不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接技術研究現狀

范祎欣，吳志生，李　巖，崔　超，趙　菲

（太原科技大學， 山西　太原　030024）

行業縱橫

不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接技術研究現狀

范祎欣，吳志生，李巖，崔超，趙菲

（太原科技大學， 山西太原030024）

分析不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接的難點及遇到的問題，詳細介紹近年來針對不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接的研究現狀，包括不同的焊接方法、焊后工藝研究、焊縫力學性能及組織的研究、過渡層焊接的研究、焊縫耐蝕性的研究及未來的發展趨勢。

不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接工藝組織過渡層

隨著科學技術的發展，層狀金屬材料因兼有復層材料的耐腐蝕、耐熱及耐磨損等性能又兼有基層材料的強度和剛度得到了廣泛應用。在工業使用的層狀金屬材料中，80%為不銹鋼/碳鋼復合板，不銹鋼/碳鋼復合板是將具有高耐蝕性的不銹鋼復合在低碳或低合金鋼板上而形成的層狀材料。不銹鋼復合板與純不銹鋼板相比，可節省稀貴材料，降低成本，具有很強的價格及市場優勢，已廣泛應用于化工、電力、機械、船舶等領域[1]。若要大量使用該復合板，焊接就成了重要的連接方式，越來越受到人們的重視。

1　焊接難點及需注意的問題

在焊接不銹鋼/碳鋼復合板時，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是碳鋼的2倍，而熱導率僅為碳鋼的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，焊接接頭會產生較大的殘余應力。另外，在不銹鋼熔焊時，由于過熱碳化物被溶解，沿晶界析出鉻的碳化物會產生晶間腐蝕現象，焊接接頭也容易產生熱裂紋[2]。

表1　碳鋼與不銹鋼的物理性能

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

由于焊接層狀金屬焊接時會遇到上述問題，所以要對不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接的技術特點進行探討。

2　不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料焊接技術的研究現狀

2.1焊接方法的選擇

針對復合板的焊接，許多學者探索了多種焊接方法。朱鍇年等人針對三峽大壩排砂孔00Cr22Ni5Mo3N/Q345C的焊接質量控制進行了研究，對基層采用富氬保護實芯焊絲熔化極全自動焊，對不便自動焊的部位采用手工電弧焊，對過渡層及復層都采用焊條電弧焊，最后檢測此焊接方法可滿足使用要求，達到了三峽工程的高質量要求[4]。

于文忠等人基于手工電弧焊的局限性，對基層采用埋弧焊，對過渡層與復層都采用藥芯焊絲熔化極CO2氣體保護焊，實踐表明該焊接方法達到了使用要求[5]。

T.Kannana等人針對雙相不銹鋼復合板焊接中所面臨的工藝參數問題進行了研究。對不同的焊接工藝參數進行比較，通過完整的復制技術和數學模型進行多元回歸法發展，最后得出滿意的工藝參數[6]。

鄭延飛等人對00Crl7Nil4Mo2/Q345的焊接方法進行了改進。由于之前采用焊條電弧焊焊接時存在熔渣不易析出及生產率低等問題，因此，對過渡層及復層采用埋弧自動焊，對于過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為混合氣體保護焊，該焊接方法可提高產品質量[7]。

王文先等人針對0.1 mm+0.8 mm+0.1 mm的304/Q235的雙面超薄不銹鋼復合板進行了研究。因為總板厚僅為1 mm，所以選用了先進的脈沖激光焊，考慮到不降低復層的耐腐蝕性，填充材料選高Cr、Ni的粉體，達到了相當的抗腐蝕性。焊接完成后，觀察組織發現激光焊接良好[8]。

紀永杰為提高0Cr18Ni9Ti/Q235不銹鋼復合板焊接的生產率及焊接質量，研究開發了焊縫跟蹤系統，設計了焊接控制單元，實現了全方位焊接工作臺的控制，提高了生產率及焊接質量[9]。

總之，對于不銹鋼復合板過渡層及復層焊接中易出現淬硬傾向、冷熱裂紋、耐蝕性降低等問題，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，由于殘余應力、氫含量過高、裂紋及耐蝕性下降等原因，要對焊件進行焊后的工藝處理，一些學者進行了試驗。

姜莉等人針對14Cr1MoR/347H不銹鋼復合板焊后產生冷裂紋的問題，對焊件進行了焊前預熱及焊后熱處理。焊前預熱可有效降低熱影響區的淬硬程度，但溫度不可過高，焊接時還應控制層間溫度；焊后熱處理是為了消氫，同時也降低了殘余應力，保證了良好的組織與性能[10]。劉啟華對00Cr19Ni10/16MnR進行了焊后熱處理，但溫度不高，最后經檢驗焊件都合格[11]。為提高層狀金屬的耐蝕性，孫紅明[12]對S31603/Q345R焊后焊縫復層表面采用酸洗鈍化進行改善，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力學性能及組織的研究

復合板焊接后要保證其強度與使用要求，而焊接接頭是薄弱環節，許多學者對焊接接頭的力學性能及組織進行了分析。

文仁興針對0Cr18Ni9Ti/Q235不銹鋼復合板采用焊條電弧焊進行焊接，通過比較不同參數下的金相得出：采用合適的焊接參數與焊接方法焊接后，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不銹鋼復合板為實驗材料，基層與復層都采用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，過渡層焊后得到奧氏體加彌散分布的鐵素體組織（見圖1），對保證基體焊縫力學性能可起到關鍵作用[16]。

圖1　過渡層焊縫金屬顯微組織形貌

邱濤等人對TP304/Q235進行焊接，基層采用埋弧焊可提高效率，復層及過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。通過力學性能測試對比發現：對焊接復層采用小電流、窄道快速焊可減小熱輸入，加快接頭在450～850℃敏化溫度區間的冷速，避免因貧鉻現象而產生晶間腐蝕；焊接過渡層時要減少熔合比，保證焊縫的奧氏體組織[17]。

圖2　復合板接頭金相組織（400×）

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

圖3　過渡層焊縫金屬的XRD相結構分析曲線

Zina Dhib等人[22]將奧氏體不銹鋼316通過熱軋復合到Q235上，通過對比焊前、焊后的顯微組織與力學性能，發現焊后也能得到滿意的顯微組織與力學性能。

盡管大量文獻對焊接接頭的力學性能及組織進行了分析，也得到了一定的成果，但都是針對復合板基本的力學性能檢測，對有疲勞或其他要求的焊接接頭性能并未有深入研究。

2.4焊接過渡層的研究

復合板焊接的難點在于過渡層的焊接，應盡量使過渡層薄、減少基層與復層的擴散。

馬永對316L/Q345R的焊接過渡層進行了研究，根據基層、復層化學成分以及焊縫稀釋率，由舍夫勒組織圖（見圖4）確定過渡層焊接材料。首先在舍夫勒組織圖中找出Q345R、316L及焊條金屬的成分點并連線，再根據焊接時熔化金屬的流動量，確定過渡層的熔合比大小，但實際焊接時熔合比很難確定，所以產生馬氏體的機率很大[23]。

胡博珅對不銹鋼復合板過渡層焊接質量控制進行了研究，分析了過渡層焊接的問題，提出了解決方法。通過以下措施來解決過渡層問題：采用階梯V形坡口（見圖5）；嚴格按照焊接工藝進行焊接，對過渡層采用小電流快速焊以減小基層金屬對過渡層的稀釋，對復層亦采用較小的熱輸入；選擇Cr、Ni含量高的焊材進行焊接，以控制過渡層焊接質量，保證強度要求[24]。

圖4　舍夫勒組織圖

圖5　階梯V形坡口（未標注單位：mm）

王偉濱等人對不銹鋼復合板過渡層的焊接進行了研究。分析了過渡層產生裂紋的原因，從工藝方面對過渡層焊接進行了改進[25]。

2.5耐蝕性的研究

不銹鋼復合板焊接后一方面得保證接頭強度，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不銹鋼復合板母材、焊縫及HAZ耐點蝕性，主要通過測定其在3.5%NaCl溶液及不同濃度的醋酸溶液中的極化曲線，結果發現在不同溶液中焊縫區都具有較好的耐點蝕性能，母材次之，熱影響區最弱。這是由于焊接過程中溫度引起母材元素發生遷移導致的，主要是Cr、Ni元素[26]。

田曉軍等人在316L/15CrMoR焊接完成后，進行晶間腐蝕試驗，通過顯微組織、化學成分分析及相組成來解釋這種實驗現象。結論為復合板焊接接頭處合金元素分布不均，稀釋率較大，過渡層焊縫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，焊縫區域組織不均勻，晶粒粗大，鐵素體含量較高，很容易產生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展趨勢

雖然目前針對不銹鋼/碳鋼層狀金屬的熔焊已比較成熟，但只有通過對基層、過渡層及復層分別焊接才能保證其使用性能。因此，一些學者先對材質比較軟的層狀金屬采用攪拌摩擦焊進行連接，未來攪拌摩擦焊有望在不銹鋼/碳鋼層狀金屬材料等硬質材料中使用。張貴鋒等人對傳統攪拌摩擦焊進行了改進，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，但焊接時必須加入與母材冶金相容性好的中間層，對鋁/鋼復合板進行焊接后表明，此種焊接方法具有安全、節能、方便、界面結合好等優點[28]。

未來有望開發出針對層狀金屬材料焊接前的工藝優化及焊接時的在線監測系統。薛朝改針對鋁/銅采用攪拌摩擦焊，在焊接過程中進行人工神經網絡監測并對其進行了優化，利用神經網絡的自身特點，實現了焊接前對工藝參數進行預測并優化、焊接時實時監測的目的[29]。

3　結論

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氣體保護焊、氬弧焊、埋弧焊等；過渡層與復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，基層一般按等強原則來選擇，復層一般按等性能原則來選擇，過渡層一般選擇高Cr、Ni的焊材。

3）焊接過渡層時為減小熔合比，應采用小電流、低電壓的小規范進行焊接，焊接復層時應減小熱輸入，采用小電流多層多道快速不擺動焊法。

4）對基層可視情況進行預熱，但對復層不應預熱和緩冷，有時甚至可采用快冷，焊接時也應控制層間溫度不能過高；當層狀金屬材料需要熱處理時，應避免復層焊接接頭中析出Cr碳化物和產生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

生產實踐·應用技術

2016-05-31

范祎欣（1990—），男，太原科技大學碩士研究生在讀，研究方向為復合材料連接技術。