不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀

范祎欣，吳志生，李　巖，崔　超，趙　菲

（太原科技大學(xué)， 山西　太原　030024）

行業(yè)縱橫

不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀

范祎欣，吳志生，李巖，崔超，趙菲

（太原科技大學(xué)， 山西太原030024）

分析不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接的難點(diǎn)及遇到的問(wèn)題，詳細(xì)介紹近年來(lái)針對(duì)不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接的研究現(xiàn)狀，包括不同的焊接方法、焊后工藝研究、焊縫力學(xué)性能及組織的研究、過(guò)渡層焊接的研究、焊縫耐蝕性的研究及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接工藝組織過(guò)渡層

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，層狀金屬材料因兼有復(fù)層材料的耐腐蝕、耐熱及耐磨損等性能又兼有基層材料的強(qiáng)度和剛度得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)使用的層狀金屬材料中，80%為不銹鋼/碳鋼復(fù)合板，不銹鋼/碳鋼復(fù)合板是將具有高耐蝕性的不銹鋼復(fù)合在低碳或低合金鋼板上而形成的層狀材料。不銹鋼復(fù)合板與純不銹鋼板相比，可節(jié)省稀貴材料，降低成本，具有很強(qiáng)的價(jià)格及市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于化工、電力、機(jī)械、船舶等領(lǐng)域[1]。若要大量使用該復(fù)合板，焊接就成了重要的連接方式，越來(lái)越受到人們的重視。

1　焊接難點(diǎn)及需注意的問(wèn)題

在焊接不銹鋼/碳鋼復(fù)合板時(shí)，不銹鋼、碳鋼的物理性能差異是最主要的考慮因素，還要考慮不銹鋼、碳鋼的焊接性。從表1中可見，不銹鋼的線膨脹系數(shù)是碳鋼的2倍，而熱導(dǎo)率僅為碳鋼的1/3左右。碳鋼是所有鋼材中焊接性能最好的金屬焊接材料，不銹鋼通常也比較容易焊接，但由于其自身特點(diǎn)，焊接接頭會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。另外，在不銹鋼熔焊時(shí)，由于過(guò)熱碳化物被溶解，沿晶界析出鉻的碳化物會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象，焊接接頭也容易產(chǎn)生熱裂紋[2]。

表1　碳鋼與不銹鋼的物理性能

不銹鋼復(fù)合板是由兩種不同性質(zhì)的鋼板復(fù)合而成，保證其強(qiáng)度的是基層，保證其耐腐蝕性的是復(fù)層，為了焊接工藝的需要才增加了過(guò)渡層。因此，在焊接時(shí)要注意以下問(wèn)題：焊接基層時(shí)要避免因Cr、Ni等合金含量的升高使基層焊縫中產(chǎn)生硬脆組織引起裂紋而影響焊后強(qiáng)度；焊接復(fù)層時(shí)要避免因增碳而降低其耐蝕性，需采用特殊的焊接工藝[3]；最主要的是過(guò)渡層的焊接，過(guò)渡層的焊接質(zhì)量的高低直接影響著基層與復(fù)層的性能，因此，焊接過(guò)渡層時(shí)要嚴(yán)格控制冷速，適當(dāng)控制熔合比。

由于焊接層狀金屬焊接時(shí)會(huì)遇到上述問(wèn)題，所以要對(duì)不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行探討。

2　不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1焊接方法的選擇

針對(duì)復(fù)合板的焊接，許多學(xué)者探索了多種焊接方法。朱鍇年等人針對(duì)三峽大壩排砂孔00Cr22Ni5Mo3N/Q345C的焊接質(zhì)量控制進(jìn)行了研究，對(duì)基層采用富氬保護(hù)實(shí)芯焊絲熔化極全自動(dòng)焊，對(duì)不便自動(dòng)焊的部位采用手工電弧焊，對(duì)過(guò)渡層及復(fù)層都采用焊條電弧焊，最后檢測(cè)此焊接方法可滿足使用要求，達(dá)到了三峽工程的高質(zhì)量要求[4]。

于文忠等人基于手工電弧焊的局限性，對(duì)基層采用埋弧焊，對(duì)過(guò)渡層與復(fù)層都采用藥芯焊絲熔化極CO2氣體保護(hù)焊，實(shí)踐表明該焊接方法達(dá)到了使用要求[5]。

T.Kannana等人針對(duì)雙相不銹鋼復(fù)合板焊接中所面臨的工藝參數(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究。對(duì)不同的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行比較，通過(guò)完整的復(fù)制技術(shù)和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多元回歸法發(fā)展，最后得出滿意的工藝參數(shù)[6]。

鄭延飛等人對(duì)00Crl7Nil4Mo2/Q345的焊接方法進(jìn)行了改進(jìn)。由于之前采用焊條電弧焊焊接時(shí)存在熔渣不易析出及生產(chǎn)率低等問(wèn)題，因此，對(duì)過(guò)渡層及復(fù)層采用埋弧自動(dòng)焊，對(duì)于過(guò)渡層焊絲選擇具有奧氏體和鐵素體雙相組織的不銹鋼焊絲，將打底焊接方法改進(jìn)為混合氣體保護(hù)焊，該焊接方法可提高產(chǎn)品質(zhì)量[7]。

王文先等人針對(duì)0.1 mm+0.8 mm+0.1 mm的304/Q235的雙面超薄不銹鋼復(fù)合板進(jìn)行了研究。因?yàn)榭偘搴駜H為1 mm，所以選用了先進(jìn)的脈沖激光焊，考慮到不降低復(fù)層的耐腐蝕性，填充材料選高Cr、Ni的粉體，達(dá)到了相當(dāng)?shù)目垢g性。焊接完成后，觀察組織發(fā)現(xiàn)激光焊接良好[8]。

紀(jì)永杰為提高0Cr18Ni9Ti/Q235不銹鋼復(fù)合板焊接的生產(chǎn)率及焊接質(zhì)量，研究開發(fā)了焊縫跟蹤系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了焊接控制單元，實(shí)現(xiàn)了全方位焊接工作臺(tái)的控制，提高了生產(chǎn)率及焊接質(zhì)量[9]。

總之，對(duì)于不銹鋼復(fù)合板過(guò)渡層及復(fù)層焊接中易出現(xiàn)淬硬傾向、冷熱裂紋、耐蝕性降低等問(wèn)題，從焊接材料、焊接方法等方面入手，采用合理的焊接工藝，取得了滿意的焊接效果。

2.2焊后的工藝研究

焊接完成后，由于殘余應(yīng)力、氫含量過(guò)高、裂紋及耐蝕性下降等原因，要對(duì)焊件進(jìn)行焊后的工藝處理，一些學(xué)者進(jìn)行了試驗(yàn)。

姜莉等人針對(duì)14Cr1MoR/347H不銹鋼復(fù)合板焊后產(chǎn)生冷裂紋的問(wèn)題，對(duì)焊件進(jìn)行了焊前預(yù)熱及焊后熱處理。焊前預(yù)熱可有效降低熱影響區(qū)的淬硬程度，但溫度不可過(guò)高，焊接時(shí)還應(yīng)控制層間溫度；焊后熱處理是為了消氫，同時(shí)也降低了殘余應(yīng)力，保證了良好的組織與性能[10]。劉啟華對(duì)00Cr19Ni10/16MnR進(jìn)行了焊后熱處理，但溫度不高，最后經(jīng)檢驗(yàn)焊件都合格[11]。為提高層狀金屬的耐蝕性，孫紅明[12]對(duì)S31603/Q345R焊后焊縫復(fù)層表面采用酸洗鈍化進(jìn)行改善，張智[13]也采用了此種方法，但因酸洗鈍化有殘留及滲氫的不利影響，吳立斌等人提出了利用拋丸（玻璃珠）的方法改善耐蝕性，得到了良好效果[14]。

2.3力學(xué)性能及組織的研究

復(fù)合板焊接后要保證其強(qiáng)度與使用要求，而焊接接頭是薄弱環(huán)節(jié)，許多學(xué)者對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能及組織進(jìn)行了分析。

文仁興針對(duì)0Cr18Ni9Ti/Q235不銹鋼復(fù)合板采用焊條電弧焊進(jìn)行焊接，通過(guò)比較不同參數(shù)下的金相得出：采用合適的焊接參數(shù)與焊接方法焊接后，碳鋼焊接接頭常溫組織為鐵素體與珠光體，不銹鋼焊接接頭組織為奧氏體+沿柱狀分布的鐵素體[15]。

王文先以1Cr18Ni9Ti/Q235不銹鋼復(fù)合板為實(shí)驗(yàn)材料，基層與復(fù)層都采用TIG焊，但都選用不同的焊絲焊接，焊接完成后觀察金相得出采用TIG焊，選用高Cr、Ni的焊絲，過(guò)渡層焊后得到奧氏體加彌散分布的鐵素體組織（見圖1），對(duì)保證基體焊縫力學(xué)性能可起到關(guān)鍵作用[16]。

圖1　過(guò)渡層焊縫金屬顯微組織形貌

邱濤等人對(duì)TP304/Q235進(jìn)行焊接，基層采用埋弧焊可提高效率，復(fù)層及過(guò)渡層采用焊條電弧焊，觀察焊縫各部位的金相組織，如圖2所示。通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn)：對(duì)焊接復(fù)層采用小電流、窄道快速焊可減小熱輸入，加快接頭在450～850℃敏化溫度區(qū)間的冷速，避免因貧鉻現(xiàn)象而產(chǎn)生晶間腐蝕；焊接過(guò)渡層時(shí)要減少熔合比，保證焊縫的奧氏體組織[17]。

圖2　復(fù)合板接頭金相組織（400×）

陳忱等人在SA516Gr70/304L焊接完成后測(cè)試了焊接接頭的拉伸強(qiáng)度、顯微硬度，并觀察其金相組織和拉伸斷口。測(cè)試表明接頭強(qiáng)度滿足了工程結(jié)構(gòu)的使用要求。觀察組織表明過(guò)渡層焊縫組織為鐵素體分布在奧氏體基體上。對(duì)過(guò)渡層焊縫金屬進(jìn)行XRD分析（見圖3），結(jié)果發(fā)現(xiàn)接頭焊縫中主要含有γ相和少量的α相，并未發(fā)現(xiàn)焊縫金屬中有M23C6等有害相的析出[18]。黃本生等人[19]對(duì)316L/X65、董桂萍[20]對(duì)SAF2205/16MnR、廖慧敏等人[21]對(duì)310S/Q235都進(jìn)行了相似的實(shí)驗(yàn)方案，檢測(cè)其微觀組織及力學(xué)性能，得到了同樣的結(jié)論。

圖3　過(guò)渡層焊縫金屬的XRD相結(jié)構(gòu)分析曲線

Zina Dhib等人[22]將奧氏體不銹鋼316通過(guò)熱軋復(fù)合到Q235上，通過(guò)對(duì)比焊前、焊后的顯微組織與力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)焊后也能得到滿意的顯微組織與力學(xué)性能。

盡管大量文獻(xiàn)對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能及組織進(jìn)行了分析，也得到了一定的成果，但都是針對(duì)復(fù)合板基本的力學(xué)性能檢測(cè)，對(duì)有疲勞或其他要求的焊接接頭性能并未有深入研究。

2.4焊接過(guò)渡層的研究

復(fù)合板焊接的難點(diǎn)在于過(guò)渡層的焊接，應(yīng)盡量使過(guò)渡層薄、減少基層與復(fù)層的擴(kuò)散。

馬永對(duì)316L/Q345R的焊接過(guò)渡層進(jìn)行了研究，根據(jù)基層、復(fù)層化學(xué)成分以及焊縫稀釋率，由舍夫勒組織圖（見圖4）確定過(guò)渡層焊接材料。首先在舍夫勒組織圖中找出Q345R、316L及焊條金屬的成分點(diǎn)并連線，再根據(jù)焊接時(shí)熔化金屬的流動(dòng)量，確定過(guò)渡層的熔合比大小，但實(shí)際焊接時(shí)熔合比很難確定，所以產(chǎn)生馬氏體的機(jī)率很大[23]。

胡博珅對(duì)不銹鋼復(fù)合板過(guò)渡層焊接質(zhì)量控制進(jìn)行了研究，分析了過(guò)渡層焊接的問(wèn)題，提出了解決方法。通過(guò)以下措施來(lái)解決過(guò)渡層問(wèn)題：采用階梯V形坡口（見圖5）；嚴(yán)格按照焊接工藝進(jìn)行焊接，對(duì)過(guò)渡層采用小電流快速焊以減小基層金屬對(duì)過(guò)渡層的稀釋，對(duì)復(fù)層亦采用較小的熱輸入；選擇Cr、Ni含量高的焊材進(jìn)行焊接，以控制過(guò)渡層焊接質(zhì)量，保證強(qiáng)度要求[24]。

圖4　舍夫勒組織圖

圖5　階梯V形坡口（未標(biāo)注單位：mm）

王偉濱等人對(duì)不銹鋼復(fù)合板過(guò)渡層的焊接進(jìn)行了研究。分析了過(guò)渡層產(chǎn)生裂紋的原因，從工藝方面對(duì)過(guò)渡層焊接進(jìn)行了改進(jìn)[25]。

2.5耐蝕性的研究

不銹鋼復(fù)合板焊接后一方面得保證接頭強(qiáng)度，另一方面也得保證其使用性能，即耐腐蝕性，這才可以稱得上是好的焊接接頭。

貢志林研究了304/Q195不銹鋼復(fù)合板母材、焊縫及HAZ耐點(diǎn)蝕性，主要通過(guò)測(cè)定其在3.5%NaCl溶液及不同濃度的醋酸溶液中的極化曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不同溶液中焊縫區(qū)都具有較好的耐點(diǎn)蝕性能，母材次之，熱影響區(qū)最弱。這是由于焊接過(guò)程中溫度引起母材元素發(fā)生遷移導(dǎo)致的，主要是Cr、Ni元素[26]。

田曉軍等人在316L/15CrMoR焊接完成后，進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，通過(guò)顯微組織、化學(xué)成分分析及相組成來(lái)解釋這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。結(jié)論為復(fù)合板焊接接頭處合金元素分布不均，稀釋率較大，過(guò)渡層焊縫Cr、Ni含量低，由于滲碳作用使碳的含量上升，晶間腐蝕敏感性增大，焊縫區(qū)域組織不均勻，晶粒粗大，鐵素體含量較高，很容易產(chǎn)生σ等硬脆相，σ等脆硬相又與基體形成微電池，加速基體的腐蝕[27]。

2.6不銹鋼/碳鋼層狀金屬焊接發(fā)展趨勢(shì)

雖然目前針對(duì)不銹鋼/碳鋼層狀金屬的熔焊已比較成熟，但只有通過(guò)對(duì)基層、過(guò)渡層及復(fù)層分別焊接才能保證其使用性能。因此，一些學(xué)者先對(duì)材質(zhì)比較軟的層狀金屬采用攪拌摩擦焊進(jìn)行連接，未來(lái)攪拌摩擦焊有望在不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料等硬質(zhì)材料中使用。張貴鋒等人對(duì)傳統(tǒng)攪拌摩擦焊進(jìn)行了改進(jìn)，提出了攪拌摩擦釬焊，這種焊接方法不與鋼材接觸，可避免攪拌針的磨損，但焊接時(shí)必須加入與母材冶金相容性好的中間層，對(duì)鋁/鋼復(fù)合板進(jìn)行焊接后表明，此種焊接方法具有安全、節(jié)能、方便、界面結(jié)合好等優(yōu)點(diǎn)[28]。

未來(lái)有望開發(fā)出針對(duì)層狀金屬材料焊接前的工藝優(yōu)化及焊接時(shí)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。薛朝改針對(duì)鋁/銅采用攪拌摩擦焊，在焊接過(guò)程中進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自身特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了焊接前對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)并優(yōu)化、焊接時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的[29]。

3　結(jié)論

1）不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料的基層焊接性好，一般方法都可以采用，如焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、氬弧焊、埋弧焊等；過(guò)渡層與復(fù)層的焊接多采用焊條電弧焊，也可用氬弧焊，減小熔合比。

2）在焊接材料選擇上，基層一般按等強(qiáng)原則來(lái)選擇，復(fù)層一般按等性能原則來(lái)選擇，過(guò)渡層一般選擇高Cr、Ni的焊材。

3）焊接過(guò)渡層時(shí)為減小熔合比，應(yīng)采用小電流、低電壓的小規(guī)范進(jìn)行焊接，焊接復(fù)層時(shí)應(yīng)減小熱輸入，采用小電流多層多道快速不擺動(dòng)焊法。

4）對(duì)基層可視情況進(jìn)行預(yù)熱，但對(duì)復(fù)層不應(yīng)預(yù)熱和緩冷，有時(shí)甚至可采用快冷，焊接時(shí)也應(yīng)控制層間溫度不能過(guò)高；當(dāng)層狀金屬材料需要熱處理時(shí)，應(yīng)避免復(fù)層焊接接頭中析出Cr碳化物和產(chǎn)生σ相。

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（編輯：胡玉香）

Study on Status of Welding of Stainless Steel Clad Plate

FAN Yixin，WU Zhisheng，LI Yan，CUI Chao，ZHAO Fei
（Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi 030024）

This paper analyzes the welding difficulties and encountered problems during the welding，and introduces in detail in recent years for stainless steel/carbon steel layer metal material welding research status，including different welding methods，craft research after welding，mechanical properties and microstructure of weld seam，transition layer welding research，weld corrosion resistance research and welding methods development trend in the future.

stainless steel/carbon steel laminated metal materials，welding，craft，microstructure，transition layer

TG142

A

1672-1152（2016）04-0053-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.18

生產(chǎn)實(shí)踐·應(yīng)用技術(shù)

2016-05-31

范祎欣（1990—），男，太原科技大學(xué)碩士研究生在讀，研究方向?yàn)閺?fù)合材料連接技術(shù)。