不銹鋼復合板螺柱焊焊接接頭性能分析

金建炳，李　敏，劉　純，田保生，程曉英（山東鮑德金屬復合板有限公司，山東濟南500；山鋼股份濟南分公司，山東濟南500）

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不銹鋼復合板螺柱焊焊接接頭性能分析

金建炳1，李敏2，劉純1，田保生1，程曉英1
（1山東鮑德金屬復合板有限公司，山東濟南250101；2山鋼股份濟南分公司，山東濟南250101）

摘要：對覆層厚度3 mm，基層厚度10 mm的316L+Q235B不銹鋼復合板使用不同焊接電流（1 300 A、1 680 A、2 000 A、2 200 A）進行螺柱焊焊接試驗，對焊接接頭的組織性能進行分析。結果表明，焊接接頭冷彎性能良好，隨著焊接電流的增大，接頭抗拉強度增強，焊縫中氣孔、未熔合等缺陷減少，但耐腐蝕性呈下降趨勢。綜合考慮，焊接電流以1 680 A為宜。

關鍵詞：不銹鋼復合板；螺柱焊；剪力釘；焊接接頭；力學性能；金相組織

1　前　言

不銹鋼復合板由碳鋼基層與不銹鋼覆層結合而成，碳鋼和不銹鋼形成牢固的冶金結合，可以進行熱壓、冷彎、切割、焊接等各種加工，有良好的工藝性能，目前已作為不銹鋼的替代品應用于許多行業。螺柱焊技術在橋梁建造上被廣泛應用，通過螺柱焊將剪力釘焊接在橋面上，用于“鉚固”橋面上的混凝土層，使混凝土層與鋼結構橋面形成整體［1］。普通橋梁鋼板在雨雪、融雪劑的侵蝕下容易發生腐蝕，從而影響整個橋梁的使用壽命。目前國內開始使用不銹鋼復合板制作鐵路橋梁道碴槽，因國內沒有在不銹鋼復合板上進行螺柱焊焊接的相關經驗，受中鐵大橋局橋梁專家的委托，山東鮑德金屬復合板有限公司對不銹鋼復合板螺柱焊焊接接頭的性能進行試驗分析，以期為不銹鋼復合板用于橋梁建造提供技術依據。

2　試驗材料與方法

本次剪力釘焊接試驗主要目的是驗證其與金屬復合板覆層結合的相關性能，與基層基本無關，試驗用不銹鋼復合板材質為316L+Q235B，覆層厚度3 mm，基層厚度10 mm。試驗用剪力釘材質為ML15，規格為M22 mm×250 mm。電焊機為RSN-2500D電弧螺柱焊機，正極性接法，陶瓷環保護。

由于不銹鋼與碳鋼金屬的電磁性、線膨脹系數、熱導率不一樣［2］，為了最終獲得耐腐蝕性和力學性能優良的不銹鋼復合板焊接接頭，分別采用不同的焊接工藝參數進行試驗。焊接電流分別為：1 300 A（No.1，預計熔化量2 mm）；1 680 A（No.2，預計熔化量2 mm）；2 000 A（No.3，預計熔化量3 mm）；2 200 A（No.4，預計熔化量3 mm）。焊接時間均為1.5 s。

依據TB 10212—2009《鐵路鋼橋制造規范附錄D》和和GB/T 10433—2002《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘附錄A》的相關要求，對剪力釘與不銹鋼復合板形成的焊接接頭進行如下試驗：彎曲試驗，考核標準為“用錘打擊剪力釘，使剪力釘彎曲至30°時，其焊縫和熱影響區沒有肉眼可見的裂紋”；拉伸試驗，考核標準為Rm≥400 MPa，繼續增大載荷直至拉斷，斷裂不應發生在焊縫和熱影響區。采用光學顯微鏡對焊接接頭進行金相組織觀察，采用電子掃描顯微鏡和能譜儀對焊接接頭的化學成分進行分析。

3　試驗結果與分析

3.1彎曲試驗

M22剪力釘彎曲試驗進行3組。在剪力釘被錘擊到30°時，除No.1組中1個試樣在不銹鋼與剪力釘的熔合線位置出現裂紋外，其他各組在剪力釘根部及焊縫位置均未發現缺陷，評定合格。評定合格的試樣在繼續將剪力釘錘擊到60°、90°時，錘擊試樣也均未發現缺陷，說明M22剪力釘焊接接頭彎曲性能良好。

3.2拉伸試驗

拉伸試驗結果見表1。No.1組拉伸試樣斷裂位置均在焊縫，斷口呈脆斷形貌。No.2組～No.4組所有拉伸試樣斷裂位置也均在焊縫處，但表現為覆層不銹鋼部分韌性撕裂形貌，在復合板覆層位置有撕裂坑，撕裂位置不屬于基層與覆層的結合界面。拉伸結果按照標準（GB/T 10433—2002）要求均不合格，但在拉伸過程中沒有發現覆層與基層開裂的情況，可以說明復合板界面結合強度大于焊接接頭強度。

3.3焊接接頭宏觀形貌

焊接接頭的宏觀形貌見圖1。

No.1組試樣剪力釘中間（引弧點）存在直徑約1 mm的孔洞，其他部位也存在少量未融合區（圖1a）。初步分析與剪力釘的引弧點構造有關，該引弧點是用鋁制小釘鑲嵌在預留孔的剪力釘上，而此次的焊接能量不足以把預留孔熔化，因此產生孔洞。其他3組試樣隨著焊接電流的增加，接頭均未發現氣孔，但在剪力釘和不銹鋼熔合線周圍也有少量未熔合。通過對焊接接頭宏觀形貌的觀察發現，No.1組，原始覆層不銹鋼沒有完全熔化，試板基層與覆層間的原始結合面保持直線；No.2組，試板基層與覆層間的原始結合面保持直線（圖1b）；No.3組，基層與覆層間的原始結合面已經形成了下彎狀態（圖1c）；No.4組，雖然基層與覆層間的原始結合面出現了嚴重的下彎，但剪力釘和基層也沒有直接熔接，中間還有類不銹鋼焊縫。另外在剪力釘出現焊偏的情況下，焊接電流1 680 A時試板基覆層原始結合面也出現了下彎。

表1　不銹鋼復合板螺柱焊接頭拉伸試驗結果

圖1　不銹鋼復合板螺柱焊接頭宏觀形貌

3.4焊接接頭耐腐蝕試驗

采用4%的硝酸酒精溶液對焊接接頭進行腐蝕，所有組別的焊縫兩側的剪力釘及基層的顏色變成灰色（發生腐蝕，圖1c），而覆層及焊縫位置依然保持光亮的金屬色澤（未發生腐蝕）。采用王水對焊接接頭進行腐蝕，剪力釘、焊縫金屬、基層、覆層都已變色，其中剪力釘、基層顏色較重并失去金屬光澤（圖1b），焊縫金屬也變色，但相對較輕且部分地方依然保持金屬光澤，覆層輕微變色但基本保持金屬光澤。

通過上述情況分析，焊接接頭中焊縫金屬為覆層不銹鋼與剪力釘熔化后的混合金屬，較剪力釘和基層有一定耐蝕性，但耐蝕性較覆層不銹鋼差。

3.5金相分析

焊接接頭界面組織形貌如圖2所示，焊接電流在1 300 A（No.1）時，在剪力釘側熔合線附近，已出現貝氏體和類馬氏體混合組織（圖2a）；焊接電流為1 680 A（No.2）時，不銹鋼和碳鋼的結合面沒有發生變化（圖2b）；而焊接電流為2 000 A（No.3）時，不銹鋼和碳鋼的原始結合面已發生了變化，甚至在碳鋼側也發生了局部相變（圖2c）。

圖2　不銹鋼復合板螺柱焊接頭界面組織形貌

圖3為用王水腐蝕后No.2組接頭界面的金相組織。不銹鋼、碳鋼金屬混合區即焊縫金屬組織存在少量奧氏體、馬氏體等組織，晶粒粗大，成分不均勻，是拉伸試驗中容易發生斷裂的位置。

圖3　No.2組接頭王水腐蝕后界面的組織形貌

3.6化學成分分析

采用電子掃描顯微鏡和能譜儀對焊接接頭的化學成分進行分析，分析結果如圖4所示。通過對焊接試樣的剪力釘、焊接接頭、覆層成分的能譜分析，C、Cr、Ni、Mo等主要合金元素在焊縫的分布不穩定，總體趨勢是隨著距剪力釘熔合線的距離越遠，熔合區中C含量越少，而Cr、Ni、Mo等有助于提高材料耐蝕性的元素含量越高。通過圖4a和圖4b的對比還可以看出，當焊接電流增大時，金屬間的流動和混合程度加大，使得熔合區中Fe的含量增大，Cr、Ni、Mo等元素的含量減少，最終導致焊縫部位耐腐蝕性降低。

圖4　不銹鋼復合板螺柱焊接頭成分

3.7試驗結果綜合分析

在螺柱焊接過程中，由于不銹鋼和碳鋼熱物理性能及電磁性能的差異，使母材兩側熔池邊緣液態金屬的溫度有所不同，加上螺柱焊焊接時間很短，導致熔池金屬的流動性變差，所受的機械攪拌作用和電磁攪拌作用也相對較弱，因此熔池邊緣熔化的金屬不能與熔化的填充金屬充分混合，化學成分不均勻，各類碳化物、氧化物的凝固形成了過渡層，即圖3b中的焊縫金屬。同時，由于焊縫金屬的稀釋作用，導致熔合線附近形成Cr、Ni濃度梯度，當焊縫金屬中的奧氏體形成元素的含量降低時，焊縫熔合區內的奧氏體形成元素不足，從而形成不穩定的奧氏體；在剪力釘側因為焊接應力的作用，在熔合線周圍形成類馬氏體組織（馬氏體、貝氏體和碳化物等組成類馬氏體），該組織硬而脆，造成焊接接頭的抗拉強度下降。而隨著過渡區的下移，Cr、Ni濃度提高，逐步趨于奧氏體組織，直到完全接近于原始不銹鋼，這從圖3組織也進一步得到了驗證。

試驗結果表明，不銹鋼復合板可實現螺柱焊接，但其檢驗強度是否合格不能依據單一材料（同種材料焊接）所要求的合格標準驗收，因為其形成的焊接接頭為異種鋼焊接，成分及組織較為復雜，且拉伸強度主要受力點集中在焊縫及覆層與基層的結合界面上，結合強度一般低于單一母材的強度。因此當拉伸強度大于結合強度時，會造成覆層與基層的脫落，而國標（GB/T 8165—2005）對結合強度的要求為≮210 MPa，明顯低于GB/T 10433—2002標準中＞400 MPa的強度要求。

4　結論

4.1本試驗用不同焊接電流焊接時，不銹鋼復合板螺柱焊焊接接頭的彎曲性能良好。隨著焊接電流的增大，接頭的抗拉強度逐漸增加，但抗拉強度值始終低于相關標準要求，斷裂位置均在焊縫處。

4.2隨著焊接電流的增大，焊縫中氣孔、未熔合等缺陷減少；焊縫的耐蝕性能高于螺柱和碳鋼基材，低于原不銹鋼覆層。

4.3C、Cr、Ni、Mo等主要合金元素在焊縫中的分布不穩定，距熔合線的距離越遠，熔合區中C含量越少，而Cr、Ni、Mo等有助于提高材料耐蝕性的元素含量越高。當焊接電流增大時，熔合區中Fe含量增大，Cr、Ni、Mo含量減少，導致焊縫部位耐蝕性降低。4.4剪力釘與不銹鋼復合板焊接和普通鋼板焊接工藝參數不同，除按相關要求做好焊接工藝評定外，還需要對焊接接頭進行宏觀剖分，以原不銹鋼復合板結合面沒有發生變形，保持直線為最佳。本試驗條件下，焊接電流以1 680 A（No.2）為宜。焊接人員的操作水平影響焊縫質量，尤其是對焊縫的耐腐蝕能力影響較大；在焊接時嚴禁出現焊偏。如出現焊偏，需要對焊接接頭位置用高牌號的不銹鋼焊材進行補焊。

參考文獻：

［1］梁成信，陳長禮.螺柱焊技術在橋梁上的應用［J］.焊接技術，1997（6）：10.

［2］陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002：1 170.

Analysis of Welding Joint of Stainless Steel Clad Plate Stud Welding

JIN Jianbing1, LI Min2, LIU Chun1, TIAN Baosheng1, CHENG Xiaoying1
（1 Shandong Baode Metal Clad Plate Co., Ltd., Jinan 250101, China; 2 The Technology Center of Jinan Company of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Jinan 250101, China）

Abstrraacctt:: For the 316L+Q235B stainless steel clad plate with 3 mm cladding thickness and 10 mm stainless steel base thickness，the different welding current (1 300 A, 1 680 A, 2 000 A and 2 200 A) was used to test stud welding. The microstructure and properties of welded joints of conduct were analyzed. The results showed that welded joints has good cold bending properties, joint tensile strength was increased with increasing welding current, the defects of weld porosity and poor fusion were decreased, but the corrosion resistance showed decreased trend. Taken together, the welding current of 1 680 A is appropriate.

Key worrddss:: stainless steel clad plate; stud welding; shear stud; weld joint; mechanical property; microstructure

試驗研究

作者簡介：金建炳，男，1981年生，2004年畢業于佳木斯大學材料成型及控制專業。現為山東鮑德金屬復合板有限公司工程師，從事金屬復合板產品開發及其焊接工藝研究工作。

收稿日期：2015-05-20

中圖分類號：TG453.3

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4620（2015）06-0043-03