Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復合板焊接工藝及接頭力學性能

馮玉蘭，蔡積虎

（山西戴爾蒙德不銹鋼科技有限公司，山西晉中030622）

Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復合板焊接工藝及接頭力學性能

馮玉蘭，蔡積虎

（山西戴爾蒙德不銹鋼科技有限公司，山西晉中030622）

采用等離子弧焊（PAW）、不添加焊絲的方法對基層碳鋼進行打底焊接，再采用埋弧焊（SAW）、選用焊絲H08MnA、焊劑SJ101對碳鋼基層進行蓋面焊接；其次采用非熔化極電弧焊（TIG）、選用焊絲ER309L和ER308L分別焊接Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼板的過渡層和復合層。對復合板接頭進行力學性能測試，結果表明接頭的抗拉強度、屈服強度以及延伸率均在母材力學性能要求的范圍內，且拉伸試件的斷裂部位均在母材部位，對不銹鋼復層進行晶間腐蝕試驗，腐蝕之后焊縫表面并沒有發生腐蝕開裂；進一步說明焊接工藝的可行性，能夠滿足實際生產需要。

不銹鋼復合板；力學性能；焊接工藝

0 前言

隨著現代工業的不斷發展，金屬復合材料的應用逐漸被推廣，規模上占據很大的比例，其中不銹鋼復合板所占比例不低于80％。它是由低碳鋼或者是低合金鋼材料和不銹鋼材料通過一定的工藝結合而成[1]，其特點是同時具有兩種材料的優良性能，試驗用不銹鋼復合材料為Q245R/0Cr18Ni9，基層材料Q245R低碳鋼為管的外壁，主要滿足強度、剛度和韌性等力學性能，復合層0Cr18Ni9材料（304不銹鋼）作為鋼管的內壁，滿足耐腐蝕、耐熱、耐磨損等性能的要求。另外在制作成本上低于傳統的不銹鋼材料，因此該材料被廣泛應用于石油、化工、能源、食品等各行各業中[2]。

1 焊接材料及方法

1.1 母材

試驗材料為Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復合板，厚度為（10+3）mm，基層碳鋼Q245R的厚度為10 mm，不銹鋼304復層厚度為3 mm，板材尺寸為800 mm×

300 mm×13 mm。

1.2 焊接方法和設備

焊接方法：等離子弧焊（PAW）、埋弧焊（SAW）、鎢極氬弧焊（TIG）。

焊接設備：邊梁P+T單絲埋弧焊縫焊接系統、邊梁雙槍P+T縱環焊縫焊接系統；系統包含德國進口的等離子焊接電源PAW 522 DC-P、TIG焊接電源TETRIX 521；機械化程度為自動化。

焊接順序為先焊基層，再焊過渡層，最后焊復合層。焊接方式為多層焊，焊接位置為平焊。

1.3 填充材料的選擇

1.3.1 不銹鋼復合板的焊接性

碳鋼與不銹鋼在物理性能上有較大的差別，存在差別的原因有兩點：（1）不銹鋼的熱導率低于低合金鋼；（2）不銹鋼的線膨脹系數和電阻率比碳鋼的大得多。從宏觀角度分析，以上兩點差別使得的焊接過渡層時會產生較大的焊接應力和變形，這一現象在低溫時仍然存在；另外，焊縫與母材交界處熔合區的組織存在不均勻性，很容易產生焊接裂紋[3-9]。從微觀的角度分析焊接過程，在熱量的作用下，基層碳鋼中的C會向復層的不銹鋼擴散，隨著時間的推移，擴散累積使得在接頭處出現增、脫碳層，進而產生馬氏體組織，馬氏體組織本身較硬，是焊接接頭最敏感的組織[10-11]。由于線膨脹系數的不同，在焊后冷卻收縮時，必然在焊接接頭處產生殘余應力；而焊接過程中焊縫金屬的稀釋對復合材料的焊接性能起重要作用，熔合比越小，稀釋率越低，焊接性越好。

1.3.2 焊材的選用

為了解決上述問題，采用鎳基填充材料，其作用有：（1）Ni塑、韌性好，可以釋放應力，解決應力過渡。（2）減小兩種材料的熱膨脹系數，界面差度小，進而界面應力小；主要是因為鎳基材料能夠阻止C向奧氏體擴散，降低晶間腐蝕傾向，減小馬氏體帶的寬度，而且鎳基材料的熱膨脹系數介于奧氏體與珠光體（鐵素體）鋼之間，從而緩解因溫度變化引起的熱應力[12-14]。

基層Q245R采用等離子弧焊（PAW）與埋弧焊（SAW）進行焊接，采用等離子弧焊焊接時不進行填絲，埋弧焊焊接選用填充材料藥芯焊絲H08MnA，直徑為3.2 mm，燒結型焊劑SJ101；過渡層采用非熔化極電弧焊（TIG）焊接，選用填充材料焊絲ER309L，直徑1.0 mm，復層同樣采用非熔化極電弧焊（TIG）進行焊接，選用填充材料焊絲ER308L，直徑1.2mm。試驗母材的化學成分如表1所示，填充材料的化學成分如表2所示。

表1 試驗母材的化學成分Tab.1Chemical compositions of base metals ％

表2 填充材料的化學成分Tab.2Chemical compositions of filler metals ％

2 坡口設計

坡口設計可以根據選用母材的厚度、焊接方法等工藝條件選用標準坡口，也可以自行設計。對于不銹鋼復合材料，其坡口形式的設計應保證在焊接過渡層時焊縫稀釋率較低[15]，本試驗設計的坡口形式如圖1所示，在加工時以復層（不銹鋼層）為基準面，坡口設計依據如下。

圖1 焊接坡口示意Fig.1Schematic of welded joint

（1）復層厚度3 mm，坡口開口深度4 mm，使基層和復層完全分開，從而保證低的稀釋率和過渡層的焊接質量，既保證了復層的耐腐蝕性，又保證了基層強度等力學性能。

（2）基層碳鋼側設計斜角可以防止焊縫夾渣和未熔合缺陷。

3 焊接技術要求

（1）每道焊接前應先用丙酮或不銹鋼絲輪清理焊縫坡口及兩側各50 mm范圍內的油污、鐵銹、氧化皮等。

（2）使用等離子（PAW）打底，從管子外側也就是碳鋼側用PAW穿透，達到單面焊雙面成型效果；用埋弧焊（SAW）焊接碳鋼層，焊接過程分多層填滿焊縫，焊縫余高不大于1.5 mm。

（3）使用等離子（PAW）將碳鋼進行穿透后，必須進行清根處理（用砂輪機或鋼絲刷對焊道進行打磨清理），必要時再用丙酮擦拭焊道表面，使覆層焊縫表面與覆層表面平整，方可進行下一道焊接。

（4）使用埋弧焊（SAW）進行焊接，焊前必須烘干焊劑，烘干溫度250℃～300℃，烘干時間約2 h。在焊接過程中未熔化的埋弧焊焊劑可以回收再使用，在重新使用之前，應清除舊焊劑中的熔渣、雜質及粉塵，并加入不少于50％的新焊劑均勻混合。

（5）嚴格控制焊縫層間溫度不大于150℃。

（6）焊接過渡層及不銹鋼層宜采用小線能量多道焊接，即小電流快速焊，保證小的熱輸入量，防止焊縫組織晶粒粗大，導致焊縫的強度、韌性、延伸率等力學性能下降。

（7）過渡層焊縫金屬在基層處的厚度控制在1.5～2.5 mm，在覆層處的厚度為0.5～1.5 mm，焊接過程中注意保護覆層的表面，防止焊接飛濺物等損傷覆層表面。

（8）焊接人員：①參加復合板焊接試驗的焊工應認真領會焊接工藝要求，總結試焊經驗，參加并主導產品焊接，做到人員固定、參數固定，及時解決發現的問題；②在有該工藝經驗焊工的實際操作和指導下進行焊接，提高責任心和質量意識。

4 焊接參數和焊縫表面成形

不同的焊接方法，其焊接參數也不同。本次試驗涉及的焊接參數主要包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度、送絲速度、離子氣、保護氣等。過渡層的焊接對于復合材料來說是整個焊接過程的關鍵因素。經過焊接大量試板，同時進行理化試驗，得到較為理想的焊接質量的工藝參數見表3。

表3 焊接工藝參數Tab.3Welding parameters

復合板焊縫如圖2所示，焊縫表面平整，焊道平直，外觀上沒有出現夾渣、氣孔等現象，焊縫成形美觀。

5 力學性能測試及分析

5.1 拉伸、彎曲試驗測試

采用鋼研納克檢測技術有限公司生產的拉伸壓縮機進行試驗，根據標準NB/T 47016-2011《承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗》將焊縫加工成有關規定的試樣尺寸，進行側彎、拉伸試驗，試樣的測試條件是：加載速率5 mm/min，加載載荷10 kN，測試結果如表4所示。

由表4可知，屈服強度333 MPa高于母材要求的最低屈服強度245MPa，抗拉強度492MPa高于母材要求的最低值428 MPa，延伸率32％大于母材要求的最低值25％，焊接接頭的力學性能都滿足實際工程要求的最小值，焊接質量良好。焊縫側彎、拉伸試樣如圖3、圖4所示。由圖3可知，焊縫表面光滑整潔，基層碳鋼與復層不銹鋼復合的分界線清晰可見，過渡層在碳鋼層側的深度約為1.5 mm，焊接狀

態非常理想，而且表面沒有裂紋出現。由圖4可知，拉伸斷裂的位置發生在離熔合線較遠的母材處，焊縫性能較好，說明焊接工藝的合理性。

圖2 復合板焊縫Fig.2Composite plate welding seam

圖3 焊縫彎曲試樣Fig.3Weld bend sample

圖4 焊縫拉伸試樣Fig.4Weld tensile sample

表4 Q245/0Cr18Ni9焊接接頭力學性能Tab.4Mechanical properties of Q245/0Cr18Ni9 welded joint

5.2 耐腐蝕性能測試

晶間腐蝕是金屬材料在特定介質中發生沿晶界開裂的現象，尤其對于不銹鋼來說，如果焊接過程不當或者后期的熱處理不當很容易發生晶間腐蝕。對于不銹鋼晶間腐蝕的測試方法有多種，常用的是化學浸蝕法、電化學法。執行標準有GB/T4334.5-2000、ASTM A262、JISGO 571-0575。焊縫試樣尺寸80 mm×40 mm×2.5 mm。

本次試驗采用化學浸蝕法，主要用硫酸-硫酸銅溶液進行腐蝕，執行標準GB/T4334.5-2008。溶液配比方案：將100 g符合GB/T 665的分析純硫酸銅（CuSO4·5H2O）溶解于700 ml蒸餾水或去氯離子水中，再加入100 ml符合GB/T 625的優級純硫酸，用蒸餾水或去氯離子水稀釋至1 000 ml，配制成硫酸-硫酸銅溶液作為本次試驗的腐蝕液。試驗裝置如圖5所示，試驗所執行標準GB/T4334-2008方法E中化學浸蝕法的試驗溶液、試驗條件及評價指標如表5所示。

圖5 晶間腐蝕試驗裝置Fig.5Test Device for inter-granular corrosion

表5 晶間腐蝕測試方法及參數Tab.5Test method and parameters of inter-granular corrosion test

針對復合板的復層即不銹鋼層進行晶間腐蝕試驗，在硫酸銅溶液中煮沸16 h后的試樣如圖6所示，分別是進行晶間腐蝕試驗后進行180°的彎曲試驗和僅僅經過晶間腐蝕后的圖片。由圖6可知，

無論有沒有進行彎曲，在焊縫表面都沒有出現裂紋，說明焊接工藝合理。

圖6 不銹鋼晶間腐蝕試驗Fig.6Stainless steel inter-granular corrosion test

6 結論

闡述了Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復合板的焊接性，并通過多次試驗確定其焊接工藝，包括焊接接頭的坡口形式、焊接參數、焊接方法以及選用焊接材料的種類，在焊接之后對其焊接接頭進行力學性能和晶間腐蝕等理化試驗測試，得出結論：

科學合理的焊接坡口形式為前提，采用等離子弧焊（PAW）、埋弧焊（SAW）及非熔化極電弧焊（TIG），選用焊絲H08MnA、ER309L和ER308L，焊劑SJ101焊接Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復合板材，其拉伸、彎曲性能及其抗晶間腐蝕能力都達到要求，進一步說明該焊接工藝的可行性，滿足實際生產需要。

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Welding technology of Q245R/0Cr18Ni9 stainless steel composite plate and mechanical properties of welded joint

FENG Yulan，CAI Jihu
（Shanxi DMD Science and Technology Company，Jinzhong 030622，China）

The claddingmetal and transition region ofQ245R/0Cr18Ni9 stainless steel composite plate are welded bytungsten inert gas arc welding（TIG）withER309LandER308Lweldingwire；thebaselayerisweldedbyplasmaarcwelding（PAW）andbysubmergedarcautomatic SAW with H08MnA welding wire and SJ101 Welding Flux.Results of mechanical properties test showed that the tensile strength，yield strength and elongation of welded joints were in the range of the mechanical properties of the base metal，and all the tensile samples broke at the position of base material.The cladding metal of composite plate was carried out on the intergranular corrosion test，and the weld surface did not have corrosion cracking，which was announced that the mechanical properties of welded joint was better and the welding technologywas feasible，thus these twokinds ofwelded joint could meet the practical requirements ofengineeringstructure．

stainless steel composite plate；mechanical properties；welding technology

TG457.11

A

1001－2303（2016）09－0068-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.16

2015-12-30；

2016-04-10

馮玉蘭（1991—），女，山西大同人，碩士，主要從事不銹鋼及不銹鋼復合板焊接工藝的研究工作。