蓋面.打底焊前將試件整體預(yù)熱至150℃，焊后即時用敲渣錘和鋼絲刷清理焊縫表面焊渣，清理中注意觀察焊縫是否存在裂紋.完成蓋面焊接后，檢測熔寬和余高，計算余高系數(shù)，分析焊縫外觀質(zhì)量.焊縫外觀質(zhì)量良好的試件采用超聲波（UT）進行無損探傷.

試驗材料采用Q345A低合金結(jié)構(gòu)鋼和304不銹鋼板，材料厚度均為30mm.為避免無關(guān)因數(shù)對試驗的影響，焊接坡口加工完成后，對于不銹鋼試件待焊接區(qū)20mm范圍內(nèi)，用丙酮擦拭以去除材料表面油污，再對試件進行烘干確保無水分.對于低合金鋼試件表面的待焊接區(qū)20mm范圍內(nèi)，用角向磨光機及砂紙進行拋光以去除氧化膜，直至露出金屬光澤，之后再行清洗并烘干，確保無污物無水分.

SMAW打底焊主要試驗工藝參數(shù)如表6所示，采用直流反接，直線運焊條，因?qū)φ战M焊縫坡口空間較小，采用焊條直徑為1.0mm，以保證焊接接頭根部充填.MAG蓋面焊接主要試驗工藝參數(shù)如表7所示，焊絲伸出長度為12mm，與焊接方向保持65～80°傾角.試驗組和對照組均制備3套試件，采用相同設(shè)備在相同條件下進行焊接試驗.

表6 手工電弧焊(SMAW)打底焊主要試驗工藝參數(shù)

表7 熔化極氣體保護焊（MAG）蓋面焊接主要試驗工藝參數(shù)

3 試驗結(jié)果與分析

試驗發(fā)現(xiàn)30mm等厚的低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345A與304不銹鋼采用I形坡口的對照組，通過SMAW打底焊即在焊縫中心出現(xiàn)縱向裂紋，且焊料難以順利流入根部，如圖5所示，焊縫外觀質(zhì)量較差.在試驗過程中，因產(chǎn)生裂紋無法達到產(chǎn)品使用的合格要求，未對已經(jīng)產(chǎn)生肉眼可見裂紋的對照組進行蓋面焊接.在焊接過程中，Q345A靠近焊縫一側(cè)出現(xiàn)碳遷移過渡層，熔合區(qū)化學(xué)成分不均勻，成為焊接接頭力學(xué)性能最為薄弱的區(qū)域.因加熱與冷卻過程中材料變形能力不同，304不銹鋼的變形能力大而產(chǎn)生拉應(yīng)力，Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼則產(chǎn)生壓應(yīng)力，使得產(chǎn)生的熱應(yīng)力集中導(dǎo)致熔合區(qū)在凝固過程中出現(xiàn)熱裂紋.

圖5 30mm厚Q345A與304鋼板焊接試驗（對照組）

試驗組通過采用SMAW打底，三組均未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的熱裂紋，之后采用MAG焊進行蓋面焊接.焊后，經(jīng)外觀檢測焊縫表面成型質(zhì)量良好，焊縫如圖6所示.

圖6 30mm厚Q345A與304鋼板焊接試驗（試驗組）蓋面焊縫

試驗組焊縫余高系數(shù)如表8所示，均介于4至8之間，符合合理的焊縫余高系數(shù)要求.通過余高系數(shù)的對比初步發(fā)現(xiàn)，在同等試驗條件下，熔寬增加，余高降低.

表8 試驗組余高系數(shù)表

試驗組開設(shè)K形坡口的焊接接頭較對照組提高了焊縫截面的有效厚度，焊縫中熱應(yīng)力更加均勻分散，無明顯熱裂紋產(chǎn)生.后續(xù)產(chǎn)品通過超聲波探傷（UT）檢測為II級.由此可見，選擇合理的焊接工藝可實現(xiàn)異種鋼中厚板的良好連接.

4 結(jié)論

（1）焊接接頭開設(shè)K形坡口，其坡口面角位于Q345A低合金結(jié)構(gòu)鋼一側(cè)的30mm等厚Q345A與不銹鋼304異種鋼對接焊接，焊前母材采用150℃預(yù)熱，采用SMAW進行打底焊，MAG進行蓋面，可以較好地實現(xiàn)合金結(jié)構(gòu)鋼Q345A與不銹鋼304中厚板的焊接連接.

（2）對板厚30mmQ345A與304異種鋼對接采用I形坡口焊接，產(chǎn)生肉眼可見的焊接裂紋，焊接性能差，無法完成焊接.

（3）坡口形式對中厚板Q345A與304異種鋼對接焊接成形質(zhì)量有較為重要的影響，K形坡口可作為對接焊接的備選方案，可為后續(xù)類似異種鋼對接焊工藝參數(shù)的選擇提供借鑒.