雙相不銹鋼2205＋Q345C復合鋼板研制

（四川驚雷科技股份有限公司，四川宜賓644623）

0 前言

2205+Q345C爆炸復合鋼板是將具有良好耐全面腐蝕和局部腐蝕性能的2205雙相不銹鋼（00Cr22Ni5Mo3N）作為覆層，Q345C為基材，通過爆炸復合的方式結合在一起的金屬復合材料，可降低生產成本，因此廣泛應用于冶金、石油化工、水利、真空制鹽等工業領域[1-2]。在水利工程中，美國、日本等在建造高水頭水利發電站時已大量使用雙相不銹鋼或雙相不銹鋼復合鋼板，原因是雙相不銹鋼或雙相不銹鋼復合鋼板既具有較高強度，又具備高流速下的耐氣蝕性和泥沙沖擊下的耐磨性以及水質變化的耐腐蝕性。我國在長江三峽、向家壩、溪洛渡等工程中，在排沙泄水管道、永久船閘等地方大量使用復合鋼板，僅三峽工程就使用了8 300余t。焊接工作者對2205雙相不銹鋼的焊接性能、耐蝕性能等也進行了許多研究[3-5]。

本研究以2205＋Q345C為例，詳細介紹金屬復合板生產中爆炸復合、熱處理、覆層拼接及未結合補焊等幾道關鍵工序的質量控制。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗材料為4 mm 2205不銹鋼+20 mm Q345C鋼的復合板，其化學成分及力學性能見表1～表4。

1.2 實驗方法

按GB/T6396－2008《復合鋼板力學及工藝性能試驗方法》進行力學性能試驗，耐蝕性實驗按ASTM A923中的C法和GB/T4334－2008 E法進行。

表1 2205不銹鋼的化學成分%

表2 2205不銹鋼的力學性能

表3 Q345C鋼的化學成分%

表4 Q345C鋼的力學性能

2 結果與討論

2.1 爆炸焊接工藝參數控制

2205雙相不銹鋼的屈服強度是奧氏體不銹鋼的2倍，這一特性使設計者在設計產品時可減輕設備質量，但同時也增加了爆炸復合生產的難度。由于屈服強度較高，使其發生塑性變形以形成爆炸焊接所需的碰撞角變得更為困難，所以用常規奧氏體不銹鋼爆炸復合工藝很難達到理想的復合效果。必須調整爆炸焊接工藝以解決物理性質、化學成分以及力學性能均存在較大差異的兩種材料的焊合問題，從而達到技術條件規定的結合率。

根據2205雙相鋼的特性，通過理論分析和實驗驗證制定出2205+Q345C爆炸復合的工藝參數，包括：

（1）預設角。指覆板與基板之間的夾角，在較大面積板材的爆炸焊接裝置中，推薦采用平行法（即預設角為0）。

（2）板間距。指覆板與基板之間的距離。為了使覆板獲得爆炸焊接所需的碰撞速度，必須保證一定的板間距。但是由于2205雙相鋼超高的屈服強度，在爆炸復合前因拼接后變形而很難保證其平整度，在局部區域可能無法達到爆炸焊接所需的加速距離，因此板間距大于一般奧氏體不銹鋼。

（3）炸藥密度。爆炸焊接是以炸藥爆炸產生的能量作為復合能源，而炸藥爆炸能量與爆速關系十分緊密，炸藥爆速直接決定基、覆板的碰撞速度；當炸藥密度在一定范圍內變化時，炸藥爆速一般隨炸藥密度的增加而增大，所以炸藥密度是控制炸藥爆速的重要參數。因此，當炸藥品種選定后，控制炸藥密度顯得十分重要。

（4）炸藥配方。復合鋼板爆炸焊接一般采用混合炸藥，必要時添加一定的附加物，以改善炸藥爆炸性能和安全性。應專門針對高屈服強度材料進行炸藥配方，以控制爆轟速度和猛度。

（5）裝藥厚度。爆炸焊接采用平面裝藥，即在覆板上表面形成具有一定厚度的炸藥量，裝藥厚度不僅決定爆轟能量的多少和爆轟載荷的大小，而且與爆速的關系十分密切。因此，裝藥厚度是決定爆炸焊接能否成功以及復合質量優劣的關鍵參數之一。

（6）基礎。爆炸焊接的基板必須置于某種基礎之上，如果基板與基礎之間有空隙，或者基礎的聲阻抗與基板的聲阻抗匹配不恰當，則會在基板與基礎的接觸界面上產生拉伸波，可能會分離基板與基礎之間剛剛形成的固相結合界面。所以基礎的選取是爆炸焊接中的一個重要環節。

通過上述工藝控制，較好解決了4 mm的2205與20 mm的Q345C的復合質量，一次性復合面積超過25 m2，經超聲波檢測，結合率達到99.95%，完全滿足標準NB/T47002.1－2009 B1級質量要求。

2.2 復合鋼板熱處理及其性能

復合鋼板在爆炸過程中會產生較大的內應力，造成基、覆層的抗拉強度、屈服強度和硬度均有所升高，塑性和韌性降低，這一現象的出現將影響覆層耐蝕性能特別是抗應力腐蝕性能，同時也影響復合鋼板的冷成型。因此，采取適當的熱處理消除或減少爆炸復合時產生的硬化效應和內應力，保證基材性能符合標準要求非常必要。根據2205和Q345C的物理和化學性質的較大差異，這兩種材料的熱處理規范有很大區別。選擇兩者均適合的熱處理規范，既要考慮2205的耐蝕性不受影響，同時又要保證Q345C的力學性能。當溫度為650～975℃時，即使在較短時間內停留，也會析出有害相。當溫度超過1 100℃以后[3－5]，只要保持一定時間就能使各種金屬沉淀物完全溶解，但基材在高溫下會造成晶粒粗大，降低材料的塑性和韌性。通過大量的試驗研究和理論分析，生產上選擇低于650℃的熱處理，控制好加熱溫度、保溫時間以及冷卻速度，能夠很好地保證基材的力學性能和覆層的耐蝕性能。

經熱處理后的復合鋼板力學性能見表5。金相組織為50%奧氏體+50%鐵素體，按ASTM 923 C法耐蝕性的要求值為10mdd，實測值為0.676mdd，按GB/T4334－2008 E法測試無裂紋，耐蝕性能良好。

2.3 復合鋼板的覆層拼接及未結合補焊

2.3.1 焊接特點

焊接熱循環對2205雙相鋼焊接接頭的組織影響很大。焊接時焊縫和熱影響區都會有重要的相變發生，進而影響其耐蝕性和韌性。焊接的關鍵是如何保證焊縫和熱影響區保持適量的鐵素體相（α相）和奧氏體相（γ相）。

熱影響區的高溫區加熱時奧氏體完全溶解，成為單一的鐵素體。高溫區的α相向γ相的轉變是不平衡的，快速冷卻時鐵素體來不及轉變成奧氏體，導致該區域存在大量鐵素體，從而影響接頭性能。另外，焊縫中含有一定量N，N在鐵素體中的溶解度很低，易導致氮化物析出，也會導致其韌性和耐蝕性下降。

與熱影響區的高溫區轉變相同，焊縫從高溫冷卻時鐵素體向奧氏體轉變也是不平衡的，其主要影響是焊縫中的化學成分和冷卻速度。如果焊縫金屬與母材的化學成分相同，就會造成焊縫中鐵素體含量過高。由于Ni是奧氏體形成元素，因此在焊材中適當增加w（Ni）有利于提高焊縫中奧氏體比例，這就是焊材采用9Ni的原因。另外，N也是奧氏體形成元素，在焊材中加入適量N元素，焊縫在快速冷卻時可獲得更多的奧氏體。根據文獻[3－5]和本研究試驗結果，焊縫的γ相保持在30%～65%，熱影響區的α相不超過70%，可保證焊接接頭的耐蝕性。2205復合鋼板的生產在焊接方面主要涉及覆層拼接和未結合區域補焊，對此分別進行了系列焊接試驗。

2.3.2 覆層拼接

根據工程上需要的板副尺寸，2205覆層一般要求拼接。覆層拼接普遍采用焊條電弧焊和鎢極氬弧焊。不加絲的等離子弧焊通常不推薦用于2205鋼的焊接，原因是不加絲的焊接會增加焊縫鐵素體含量，影響焊縫的韌性和耐蝕性。從試驗結果來看，如果采取適當的措施也可保證焊縫的雙相組織，一是焊接時在離子氣和背保氣中加入一定量的N2，在一定程度上提高焊縫的奧氏體含量；二是等離子拼縫在后續復合鋼板的消應力熱處理時采取高溫處理，恢復焊縫金屬的相平衡。

焊條電弧焊、手工氬弧焊和等離子弧焊的拼焊簡圖如圖1～圖3所示，其接頭力學性能數據見表6。

圖1 焊條電弧焊

圖2 手工氬弧焊

圖3 等離子弧焊

試驗結果表明，采用焊條電弧焊、手工鎢極氬弧焊和等離子弧焊焊接2205薄板，在焊態下焊接接頭的各項指標均能滿足要求。雙相鋼一般不推薦焊后熱處理[2]，但由于復合鋼板制造工藝的特殊性，需要進行消除爆炸應力的熱處理。只要復合板的熱處理溫度和保溫時間選擇恰當，熱處理對焊縫耐蝕性影響是可以控制的。至于焊態情況下的等離子自熔焊縫，雖然鐵素體含量偏高，但腐蝕結果仍在合格范圍內，而經高溫熱處理后，部分鐵素體轉化成奧氏體，使得焊縫中奧氏體比例有所提高，從而提高焊縫的耐蝕性。

2.3.3 堆焊（補焊）試驗

復合鋼板爆炸焊接時，其結合率受很多因素影響，除爆炸焊焊接工藝參數外，還有天氣的影響。這些因素的變化有時會造成基層與覆層出現未結合的現象。當工程上所需復合鋼板質量等級為B1級即100%結合時，就存在未結合區域的補焊問題。由于未結合區域形狀不規則，目前大多采用操作靈活簡單且質量穩定的焊條電弧焊進行修補。針對2205＋Q345C復合板，根據耐腐蝕程度高低要求，過渡層焊材既可選擇E309MoL，也可選擇E2209，而填充和蓋面均選擇E2209。補焊選擇在復合鋼板消應力熱處理后進行。堆焊示意如圖4所示。

表6 覆層拼接試板力學性能數據

D試樣過渡層為E309MoL，覆層為E2209，D－1試樣過渡層和覆層均為E2209，試驗數據見表7。可以看出，選擇E2209焊接過渡層和覆層，其焊縫耐蝕性更優。

2.3.4 保證焊接質量的措施

圖4 堆焊

（1）焊材選擇。

對于焊后不經固溶處理的2205焊接接頭，應選擇9Ni焊材，其原因為：Ni是奧氏體形成元素，當焊接接頭冷卻速度快，Ni的加入不會導致焊縫鐵素體過多，能保持其雙相比。此外，Ni可減緩析出相的析出速度，富Ni焊縫中不易出現氮化鉻等有害相[2]。除 Ni外，焊縫金屬中的 C、Cr、Mo、N 等元素應控制在適當比例，Cr、Mo含量不宜過高，太高易導致σ相析出，但也不宜過低，否則影響其耐蝕性。

表7 補焊試樣性能數據

（2）熱輸入及焊接規范參數控制。

2205的焊接熱輸入為0.5～2.5 kJ/mm[2]，層溫應小于等于150℃，多層多道焊有利于改善熱影響區的相比例和性能。熱輸入過低，冷卻速度太快，導致HAZ的α過多，韌性和耐蝕性下降；熱輸入過大則易產生中間相。推薦最佳熱輸入為1.0～1.2 kJ/mm。2205復合板推薦規范為：焊條電弧焊，φ3.2，100～110 A，速度 14～18 cm/min；φ4.0，150～160 A，速度20～24 cm/min。

（3）層溫影響。

2205焊接時一般不需要預熱，其層溫上限控制在150℃以內。層溫過高，若連續堆焊，則焊接區域冷卻太慢，會析出有害相，嚴重時焊縫開裂，這在復合板未結合區域的補焊時應引起高度重視；但層溫也不宜過低，過低會造成焊接接頭冷卻速度過快，從而導致HAZ的鐵素體含量增多，特別是純2205厚板的焊接。根據經驗，層溫控制在50～150℃較為合適。

（4）熱處理對焊縫性能的影響。

2205鋼經過焊接熱循環后，焊縫和HAZ已不是原有雙相鋼的相比例，特別是HAZ的α相比例可能約高達70%，此時HAZ內奧氏體量少且有純鐵素體晶界，鐵素體晶內還會析出較多的氮化物，特別是表面與焊縫毗鄰的高溫HAZ內。此時對焊縫進行熱處理等于再次加熱和冷卻含有過飽和氮的鐵素體，由于碳氮化合物的析出會使鋼的脆性轉變溫度明顯上移，鋼的缺口敏感性增加，沖擊韌性和耐腐蝕性下降，除固溶處理外的任何熱處理都易導致焊縫脆化。因此，2205焊接接頭應以焊態交貨為好，焊縫經熱處理后韌性塑性下降，易造成彎曲不合格。未結合區域的補焊盡量在復合板熱處理后進行。

3 結論

（1）2205+Q345C復合鋼板爆炸焊接性良好，其結合率可達NB/T47002.1－2009中的B1級，滿足工程用復合鋼板結合率的要求。

（2）消除爆炸焊接應力的熱處理，宜采用低溫熱處理。

（3）采用焊條電弧焊和手工氬弧焊覆層2205，均能滿足接頭的耐蝕性和力學性能要求。采用等離子焊接，焊態下焊縫鐵素體含量較高，對耐蝕性要求高的產品不推薦采用。對2205+Q345C復合板的焊接以及未結合區補焊，不推薦焊后進行熱處理。

（4）通過爆炸、焊接、熱處理等關鍵工序的控制，2205復合鋼板的力學性能、耐蝕性、金相組織等均滿足技術要求。

[1]鄭遠謀.爆炸焊接和金屬復合材料及其工程應用[M].長沙：中南大學出版社，2002.

[2]吳玖.雙相不銹鋼[M].北京：冶金工業出版社，1999.

[3]姚寶晶，蘇秀霞，陳玉苗.2205不銹鋼在制鹽工業中的腐蝕行為的研究[J].哈爾濱理工大學學報，2011，16（4）：126－130.

[4]唐威.2205/Q345C異種鋼焊接接頭的性能研究[J].鑄造技術，2017，38（3）：680－682.

[5]龔敏，馮敏，張豫.固溶處理對2205雙相不銹鋼在鹵水中點蝕的影響[J].材料熱處理學報，2011，32（7）：96－99.