大厚度復合鋼板過渡層焊接工藝與組織性能研究（上）

河北省安裝工程公司 （石家莊 050011） 賀廣利 于春芬 付書賓

河北工業(yè)大學 （天津 300132） 鄭振太

1.概述

近年來隨著國內(nèi)化工和冶金項目的增多，雙金屬復合鋼板以其投資成本低而得到廣泛應用，但復合鋼板的焊接質(zhì)量一直是困擾制作單位的一個難題，尤其是大厚度復合鋼板由于焊接層數(shù)多、焊接應力大、易出缺陷、焊縫返修困難等原因，直接影響到制作成本和制作工期。

我公司通過對復合容器制作中出現(xiàn)的焊接質(zhì)量問題的分析和試驗發(fā)現(xiàn)，復合鋼板焊接缺陷出現(xiàn)的部位大多集中在過渡層，而不同的焊接工藝對過渡層金屬組織的影響非常大，進而影響到產(chǎn)品質(zhì)量，因此我們決定對大厚度雙金屬復合鋼焊接進行研究，從根本上找出復合鋼板過渡層組織性能與焊接工藝的關系，以便在制作過程中對產(chǎn)生缺陷的主要原因加以控制。

2.焊接性分析

為保證復合鋼板不因焊接而失去原有優(yōu)良的綜合性能，通常都是分別對基層和復層焊接，即把復合板接頭的焊接分為：基層焊接、復層焊接和基層與復層交界處過渡層的焊接三個部分。基層Q345R是壓力容器常用鋼材，一般用以滿足復合鋼板對強度、剛度和韌性等力學性能的要求，其焊接性良好，焊接時一般不需采取特殊工藝措施。但當厚度≥30mm或剛性較大的焊件在焊接時需進行預熱；復層06Crl9Ni10屬奧氏體不銹鋼，一般用以滿足復合鋼板對耐蝕性的要求，與其他類型的不銹鋼相比，較易焊接，在任何溫度下都不發(fā)生相變，對氫脆不敏感，主要問題是焊接熱裂紋、碳化物析出敏化等，焊接時要控制好熱輸入和道間溫度。由于基層、復層及焊縫金屬的線膨脹系數(shù)相差較大，易于因溫度應力而引起裂紋；另外，基層和復層的含碳量和合金成分方面，也存在著較大差異，焊接時容易產(chǎn)生合金元素的稀釋，碳遷移等一系列問題，因此在焊接時，既要滿足基層焊接結(jié)構(gòu)強度，又要使較薄的復層滿足耐腐蝕性能要求；對于基層要避免Cr、Ni等合金元素含量增高，因Cr、Ni含量增高，基層焊縫中會形成硬脆組織，故容易產(chǎn)生裂紋，影響焊縫強度；對于復層要避免增碳，因復層增碳會大大降低其耐腐蝕性。過渡區(qū)的焊接性主要決定于基層Q345R和復層06Cr19Ni10的物理化學性能、接頭形式和填充金屬等。表1是基層和復層母材化學成分。

表1 母材的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

Q345R的室溫組織為珠光體加鐵素體，常溫焊接條件下一般不會出現(xiàn)脆硬組織，但在低溫下或在大剛度、大厚度結(jié)構(gòu)上用小規(guī)范短焊縫焊接時會出現(xiàn)馬氏體組織；06Cr19Ni10不銹鋼的金相組織為奧氏體，用A102焊條焊接組織為奧氏體加少量鐵素體，Q345R和06Cr19Ni10異種鋼焊接時，焊縫組織與選用的焊材和焊接時的熔合比有極大關系，選用Cr-Ni含量為25－13型的焊材，在控制好熔合比的情況下會得到正常的奧氏體加鐵素體組織，但如果控制不好熔合比，Cr、Ni被過度稀釋后，焊縫會出現(xiàn)脆硬馬氏體組織。

3.焊接方案的確定

（1）焊接順序 不銹鋼復合鋼板焊接時一般采用先焊基層焊縫，然后焊過渡層焊縫，最后焊復層焊縫。

（2）焊接方法 基層厚度比較大，選擇埋弧焊；復層厚度比較薄，采用焊條電弧焊或氣體保護焊。過渡層厚度一般為2～4mm，包括復層0.5～1.5mm，基層1.5～2.5mm，采用焊條電弧焊、半自動熔化極混合氣體保護焊、手工鎢極氬弧焊均可，對容器制作采用手工鎢極氬弧焊效率太低，實際操作中不適用。如果采用埋弧焊，會因埋弧焊熔深大，過多的熔化基層焊縫而形成鉻、鎳成分很高的合金鋼焊縫，引起開裂。因此過渡層決定采用焊條電弧焊或半自動熔化極混合氣體保護焊。

（3）焊接材料 基層Q345R采用H10Mn2埋弧焊焊絲和HJ431焊劑；復層06Cr19Ni10采用焊條電弧焊，A102焊條，半自動熔化極混合氣體保護焊采用97.5%的氬氣和2.5%的 CO2氣體，H06Cr21Ni10Si焊絲；過渡層考慮到基層焊縫和基層母材金屬的稀釋作用，選用25－13型焊接材料。焊條電弧焊采用A302焊條，半自動熔化極混合氣體保護焊采用97.5%的氬氣和2.5%的 CO2氣體，H022Cr24Ni13Si焊絲。

（4）坡口形式 板厚比較大，適宜選擇不對稱X形坡口。鈍邊、間隙根據(jù)具體焊接方法確定。

（5）焊接參數(shù) 在焊接順序、焊接方法、焊接材料和坡口形式都確定的情況下，過渡層形成與焊接參數(shù)有很大關系。本文敘述的重點，就是尋找過渡層焊接時焊縫不出現(xiàn)馬氏體組織，過渡層化學成分能保證復層焊縫接近復層母材化學成分的焊接參數(shù)。即通過焊接參數(shù)控制過渡層焊接時的熔合比，從而控制過渡層的焊縫組織和化學成分。首先對于焊條電弧焊最重要的焊接參數(shù)是焊條直徑和焊接電流，其次是電弧電壓和焊接速度。在保持電弧電壓和焊接速度不發(fā)生大的變化情況下，分別采用了φ3.2mm和φ4mm焊條焊接，旨在對比在保證焊接質(zhì)量的前提下，尋找高效率焊接。對于半自動熔化極混合氣體保護焊，最重要的是焊接電流、電弧電壓和焊接速度，在保證焊接電流和電弧電壓最佳狀態(tài)下，大幅度提高焊接速度，從而提高焊接效率。

4.工藝試驗

（1）母材準備 母材為Q345R+06Cr19Ni10，規(guī)格為500mm×250mm×（28+4）mm；基層焊絲為H10Mn2、φ4mm，焊劑為 HJ431；基層焊條為J506、φ4mm。過渡層焊絲為H022Cr24Ni13Si、φ1.2mm，過渡層焊條為A302、φ3.2mm、φ4mm；復層焊絲為H06Cr21Ni10Si、φ1.2mm，復層焊條為A102、φ4mm。

（2）焊接工藝擬定 第一，采用不對稱X形坡口，基層鈍邊大小和基層坡口深度如圖1所示。

圖1 坡口形式

第二，復合鋼板下料用等離子弧切割，切割時復層朝上，從復層側(cè)開始切割，并留出二次加工余量，避免將切割的熔渣濺落在復層表面上。

坡口采用機械方法加工，并用焊縫檢測尺檢測坡口的角度、鈍邊是否符合焊接工藝要求，如圖2所示。

圖2 坡口檢驗示意