Q345R/316L復(fù)合板單面焊接工藝及其接頭性能

（首鋼技術(shù)研究院，北京100043）

0 前言

復(fù)合鋼板能充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)點(diǎn)，既有復(fù)層材料良好的耐蝕性，又有基層材料的高強(qiáng)度和韌性，同時(shí)其加工適應(yīng)性及可焊性較好。復(fù)合鋼板通常都是由一種價(jià)格相對(duì)便宜的材料組成，在市場(chǎng)上往往被誤解為用便宜的材料代替貴的材料，隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，使用材料的理解越來越深入，人們更加認(rèn)識(shí)到復(fù)合鋼板比單一材料更優(yōu)質(zhì)[1-2]。

復(fù)合鋼板在大型結(jié)構(gòu)件、壓力容器及管道等應(yīng)用時(shí)必然會(huì)涉及到材料的焊接[3-5]。一般采用先焊接基層，然后焊接過渡層，最后焊接復(fù)層的原則，這種焊接順序有利于復(fù)層的散熱，防止層間溫度過高，也利于控制復(fù)層蓋面焊縫的成分，保證復(fù)層焊縫的耐蝕性能。前期對(duì)13+3 mm Q345R+316L復(fù)合板進(jìn)行了雙面焊接工藝研究[6]。然而，由于焊接操作受空間或流程限制，復(fù)合鋼板的使用還會(huì)涉及到先焊接復(fù)層材料的單面焊接工藝，如復(fù)層在內(nèi)側(cè)的小直徑復(fù)合管的焊接，只能采用先焊復(fù)層，后焊基層的順序。復(fù)合板的這種單面焊接不利于復(fù)層的散熱，且存在復(fù)層元素成分熔入碳鋼基層焊縫的問題，不利于接頭的力學(xué)性能。

為了保證復(fù)合鋼板單面焊接獲得的接頭強(qiáng)度和耐蝕性滿足使用要求，必須制定合理的焊接工藝。在此采用13+3 mm厚的Q345R+316L不銹鋼復(fù)合板，對(duì)其進(jìn)行單面焊接工藝及接頭性能的研究。

1 試驗(yàn)

復(fù)合鋼板焊接試板選用首鋼首秦公司生產(chǎn)的13+3 mm厚的Q345R碳鋼+316L不銹鋼的熱軋復(fù)合板，復(fù)合板的生產(chǎn)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T8165-2008《不銹鋼復(fù)合鋼板和鋼帶》，Q345R碳鋼和316L不銹鋼的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 復(fù)合板Q345R碳鋼和316L不銹鋼的主要化學(xué)成分%

焊接坡口形式與采用的焊接方法、設(shè)備自動(dòng)化程度有較大關(guān)系。焊條電弧焊通常采用V型坡口，其對(duì)坡口組對(duì)要求不高，但是焊接填充量大、焊接效率較低。復(fù)合板焊接試板尺寸為400 mm×200 mm×16 mm，坡口形式為V型，如圖1所示。焊接試驗(yàn)的根焊打底焊接采用氬弧焊，由于先焊不銹鋼，根焊時(shí)涉及單面焊雙面成型問題，考慮到不銹鋼焊縫的背面保護(hù)，焊接時(shí)檢測(cè)背面保護(hù)氣的氧氣含量，然后采用焊條電弧焊進(jìn)行過渡層的焊接及碳鋼的填充焊接。焊接接頭示意如圖2所示。

圖1 單面焊接試板坡口形式及尺寸

圖2 單面焊坡口形式及焊道示意

由圖2和表2可知：（1）焊道1采用氬弧焊實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，焊材選擇與復(fù)層成分相同的S316L氬弧焊絲，如果復(fù)層厚度小于3 mm，氬弧焊時(shí)應(yīng)考慮基層的熔入，選用高一個(gè)等級(jí)的不銹鋼焊材。（2）過渡層焊接為了避免基層碳鋼焊材對(duì)復(fù)層合金元素的稀釋，應(yīng)采用高一級(jí)別匹配的模式，焊道2位于不銹鋼復(fù)層與碳鋼基層的交接位置，因此采用異種鋼焊接焊材，選用小直徑的S309L焊條。（3）基層焊材應(yīng)與基層等強(qiáng)度匹配，采用E5015-G焊條，考慮到焊道3會(huì)熔入焊道2的不銹鋼焊縫，因此采用直徑3.2mm的焊條。（4）焊道 4－1～6－2 主要從焊接效率方面考慮，采用直徑4.0 mm的碳鋼焊條可適當(dāng)提高焊接熱輸入。

焊接后檢測(cè)獲得的焊接接頭的力學(xué)性能，包括焊接接頭的硬度試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、基層側(cè)沖擊試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 基層側(cè)焊接接頭金相組織

焊接后觀察接頭碳鋼側(cè)的各個(gè)區(qū)域的金相組織，接頭宏觀照片如圖3所示，接頭母材區(qū)、粗晶區(qū)和焊縫區(qū)的金相組織如圖4所示。

表2 焊接工藝及所用焊材的熔敷金屬主要化學(xué)成分

圖3 復(fù)合板焊接接頭宏觀照片

由圖3可知，焊接接頭沒有出現(xiàn)未熔合、夾渣或裂紋等焊接缺陷，該焊接方案的焊接工藝性良好。由圖4可知，復(fù)合板基層Q345R母材區(qū)為典型的鐵素體加珠光體組織（見圖4a）。基層碳鋼側(cè)接頭的粗晶區(qū)晶粒經(jīng)過焊接熱循環(huán)，晶粒尺寸明顯長大，是需要關(guān)注的位置之一，由于碳鋼的碳當(dāng)量較低，粗晶區(qū)組織為低碳貝氏體（見圖4b）。另外，碳鋼焊縫會(huì)受到不銹鋼焊縫熔入影響及后焊道熱影響，是該接頭需要關(guān)注的另一個(gè)區(qū)域。由第一層碳鋼焊縫到第四層焊道（見圖4c～4f），組織有明顯變化，第一層和第二層碳鋼焊縫主要為低碳馬氏體組織，第三層和第四層為針狀鐵素體+少量先共析鐵素體組織。

圖4 復(fù)合板焊接接頭碳鋼側(cè)焊縫區(qū)金相組織

2.2 復(fù)層側(cè)焊接接頭金相組織

觀察接頭復(fù)層側(cè)的母材區(qū)和焊縫區(qū)組織如圖5所示。

圖5 復(fù)合板焊接接頭不銹鋼側(cè)焊縫區(qū)金相組織

由圖5可知，復(fù)層316L為典型的具有孿晶的奧氏體不銹鋼組織。焊道1獲得了典型的奧氏體+少量鐵素體的不銹鋼鑄態(tài)組織；焊道2雖然受到基層碳鋼的熔入稀釋影響，但因選用S309L不銹鋼焊材，焊道依然獲得了奧氏體+少量鐵素體的組織。

2.3 焊接接頭力學(xué)性能

2.3.1 接頭焊縫區(qū)硬度及化學(xué)成分變化

檢測(cè)接頭焊縫區(qū)不同位置的硬度及主要化學(xué)成分，接頭各個(gè)焊道的硬度及焊道中Cr和Ni元素的變化如圖6所示。

圖6 接頭焊道硬度及Cr和Ni元素變化

由圖6可知，不銹鋼的根焊層和過渡層的硬度都較低，約200 HV10；碳鋼第一層由于熔入不銹鋼成分，焊道硬度急劇升高，為407 HV10；碳鋼第二層的硬度相對(duì)第一層明顯下降，低于350 HV10；碳鋼第三層及第四層的硬度繼續(xù)降低，第四層降至約230 HV10。此外，基材Q345R硬度為167 HV10，復(fù)層不銹鋼316L硬度為183 HV10。碳鋼焊縫中熔入了不銹鋼焊縫成分，隨著層數(shù)的增加，碳鋼焊道的Cr和Ni元素逐漸降低，到第三層碳鋼焊道的Ni元素已經(jīng)較少，直至第四層焊道基本沒有Cr、Ni元素。

根據(jù)硬度及化學(xué)成分結(jié)果可知，焊道的硬度受化學(xué)成分變化影響。第一層碳鋼焊道較高的硬度會(huì)成為整個(gè)接頭性能的惡劣區(qū)域，隨著不銹鋼焊縫的稀釋影響減弱，第四層焊道的硬度為該焊材正常的焊縫硬度。

2.3.3 接頭拉伸、沖擊和彎曲性能

復(fù)合板焊接接頭的拉伸和沖擊性能力學(xué)性能如表3所示，彎曲試樣如圖7所示。

由表3可知，接頭的全厚度及基層的拉伸性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接接頭焊縫區(qū)、熔合線及熱影響區(qū)的沖擊值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖7可知，焊接接頭未出現(xiàn)裂紋，接頭彎曲性能合格。但是從焊縫區(qū)的沖擊值可以看到，由于不銹鋼焊縫對(duì)碳鋼焊縫的熔入影響，該位置的沖擊值富裕量很小，處于臨界值。

表3 焊條R317的化學(xué)成分

圖7 焊接接頭彎曲試樣

2.4 焊接接頭復(fù)層焊縫腐蝕性能

舍夫勒焊縫組織圖及Creq和Nieq計(jì)算公式如圖8所示。舍夫勒焊縫組織圖把室溫組織與Creq和Nieq所表示的焊縫成分聯(lián)系起來，通過計(jì)算焊縫區(qū)Creq及Nieq可確定焊縫金屬室溫組織。焊縫的Creq為19.66，Nieq為11.04，焊縫室溫組織中存在約10%的鐵素體相，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以判斷焊縫具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕性能。

圖8 舍夫勒焊縫組織圖及Creq和Nieq計(jì)算公式

3 結(jié)論

（1）13+3 mm厚度的Q345R+316L復(fù)合板采用先焊不銹鋼，然后過渡層，最后填充焊接碳鋼的工藝，可以獲得成形良好的復(fù)合板單面焊焊接接頭。

（2）采用的焊接工藝獲得的焊接接頭力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且復(fù)層焊縫具有良好的耐晶間腐蝕性能。

（3）該單面焊接工藝下，接頭碳鋼第一層焊縫受不銹鋼焊縫熔入的影響，硬度急劇升高，碳鋼焊縫的硬度及成分焊接到第四層時(shí)才能避免不銹鋼焊縫的熔入影響。

（4）由于該接頭碳鋼側(cè)焊縫區(qū)的沖擊值富裕量較小，因此復(fù)合板碳鋼層的厚度大于等于13 mm時(shí)可以考慮采用該焊接工藝，當(dāng)碳鋼層厚度小于13mm時(shí)，該方案有很大的安全隱患。

[1] 李龍，張心金，劉會(huì)云，等.不銹鋼復(fù)合板的生產(chǎn)技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用[J].軋鋼，2013，30（3）：43-47.

[2] 田雅琴，秦建平，李小紅.金屬復(fù)合板的工藝研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2006，21（1）：40-43.

[3] 姜莉，郭曉春，李娟娟，等.14CrlMoR+347H不銹鋼復(fù)合板焊接[J].石油化工設(shè)備，2009，38（3）：70-72.

[4] 吳立斌，石昕，楊燕.不銹鋼復(fù)合板制容器的焊接技術(shù)[J].焊接，2014，44（9）：101-105.

[5] 陳忱，王少剛，俞曠.304L/SA516Gr70不銹鋼復(fù)合板焊接接頭的組織與性能分析[J].電焊機(jī)，2011，41（10）：88-91.

[6] 王鳳會(huì)，劉立偉，陳延清，等.Q345R/316L復(fù)合板雙面焊接工藝優(yōu)化及其接頭性能研究[J].焊管，2016，39（3）：20-24+30.