不銹鋼復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注。本文分析了不銹鋼復合材料的焊接工藝。

關鍵詞：不銹鋼;復合材料;焊接工藝

不銹鋼復合材料由一定壁厚的基層（碳鋼或合金鋼）和較薄的不銹鋼復層組成，基層用來保證力學性能，復層常用來保證對介質的耐腐蝕性能。目前，該材料已越來越多地應用到石油、化工等行業。此外，隨著不銹鋼復合材料尤其是復合管在工程中越來越廣泛的應用，我國一些行業或單位在“當條件受到限制”的情況下焊接不銹鋼復合管時，采用的工藝是：先焊接復層，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，工程中不銹鋼復合材料的焊接，是標準規定的兩種焊接工藝和C類接頭焊接工藝并存。

一、復合材料概述

復合材料是人們運用先進的材料制備技術將不同性質的材料組分優化組合而成的新材料。通常，復合材料需滿足以下條件：①復合材料必須是人造的，是人們根據需要設計制造的材料;②復合材料必須由兩種或兩種以上化學、物理性質不同的材料組分，以所設計的形式、比例、分布組合而成，各組分之間有明顯的界面存在;③它具有結構可設計性，可進行復合結構設計;④復合材料不僅保持各組分材料性能的優點，而且通過各組分性能的互補和關聯能獲得單一組成材料所不能達到的綜合性能。

二、標準規定

GB/T13148《不銹鋼復合鋼焊接技術條件》規定：“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，但沒有強制性要求應用。NB/T47015《壓力容器焊接規程》規定：“不銹鋼復合材料焊接時，一般先焊基礎焊縫，再焊過渡焊縫，最后焊復層焊縫的焊接順序。不得采用碳鋼焊接材料和低合金焊接材料焊接在母材、過渡焊縫和復層焊縫上。”規范中推薦了用于基礎焊縫的焊接材料。

參照國外規范，BSEN1011-5《焊接金屬材料推薦規范第5部分復合鋼焊接》只要求按評定的焊接工藝先焊接底座，但未規定先焊復層時底座的焊接材料。ASME規范第Ⅷ卷-第一分篇《壓力容器建造規則》中規定：“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?！贝艘幊讨兄灰蠡鶎雍附硬牧?，未規定焊接順序。

從技術標準的角度出發，所討論的不銹鋼復合材料焊接工藝具有可操作性。理論上，在不銹鋼復合材料焊接時，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脆硬相;相反，當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過渡和擴散，導致焊縫或熔合區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不銹鋼復合板，焊接工藝為先焊復層、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。

不銹鋼復合板Q345R/316L的化學成分見表1，焊接參數見表2。

根據NB/T47014《承壓設備焊接工藝評定》，進行外觀檢查和無損檢測，沒有發現裂紋，檢驗結果合格。根據標準制備的拉伸試樣在焊縫或熔合線外母材熱影響區出現塑性斷裂，試樣的拉伸強度不小于母材最小拉伸強度的95%，滿足NB/T47014的要求。

從焊接接頭彎曲試樣的觀察，不銹鋼側焊熔合良好，大部分碳鋼側焊熔合良好，不銹鋼和碳鋼熔合區熔合良好，所有試樣均未出現彎曲裂紋，但所有彎曲試樣均在碳鋼和不銹鋼的過渡區出現直徑5～8毫米的彎曲鼓包，是局部硬化區結構。

彎曲至規定角度后，焊縫和拉伸表面熱影響區在任何方向均不存在大于3mm的開口缺陷，符合NB/T47014標準的要求。

按NB/T47014要求的外觀檢查、無損檢測、力學性能試驗等檢驗項目，檢驗結果符合標準要求。彎曲試驗后有明顯的硬塊，即局部硬化區，但經磁粉檢測未發現裂紋，即為合格。

根據NB/T47014標準，雖然C型接頭合格，但彎曲后的局部硬化區應予以重視。

五、理論分析

舍夫勒組織圖是不銹鋼金屬化學成分和相結構之間的定量關系圖?？v坐標用鎳當量表示，鎳當量是反映不銹鋼焊縫金屬結構奧氏體化程度的指標，根據金屬結構中包含的奧氏體元素和奧氏體化強度，將其值轉換為若干個鎳的總和。橫坐標用鉻當量表示，鉻當量是反映焊縫金屬結構鐵素體化程度的指標，根據焊接結構中所涉及元素的鐵素體化程度，將其量值轉換為若干鉻的總和。根據焊接母材的化學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成分，并分別換算成鎳當量和鉻當量，即能在組織圖中發現焊縫金屬組織和鐵素體含量。

六、結語

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

參考文獻：

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