不銹鋼復合板焊接技術研究

吳飛虎 張鵬飛

1.九江理工職業(yè)學院 江西 九江 332000；

2.九江職業(yè)技術學院 江西 九江 332000

1 研究背景

不銹鋼復合金屬板材屬于金屬層狀復合板材料的一種，目前應用極為廣泛。其具有低合金鋼、不銹鋼的優(yōu)點，多應用與家具用材、船舶制造、電力設備、石油化工、建筑鋼構(gòu)、交通型材等領域。不銹鋼復合板材鉻含量約為10%，價格優(yōu)勢明顯，且提升了材料的基礎性能，節(jié)約了鉻、鎳等稀缺金屬的使用，環(huán)保耐用。不銹鋼復合板材多為2種以上金屬材料復合而成，材料力學性能顯著提升，耐腐蝕性、耐熱性、結(jié)構(gòu)性能較好。不銹鋼復合板材焊接技術近些年發(fā)展迅猛，其焊接成型技術也推動了復合金屬板材技術的不斷提升[1]。

2 不銹鋼復合板材焊接技術研究

圖1 不銹鋼焊縫接頭

不銹鋼復合板材因不同金屬材質(zhì)的物理性能存在差異，而且基層焊縫、過渡層焊縫、覆層焊縫等焊縫材料的力學和熱學性能也存在差異，在此類板材焊接時需要充分考慮。尤其是奧氏體不銹鋼線和普通碳鋼的熱導率、膨脹系數(shù)等參數(shù)需要計算分析，避免焊接完成后產(chǎn)生殘余應力、變形，焊接裂紋等焊接缺陷。另外，還需要考慮特殊產(chǎn)品焊接制造過程的低熔點共晶體、熱應力、晶粒粗大、交界層脆性帶的物理作用造成的焊接過渡層沿晶界產(chǎn)生的縱向裂紋，焊接前應進行有效預熱，以及選取合適的焊絲規(guī)格，調(diào)整好焊接速度等焊接工藝。再有，焊接過程應充分研究分析焊材中的Cr、Ni等金屬含量，避免焊接時因熱循環(huán)作用產(chǎn)生Cr、Ni等金屬元素的擴散不均，一般需保持Cr元素含量為17%～17.5%，有利于減少鐵素體等Cr碳化物生成，同時還需要盡量避免基層焊縫的碳元素擴散進入過渡層，減少脆硬相現(xiàn)象、貧鉻區(qū)域及硬度為480 HV類馬氏體組織生成，從而增強復合材料焊接覆層焊縫的耐腐蝕性能。

焊接過程，基層焊縫中應不產(chǎn)生硬脆組織造成焊接裂紋，從而影響板材焊縫的物理強度。焊接復層時，應盡力減少碳化合物增加，從而降低板材的耐蝕性；過渡層焊接時，需要采用一定的焊接工藝，避免降低基層和復層基礎型材的熱學和力學性能，焊接過渡層時需加強預熱，合理控制好冷速、熔合比及焊絲的選型[2]。

3 焊接技術研究

3.1 焊接工藝方法

對于不銹鋼復合板材焊接工藝技術研究，國內(nèi)文獻較多，技術比較成熟。有的研究人員采用自動焊+電弧焊工藝技術，選擇富氫保護實心焊絲熔化極自動電弧焊接和過渡層、覆層焊縫電弧焊等工藝滿足焊接質(zhì)量和工程性能要求，有的采用基層焊縫埋弧焊+過渡層、覆層焊縫藥芯焊絲熔化極二氧化碳氣體保護焊等工藝解決了普通電弧焊的焊接缺陷問題。總之，復合不銹鋼板基層多采用焊條電弧焊和埋弧焊工藝；過渡層焊縫多采用鎢極氫弧焊（TIG）集中焊接工藝，覆層金屬多采用激光焊、復合能源焊接、熔化極惰性氣體保護焊及以上焊接工藝組合焊接等[3]。

3.2 焊接坡口

不銹鋼復合材料焊接坡口受焊縫、熱影響區(qū)、材料成分及微觀組織特性因素影響，容易產(chǎn)生元素擴散、金屬熔合性、焊接冶金反應及焊接性，造成焊接接頭出現(xiàn)氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，因而促使焊接質(zhì)量不過關，未焊透、易老化變形、應力應變偏大等質(zhì)量問題。所以焊接坡口選擇時，需要充分考慮金屬填充的含量、板材厚度、金屬材料結(jié)構(gòu)等因素。坡口尺寸設計及加工主要依據(jù) 9692-4:2003《焊接和相關工藝、坡口準備、復合鋼板》和GB/T 13148-2008《不銹鋼復合鋼板焊接技術要求》等技術標準和規(guī)范要求。基層厚度選擇0.5～1.5mm，過渡層厚度選擇2～3.5mm，過渡層金屬須超過基層2～2.5mm。不銹鋼焊接坡口形式如圖2所示。

圖2 不銹鋼焊接坡口形式

3.3 焊接材料

焊接材料的基層作用主要起到強度支撐，確保復合板焊接的產(chǎn)品硬度及強度要求，避免力學性能的失效。在基層焊接材料選擇上，需要充分考慮金屬板與焊材的硬度相近匹配的原則。焊接覆層作用在于提升不銹鋼焊后的熱強度和耐蝕性，焊接材料選擇時應充分考慮鎳、鈷、碳等元素稀釋問題，一般選擇焊材中Cr、Ni等金屬含量略大于母材為宜。過渡層可以根據(jù)板材使用特點，采取特殊焊接工藝，因此，焊材同覆層焊接材料選擇相近，也可以選擇Cr、Ni等金屬含量較高的焊接材料，以減少晶析現(xiàn)象的發(fā)生[4]。

4 不銹鋼復合板材焊接技術發(fā)展趨勢

隨著計算機及電子監(jiān)測技術的不斷發(fā)展以及金屬材料技術的開發(fā)應用，不銹鋼復合材料焊接技術會越來越成熟。尤其是新型激光納米焊接技術、超冷焊接技術等應用，焊接更加節(jié)能環(huán)保，安全高效。另外對于層狀金屬材料焊接前工藝優(yōu)化技術，預熱處理技術以及焊接過程的實時在線監(jiān)測技術的廣泛應用，可以很好地對焊接工藝參數(shù)進行分析預判，優(yōu)化組合，并及時調(diào)整焊接流程及工藝，并通過焊接后的各種性能監(jiān)測和技術修復，確保了復合金屬材料焊接的質(zhì)量和品質(zhì)要求[5]。

5 結(jié)束語

不銹鋼等金屬層狀復合材料強度高、耐腐蝕性強，韌性豐富、力學和熱學性能穩(wěn)定，目前被廣泛應用于機械制造、重大裝備制造業(yè)、鐵路運輸、醫(yī)療器械、家具建材、石油工程、海洋工程、電力裝備等領域。因此分析不銹鋼等金屬層狀復合材料材料性能、焊接工藝特點、焊接材料研究等，且焊接工藝方法研究具有較大的實際工程應用意義。