不銹鋼復(fù)合板焊接技術(shù)研究

吳飛虎 張鵬飛

1.九江理工職業(yè)學(xué)院 江西 九江 332000；

2.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江西 九江 332000

1 研究背景

不銹鋼復(fù)合金屬板材屬于金屬層狀復(fù)合板材料的一種，目前應(yīng)用極為廣泛。其具有低合金鋼、不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用與家具用材、船舶制造、電力設(shè)備、石油化工、建筑鋼構(gòu)、交通型材等領(lǐng)域。不銹鋼復(fù)合板材鉻含量約為10%，價(jià)格優(yōu)勢明顯，且提升了材料的基礎(chǔ)性能，節(jié)約了鉻、鎳等稀缺金屬的使用，環(huán)保耐用。不銹鋼復(fù)合板材多為2種以上金屬材料復(fù)合而成，材料力學(xué)性能顯著提升，耐腐蝕性、耐熱性、結(jié)構(gòu)性能較好。不銹鋼復(fù)合板材焊接技術(shù)近些年發(fā)展迅猛，其焊接成型技術(shù)也推動(dòng)了復(fù)合金屬板材技術(shù)的不斷提升[1]。

2 不銹鋼復(fù)合板材焊接技術(shù)研究

圖1 不銹鋼焊縫接頭

不銹鋼復(fù)合板材因不同金屬材質(zhì)的物理性能存在差異，而且基層焊縫、過渡層焊縫、覆層焊縫等焊縫材料的力學(xué)和熱學(xué)性能也存在差異，在此類板材焊接時(shí)需要充分考慮。尤其是奧氏體不銹鋼線和普通碳鋼的熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)等參數(shù)需要計(jì)算分析，避免焊接完成后產(chǎn)生殘余應(yīng)力、變形，焊接裂紋等焊接缺陷。另外，還需要考慮特殊產(chǎn)品焊接制造過程的低熔點(diǎn)共晶體、熱應(yīng)力、晶粒粗大、交界層脆性帶的物理作用造成的焊接過渡層沿晶界產(chǎn)生的縱向裂紋，焊接前應(yīng)進(jìn)行有效預(yù)熱，以及選取合適的焊絲規(guī)格，調(diào)整好焊接速度等焊接工藝。再有，焊接過程應(yīng)充分研究分析焊材中的Cr、Ni等金屬含量，避免焊接時(shí)因熱循環(huán)作用產(chǎn)生Cr、Ni等金屬元素的擴(kuò)散不均，一般需保持Cr元素含量為17%～17.5%，有利于減少鐵素體等Cr碳化物生成，同時(shí)還需要盡量避免基層焊縫的碳元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入過渡層，減少脆硬相現(xiàn)象、貧鉻區(qū)域及硬度為480 HV類馬氏體組織生成，從而增強(qiáng)復(fù)合材料焊接覆層焊縫的耐腐蝕性能。

焊接過程，基層焊縫中應(yīng)不產(chǎn)生硬脆組織造成焊接裂紋，從而影響板材焊縫的物理強(qiáng)度。焊接復(fù)層時(shí)，應(yīng)盡力減少碳化合物增加，從而降低板材的耐蝕性；過渡層焊接時(shí)，需要采用一定的焊接工藝，避免降低基層和復(fù)層基礎(chǔ)型材的熱學(xué)和力學(xué)性能，焊接過渡層時(shí)需加強(qiáng)預(yù)熱，合理控制好冷速、熔合比及焊絲的選型[2]。

3 焊接技術(shù)研究

3.1 焊接工藝方法

對于不銹鋼復(fù)合板材焊接工藝技術(shù)研究，國內(nèi)文獻(xiàn)較多，技術(shù)比較成熟。有的研究人員采用自動(dòng)焊+電弧焊工藝技術(shù)，選擇富氫保護(hù)實(shí)心焊絲熔化極自動(dòng)電弧焊接和過渡層、覆層焊縫電弧焊等工藝滿足焊接質(zhì)量和工程性能要求，有的采用基層焊縫埋弧焊+過渡層、覆層焊縫藥芯焊絲熔化極二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊等工藝解決了普通電弧焊的焊接缺陷問題。總之，復(fù)合不銹鋼板基層多采用焊條電弧焊和埋弧焊工藝；過渡層焊縫多采用鎢極氫弧焊（TIG）集中焊接工藝，覆層金屬多采用激光焊、復(fù)合能源焊接、熔化極惰性氣體保護(hù)焊及以上焊接工藝組合焊接等[3]。

3.2 焊接坡口

不銹鋼復(fù)合材料焊接坡口受焊縫、熱影響區(qū)、材料成分及微觀組織特性因素影響，容易產(chǎn)生元素?cái)U(kuò)散、金屬熔合性、焊接冶金反應(yīng)及焊接性，造成焊接接頭出現(xiàn)氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，因而促使焊接質(zhì)量不過關(guān)，未焊透、易老化變形、應(yīng)力應(yīng)變偏大等質(zhì)量問題。所以焊接坡口選擇時(shí)，需要充分考慮金屬填充的含量、板材厚度、金屬材料結(jié)構(gòu)等因素。坡口尺寸設(shè)計(jì)及加工主要依據(jù) 9692-4:2003《焊接和相關(guān)工藝、坡口準(zhǔn)備、復(fù)合鋼板》和GB/T 13148-2008《不銹鋼復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。基層厚度選擇0.5～1.5mm，過渡層厚度選擇2～3.5mm，過渡層金屬須超過基層2～2.5mm。不銹鋼焊接坡口形式如圖2所示。

圖2 不銹鋼焊接坡口形式

3.3 焊接材料

焊接材料的基層作用主要起到強(qiáng)度支撐，確保復(fù)合板焊接的產(chǎn)品硬度及強(qiáng)度要求，避免力學(xué)性能的失效。在基層焊接材料選擇上，需要充分考慮金屬板與焊材的硬度相近匹配的原則。焊接覆層作用在于提升不銹鋼焊后的熱強(qiáng)度和耐蝕性，焊接材料選擇時(shí)應(yīng)充分考慮鎳、鈷、碳等元素稀釋問題，一般選擇焊材中Cr、Ni等金屬含量略大于母材為宜。過渡層可以根據(jù)板材使用特點(diǎn)，采取特殊焊接工藝，因此，焊材同覆層焊接材料選擇相近，也可以選擇Cr、Ni等金屬含量較高的焊接材料，以減少晶析現(xiàn)象的發(fā)生[4]。

4 不銹鋼復(fù)合板材焊接技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著計(jì)算機(jī)及電子監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展以及金屬材料技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，不銹鋼復(fù)合材料焊接技術(shù)會(huì)越來越成熟。尤其是新型激光納米焊接技術(shù)、超冷焊接技術(shù)等應(yīng)用，焊接更加節(jié)能環(huán)保，安全高效。另外對于層狀金屬材料焊接前工藝優(yōu)化技術(shù)，預(yù)熱處理技術(shù)以及焊接過程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可以很好地對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行分析預(yù)判，優(yōu)化組合，并及時(shí)調(diào)整焊接流程及工藝，并通過焊接后的各種性能監(jiān)測和技術(shù)修復(fù)，確保了復(fù)合金屬材料焊接的質(zhì)量和品質(zhì)要求[5]。

5 結(jié)束語

不銹鋼等金屬層狀復(fù)合材料強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)，韌性豐富、力學(xué)和熱學(xué)性能穩(wěn)定，目前被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、重大裝備制造業(yè)、鐵路運(yùn)輸、醫(yī)療器械、家具建材、石油工程、海洋工程、電力裝備等領(lǐng)域。因此分析不銹鋼等金屬層狀復(fù)合材料材料性能、焊接工藝特點(diǎn)、焊接材料研究等，且焊接工藝方法研究具有較大的實(shí)際工程應(yīng)用意義。