不銹鋼復(fù)合材料焊接工藝探討

劉海林 蘇衍福 蔡忠彪 董長樂 謝成富

摘要：由于不銹鋼復(fù)合材料以其低成本和良好的綜合性能，日益受到越來越多的關(guān)注。本文分析了不銹鋼復(fù)合材料的焊接工藝。

關(guān)鍵詞：不銹鋼;復(fù)合材料;焊接工藝

不銹鋼復(fù)合材料由一定壁厚的基層（碳鋼或合金鋼）和較薄的不銹鋼復(fù)層組成，基層用來保證力學(xué)性能，復(fù)層常用來保證對介質(zhì)的耐腐蝕性能。目前，該材料已越來越多地應(yīng)用到石油、化工等行業(yè)。此外，隨著不銹鋼復(fù)合材料尤其是復(fù)合管在工程中越來越廣泛的應(yīng)用，我國一些行業(yè)或單位在“當(dāng)條件受到限制”的情況下焊接不銹鋼復(fù)合管時，采用的工藝是：先焊接復(fù)層，再焊接過渡層和基層。過渡層選用不銹鋼焊材，而基層選用與基層材料相匹配的碳鋼焊材，即基層的焊接未選用與過渡層相同的焊接材料（這種焊接工藝形成的焊接接頭簡稱C類接頭）。目前，工程中不銹鋼復(fù)合材料的焊接，是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的兩種焊接工藝和C類接頭焊接工藝并存。

一、復(fù)合材料概述

復(fù)合材料是人們運用先進(jìn)的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。通常，復(fù)合材料需滿足以下條件：①復(fù)合材料必須是人造的，是人們根據(jù)需要設(shè)計制造的材料;②復(fù)合材料必須由兩種或兩種以上化學(xué)、物理性質(zhì)不同的材料組分，以所設(shè)計的形式、比例、分布組合而成，各組分之間有明顯的界面存在;③它具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計性，可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計;④復(fù)合材料不僅保持各組分材料性能的優(yōu)點，而且通過各組分性能的互補(bǔ)和關(guān)聯(lián)能獲得單一組成材料所不能達(dá)到的綜合性能。

二、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

GB/T13148《不銹鋼復(fù)合鋼焊接技術(shù)條件》規(guī)定：“可先焊包層，再焊過渡層，最后焊底層，但在此種情況下，底層的焊接性能不低于用于過渡層焊接的奧氏體焊條或焊絲?！笨蓪W氏體焊條或焊絲用于基層焊接，但沒有強(qiáng)制性要求應(yīng)用。NB/T47015《壓力容器焊接規(guī)程》規(guī)定：“不銹鋼復(fù)合材料焊接時，一般先焊基礎(chǔ)焊縫，再焊過渡焊縫，最后焊復(fù)層焊縫的焊接順序。不得采用碳鋼焊接材料和低合金焊接材料焊接在母材、過渡焊縫和復(fù)層焊縫上?！币?guī)范中推薦了用于基礎(chǔ)焊縫的焊接材料。

參照國外規(guī)范，BSEN1011-5《焊接金屬材料推薦規(guī)范第5部分復(fù)合鋼焊接》只要求按評定的焊接工藝先焊接底座，但未規(guī)定先焊復(fù)層時底座的焊接材料。ASME規(guī)范第Ⅷ卷-第一分篇《壓力容器建造規(guī)則》中規(guī)定：“基層材料焊縫可采用耐腐蝕合金鋼焊接，也可采用碳鋼或低合金鋼填充金屬，但其焊接工藝和焊工均按第Ⅸ卷的要求評定合格?！贝艘?guī)程中只要求基層焊接材料，未規(guī)定焊接順序。

從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的角度出發(fā)，所討論的不銹鋼復(fù)合材料焊接工藝具有可操作性。理論上，在不銹鋼復(fù)合材料焊接時，高合金鋼材料焊接低合金材料時，低合金鋼不會稀釋高合金鋼合金元素的含量而出現(xiàn)脆硬相;相反，當(dāng)用低合金材料焊接高合金材料時，高合金材料中的合金元素會向焊縫或熔合區(qū)過渡和擴(kuò)散，導(dǎo)致焊縫或熔合區(qū)中有較多的脆硬組織，從而影響接頭的整體性能。

三、焊接試驗

焊接試驗選用（18+3）mm厚的Q345R/316L不銹鋼復(fù)合板，焊接工藝為先焊復(fù)層、再焊過渡層和基層的C型接頭。過渡層采用焊接材料E309-16，基層采用碳鋼焊接材料E5015。

不銹鋼復(fù)合板Q345R/316L的化學(xué)成分見表1，焊接參數(shù)見表2。

根據(jù)NB/T47014《承壓設(shè)備焊接工藝評定》，進(jìn)行外觀檢查和無損檢測，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，檢驗結(jié)果合格。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制備的拉伸試樣在焊縫或熔合線外母材熱影響區(qū)出現(xiàn)塑性斷裂，試樣的拉伸強(qiáng)度不小于母材最小拉伸強(qiáng)度的95%，滿足NB/T47014的要求。

從焊接接頭彎曲試樣的觀察，不銹鋼側(cè)焊熔合良好，大部分碳鋼側(cè)焊熔合良好，不銹鋼和碳鋼熔合區(qū)熔合良好，所有試樣均未出現(xiàn)彎曲裂紋，但所有彎曲試樣均在碳鋼和不銹鋼的過渡區(qū)出現(xiàn)直徑5～8毫米的彎曲鼓包，是局部硬化區(qū)結(jié)構(gòu)。

彎曲至規(guī)定角度后，焊縫和拉伸表面熱影響區(qū)在任何方向均不存在大于3mm的開口缺陷，符合NB/T47014標(biāo)準(zhǔn)的要求。

按NB/T47014要求的外觀檢查、無損檢測、力學(xué)性能試驗等檢驗項目，檢驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。彎曲試驗后有明顯的硬塊，即局部硬化區(qū)，但經(jīng)磁粉檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋，即為合格。

根據(jù)NB/T47014標(biāo)準(zhǔn)，雖然C型接頭合格，但彎曲后的局部硬化區(qū)應(yīng)予以重視。

五、理論分析

舍夫勒組織圖是不銹鋼金屬化學(xué)成分和相結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系圖?？v坐標(biāo)用鎳當(dāng)量表示，鎳當(dāng)量是反映不銹鋼焊縫金屬結(jié)構(gòu)奧氏體化程度的指標(biāo)，根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)中包含的奧氏體元素和奧氏體化強(qiáng)度，將其值轉(zhuǎn)換為若干個鎳的總和。橫坐標(biāo)用鉻當(dāng)量表示，鉻當(dāng)量是反映焊縫金屬結(jié)構(gòu)鐵素體化程度的指標(biāo)，根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)中所涉及元素的鐵素體化程度，將其量值轉(zhuǎn)換為若干鉻的總和。根據(jù)焊接母材的化學(xué)成分和添加的焊接材料，可通過熔焊稀釋率計算出焊接金屬的化學(xué)成分，并分別換算成鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量，即能在組織圖中發(fā)現(xiàn)焊縫金屬組織和鐵素體含量。

六、結(jié)語

綜上所述，不銹鋼復(fù)合板是以碳鋼或高強(qiáng)度鋼為基體，不銹鋼為復(fù)合層，采用軋制、堆焊、爆炸等方法制成的雙金屬復(fù)合板。它具有不銹鋼的優(yōu)良性能，如耐用性、耐腐蝕性等，還具有碳鋼高強(qiáng)度、成本低的優(yōu)點，不銹鋼復(fù)合材料由于其具有良好的適用性和經(jīng)濟(jì)性，廣泛應(yīng)用于石油、化工、建筑、航空、航海等行業(yè)。

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