不锈复合钢的焊接.doc

不锈复合钢的焊接(转贴）不锈复合钢是由不锈钢和低碳钢或低合金钢两种材料复合而成。这两种组元之间的热物理性能、化学成分和组织上存在较大差异，性能也有很大的差别。焊接时不但要保证接头具有满足要求的力学性能，而且还要保证接头仍具有复层钢板的综合性能，防止焊缝金属的耐腐蚀性、抗裂性和导电性的降低。一般情况下应对基层、复层分别进行焊接，焊接材料、工艺等应分别按照基层、复层来选择，并应注意焊接顺序。基层和复层界面附近的焊接属于异种金属的焊接，大多数情况下需要焊接过渡层。1中厚板的焊接11 焊接性不锈复合钢板的焊接过程存在以下几个问题。 由于Cr、Ni元素在焊接过程中部分被烧损，使焊缝中的Cr、Ni含量降低，影响复层的耐蚀性。 由于基层焊缝对复层焊缝的稀释作用，将降低复层焊缝中的铬镍含量，增加复层焊缝的含碳量，易导致复层焊缝中产生马氏体组织，从而降低焊接接头的塑性和韧性，并影响复层焊缝的耐腐蚀性。马氏体组织易在焊接或设备的运行中导致裂纹，使接头过早失效。 基层焊接时易于熔化不锈钢复层，使得合金元素掺入而导致碳钢基层焊缝金属严重硬化和脆化，其过渡层硬化带的厚度可达2.5mm，该硬化带对冷裂纹极为敏感，易于产生裂纹。 焊接复层时，基层中的碳易于进入复层中，使复层的抗腐蚀性能和基层的强度降低。 由于不锈复层较基层具有低的热导率（仅为基层的1/2）和较大的线膨胀系数（为基层的1.3倍），因而焊接过渡层时会产生较大的焊接变形及应力，导致焊接裂纹的产生。因此，一般在基层和复层间加一过渡层。即对于不锈复合钢的焊接分三部分进行：基层的焊接、复层的焊接及过渡层的焊接。基层的焊接和复层的焊接属于同种材料焊接，过渡层的焊接则是异种材料焊接。不锈复合钢焊接质量的关键是基层与复层交界过渡层的焊接，也是复合板焊接难度较大的区域。12 不锈复合钢板的焊接工艺（1）坡口1) 坡口形式及尺寸复合钢板常采用的坡口形式及尺寸见表1。厚度较小时，采用I形坡口；厚度较大时，可采用V形、U形、X形或V-U结合形坡口。尽可能采用X形或V-U结合形坡口；采用V形或U形坡口时，为了防止复层金属向基层焊缝中渗透，脆化基层焊缝，应去除接头附近的复层金属，见图1。表1 复合钢板常用的坡口形式及尺寸图1 去掉复层金属的复合钢板焊接坡口形式焊接角接接头时，采用如图2所示的坡口。对于角接接头，无论复层位于内侧还是外侧，均应先焊接基层。复层位于内侧时，焊接过渡层以前应先从内部清理基层焊根。复层位于外侧时，也应对最后的基层焊道进行清理，然后再焊接过渡层。图2 复合钢板角接接头的坡口形式2) 坡口加工方法一般先用气割或等离子切割来下料，然后用砂轮或机加工设备制作坡口。如果复层为不锈钢时，当复层厚度超过整个板材厚度的30时，可采用等离子切割，易获得光滑的断面。对于精度要求不高的坡口，用砂轮加工即可满足要求。对精度要求较高的坡口，必须进行机械加工。为保证焊缝的焊接质量，必须用砂轮机磨除坡口部位的渗碳层。采用等离子切割时要求复层应朝上，用氧乙炔切割时复层应朝下。要求加工后坡口表面光滑，不得有裂纹和分层。（2）焊接工艺要点1) 基层的焊接基层的材料一般采用低碳钢或低合金钢，其焊接性能较好，焊接工艺已经成熟。可根据焊接接头与母材等强原则选择焊接材料。需要注意的是，当复层奥氏体不锈钢对腐蚀较敏感时，焊接基层钢板时预热及层间温度应保持在适宜的低温下，以防止复层过热。基层焊接完毕后，应先进行外观检查。焊缝表面不得存在裂纹、气孔和夹渣等缺陷，然后进行X射线探伤检查。无损探伤合格后，应将基层焊缝表面打磨平整，使其表面略低于基层金属表面。2) 过渡层焊接焊接过渡层时，要在保证熔合良好的前提下，尽量减少基材金属的熔入量，以减少焊缝的稀释率。过渡层焊接完毕后，应采用超声波或渗透着色的方法进行无损检验。焊接时应注意以下几点。 选择铬镍含量高的双相铬镍不锈钢焊条，这样即使过渡层受到基层稀释，也可避免在熔敷金属中产生马氏体组织。 为减少基层对过滤层的稀释，应尽量采用较小的焊接电流、较大的焊接速度，以减少焊缝的稀释率。 采用焊缝稀释率较小的焊接方法。 由于双相组织具有优良的抗腐蚀性能和抗裂纹性能，可根据基层成分、焊缝稀释率，由舍夫勒组织图确定过渡层焊接材料。 严格控制层间温度。另外，为了保证复合板的各项性能，对于过渡层覆盖范围以及过渡层的厚度均有一定要求：过渡层焊缝金属的表面应高出界面0.51.5mm，基层焊缝的表面距离复合层的距离要控制在1.52.0mm；过渡层的厚度应控制在23mm内；过渡层焊缝金属必须完全盖满基层金属，如图3(a)所示。采用图1所示的坡口时很难进行控制，这是因为： 在实际生产过程中焊工在施焊过程中，往往分辨不清基层与复层的界面，容易将碳钢焊条焊到复层不锈钢上，使接头产生马氏体组织，出现裂纹等缺陷； 依靠手工操作难以保证技术条件上要求的焊道既要保证基层焊缝距复层1.52.0mm，又保证0.51.5mm，b1.52.5mm技术要求。 由于基层和复层材料的线膨胀系数不同，在焊接热循环的作用下，基层和复层间存在较大的内应力，易造成基层与复层在坡口边缘张口，焊接时容易出现夹渣。图3 基本X形坡口及改进的X形坡口形式建议采用图3(b)所示的改进的坡口。该坡口形式具有以下优点： 新型坡口利于基层侧清根，不受清根方法的限制，符合焊接操作方便的原则； 新型坡口将基层金属结合界面向下开出1.52.0mm深、35mm宽的槽，形成一个台阶，可将基层焊缝金属焊至与台阶平齐，有利于保证基层焊缝高度； 由于坡口中台阶的存在，便于进行过渡层的焊接，有利于保证过渡层的焊缝金属高度； 焊接过渡层时，不易损伤复层，有利于保证复层的焊接质量； 新型坡口便于焊接电流控制，有利于控制熔合比以防止基层对焊缝金属的稀释； 复层边缘远离焊缝中心，在焊接热循环过程中，最高峰值温度大大降低，避免了因基层焊接时反复受热膨胀引起复层张口，避免出现夹渣； 过渡层能完全覆盖基层，并且能达到技术条件中要求的、b值，保证过渡层的焊接质量。3) 复层的焊接奥氏体不锈钢焊接的主要问题是焊接接头易于出现焊缝晶间腐蚀、热影响区的晶间腐蚀、热影响过热区的“刀蚀”、焊接接头的应力腐蚀、热裂纹等。焊缝晶间腐蚀、热影响区的晶间腐蚀、热影响过热区的“刀蚀”的主要原因是在晶界上析出铬的碳化物，形成贫铬的晶粒边界。影响应力腐蚀的因素有焊接区的残余拉应力、焊缝铸造组织以及接头区的碳化物析出。热裂纹的形成主要原因是热导率小、线膨胀系数小、焊缝柱状晶间存在低熔点夹层薄膜等。主要采用以下几种措施解决上述问题。 选择焊接材料，尽量使焊缝组织为双相组织。其中相含量应控制在412。 采用小电流、较大的焊接速度、小线能量施焊。 采用反极性、多层多道焊。 严格控制层间温度，层间温度应小于60。 复层焊缝应在最后焊接，以避免其抗晶间腐蚀的性能受重复加热的影响。 允许在前后焊道施工间隙时冷却接头。 选用含Ti、Nb、Mo的焊接材料。对于铁素体不锈复合钢，复层及过渡层可采用18-8系列的焊材或高铬型焊接材料，选用Cr13型不锈钢焊条，如Cr202、Cr232(即E410NiMo)时，焊缝往往得到的是铁素体和马氏体双相组织，必须通过热处理使焊缝成为纯铁素体。也可通过调整焊缝金属的化学成分来使焊缝得到纯铁素体组织。试验证明，在铬13型不锈钢焊缝中加入0.51.0的铝或铌，可使焊缝获得纯铁素体组织。选用18-8系列的焊接材料时，焊缝组织为铁素体加奥氏体。4) 焊接顺序在焊接不锈复合钢时，一般按照基层、过渡层、复层的顺序焊接。图4给出了V形坡口的焊接顺序，而图5给出了基本X形坡口及改进X形坡口的焊接顺序。图5 X形坡口焊接顺序5) 焊接方法基层一般用手工电弧或埋弧焊进行焊接，而复层通常利用TIG焊、手工电弧焊或半自动熔化极气体保护焊进行焊接，过渡层一般采用手动电弧焊或TIG焊进行焊接。（3）焊接材料表2及表3分别给出了奥氏体不锈复合钢板双面焊及单面焊所用的焊接材料。表4给出了铬不锈复合钢复层的焊接材料。表2 奥氏体不锈复合钢板双面焊用焊接材料母 材手工焊焊条埋弧焊焊丝、焊剂基层 Q235A(原A3) E4303(J422) H08、H08A、HJ43120、20gE4303、E5003(J502)、E5015(J507) H08Mn2SiA、H08A、H08MnA、HJ431 09Mn2 E5003。E5015、E5515-G(J557) H08MnA 16Mn E6015-D1(J607) H08Mn2SiA 15MnTi H10Mn2、HJ431过渡层 E1-23-13-16(A302)、E1-23-13-15(A307)、E1-23-13Mo2-16(A312) H00Cr29Ni12TiAl、HJ260复层 1Cr18Ni9Ti E0-19-10-16(A102)、E0-19-10-15(A107) H0Cr19Ni9Ti 0Cr18Ni9Ti E0-19-10Nb-16(A132)、E0-19-10Nb-15(A137) H00Cr29Ni12TiAl Cr18Ni12Mo2Ti E0-18-12Mo2-16、E0-18-12Mo2-15 H0Cr18Ni12Mo2Ti Cr18Ni12Mo3Ti E0-18-12Mo2Nb-16(A212) H0Cr18Ni12Mo3Ti、H00Cr29Ni12TiAl、HJ260表3 奥氏体不锈钢复合钢板单面焊用焊接材料母 材手工焊焊条埋弧焊焊丝、焊剂复层0Cr18Ni9Ti E0-19-10-16(A102)1Cr18Ni9Ti E0-19-10-15(A107) 0Cr13 E00-19-10-16(A102)过渡层 纯铁基层 Q235A、2020g E4303(J422) E4303、E5003(J502) E5015(J507) H08A、HJ431 H08A、H08MnA 16Mn E5015、E5515-G(J557) 15MnTi E6015-D1(J607)表4 铬不锈复合钢复层的焊接材料复层金属过 渡 层 焊 道填 充 焊 道焊 条焊 丝焊 条焊 丝405、429和430405、429和430405、429和430405、429和430ENiCrFe-2或3 E309 E310 E430ERNiCrFe-5或6 ER309 ER310 ER430ENiCrFe-2或3 E309 E310 E430ERNiCrFe-5或6 E309 E310 E430410和410S410和410S410和410S410和410SENiCrFe-2或3 E309 E310 E430ERNiCrFe-5或6 ER309 ER310 ER430ENiCrFe-2或3 E309 E310 E410 E410NiMo、E430ENiCrFe-5或6 E309 E310 E410 ER410NiMo ER430 不推荐用在温度低于10的条件下焊接。 推荐最小预热温度150，厚度大于12.7mm时更应如此。 ERNiCrFe-6焊缝金属可时效硬化。（4）典型焊接工艺参数表5给出了常见奥氏体不锈钢的典型焊接工艺参数，表6给出了铁素体不锈复合钢板的典型焊接工艺参数，表7给出了双相不锈复合钢板的焊接工艺参数。表5 16MnR+SUS321不锈复合钢板的典型焊接工艺参数表6 铁素体不锈复合钢板的典型焊接工艺参数复 合 板厚度/mm焊接方法焊缝层次焊接材料焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/cmmin-120R+0Cr13Al13+3MMA基层 J42720024024281418MMA过渡层 A06214017022261420MMA复层 A0621401702226142016MnR+0Cr13Al26+3SAM基层 H10Mn2+HJ43155065028324557MAG过渡层 430Cb18022030321530MAG复层430Cb18022030321530表7 Q345C/00Cr18Ni5Mo3Si2双相不锈复合钢板的焊接工艺参数焊接位置坡口形式焊 缝焊接材料焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/cmmin-1层 次道 数焊 条直径mm平焊X基层6J5073.212513523251.82.2过渡层2A3123.29511022242.53.0复层2A0423.29011022243.03.5立焊X基层6J5073.211012523251.52.0过渡层2A3123.29511022241.52.0复层2A0423.29010522242.02.5横焊X基层10J5073.212013523251.52.5过渡层3A3123.29011022241.53.0复层4A0423.29011022241.53.0仰焊X基层6J5073.211012523251.52.2过渡层2A3123.29511022242.03.0复层3A0423.29010522242.03.0退火后的冷却过程中会产生热应力，所以热火后并不能达到消除不锈钢残余应力的预期效果，但当相当高的温度下退火时，由于焊缝金属在常温下的屈服应力降低，使不锈钢部分的残余应力有些降低。另外，退火可以消除基层部分的残余应力。也可采用喷丸处理复合钢的不锈钢部分，使材料表面形成残余压缩应力，从而防止应力腐蚀裂纹的发生。12 薄板的焊接当复层较薄时，仍然采用基层、过渡层、复层的方式进行焊接是不可行的，这是因为，过渡层焊完后，可能无法进行复层的焊接，因此，在这种情况下，一般不再添加过渡层，而直接进行复层的焊接。复层的焊接应尽量减小焊接线能量，并采用比复层含Cr及/或Ni更高的焊接材料。如果复层及基层均很薄，无法开坡口，则采用微束等离子弧焊进行焊接。采用微束等离子弧焊焊接时无需加焊丝，焊接过程非常稳定。由于等离子弧电流密度高且能量集中，熔池中的熔融金属基本上是水平搅拌的，垂直搅拌不剧烈，这样冷却下来之后，复层金属及基层金属成分基本不变。由于扩散，焊缝中不锈钢层的合金元素的含量稍有降低，但影响不大。焊接工艺参数对焊缝的形状具有很大的影响。图6给出了不锈钢复合薄板等离子弧焊焊缝的形状及形状参数。表8给出了焊接电流对焊缝形状的影响对于（0.250.65）mm厚的1Cr18Ni9Ti/A3复合板焊缝。其中S1/S2。决定了焊缝的化学成分、显微组织、耐蚀性及力学性能。越大，焊缝不锈钢层的化学成分、金相组织以及耐蚀性与原始不锈钢材越近，其力学性能也越好。因此焊接时应选择好焊接工艺参数，以得到较大的。图6 不锈钢复合薄板等离子弧焊焊缝的形状及形状参数1不锈钢复层；2基层；3不锈钢层焊缝的面积（S1)；4基层焊缝面积（S2)表8 焊接电流对焊缝形状的影响电流/AB1/mmB1/mmB2/mmS1/mm2S2/mm234374043461.842.152.252.432.650.841.071.561.601.740.220.420.541.121.260.3350.4030.4670.5040.5490.3450.4840.6830.8840.9750.970.830.690.570.5623 不锈钢复合管的焊接（1）厚壁管不锈钢复合管焊接时遇到的问题基本上同不锈复合钢，但不锈复合钢焊接顺序是基层、过渡层、复层，而不锈钢复合管的复层通常在内部，需要先焊复层再焊基层。这样碳钢焊缝被熔化的不锈钢稀释后形成中合金钢焊缝金属，在快速冷却的作用下，它必然变得硬而脆，对冷裂极为敏感，其过渡层硬化带的厚度可达2.5mm以上，最高硬度值达469HV。因此，在不锈钢复合管的焊接中要严格防止在不锈钢复层上采用碳钢焊条或低合金钢焊条焊接。在这种情况下，基材的焊接必须用与过渡层焊接相同的奥氏体焊条或焊丝。在壁厚较大（不小于25mm）时，允许用纯铁焊条堆焊一过滤层后，再采用碳钢焊条或合金钢焊条焊接基层。另外也可采用不锈钢堆焊法。先用焊条在基层坡口边缘堆焊一层高铬镍奥氏体钢，再用一般的不锈钢焊条进行焊接，如图7所示。用TIG焊打底，其余采用手工电弧焊。尽可能采取快的焊接速度，层间温度控制在60。表9给出了D159（5+2）mm的316L/20#钢复合管的焊接工艺参数。表9 D159（5+2）mm的316L/20#钢复合管的焊接工艺参数焊接部位焊接方法焊接材料焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/cmmin-1极 性型 号直径/