【摘要】雙相不銹鋼誕生已經(jīng)幾十年了，但在水工金屬結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用并不多見(jiàn)，本文通過(guò)對(duì)雙相不銹鋼的發(fā)展、性能特點(diǎn)及焊接工藝等方面的認(rèn)識(shí)和研究，分析了雙相不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接工藝及其特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】雙相不銹鋼復(fù)合鋼板；焊接工藝；過(guò)渡層；試驗(yàn)

1.前言

隨著水利工程的不斷發(fā)展，一些工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)和材料逐漸被引入到水利工程建設(shè)中來(lái)。南水北調(diào)中線一期工程總干渠金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備標(biāo)中，有閘門(mén)門(mén)槽鋼埋件共58孔，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)選用了Q235B+00Cr22Ni5Mo3N復(fù)合不銹鋼板做為埋件的過(guò)流面板。基層材質(zhì)為Q235B碳鋼、不銹鋼覆層材質(zhì)為00Cr22Ni5Mo3N屬雙相不銹鋼。此種鋼材在水利工程金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)用并不多見(jiàn)，其焊接質(zhì)量將決定著該鋼材的使用效果和工程的質(zhì)量問(wèn)題。本文從雙相不銹鋼的發(fā)展、性能特點(diǎn)及焊接工藝等方面對(duì)雙相復(fù)合不銹鋼板的焊接工藝進(jìn)行分析研究。

2.雙相不銹鋼的發(fā)展及性能特點(diǎn)

2.1雙相不銹鋼的發(fā)展。第一代雙相不銹鋼以美國(guó)在20世紀(jì)40年代開(kāi)發(fā)的329鋼為代表，此鋼種的鉻、鎳含量較高，耐局部腐蝕性能良好，但其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（C含量≤0.1%），在焊接時(shí)容易失去相平衡及沿晶界析出碳化物而導(dǎo)致其耐蝕性及韌性下降，故焊后必須進(jìn)行熱處理，一般用于鑄鍛件，因此在工業(yè)應(yīng)用中受到一定的限制。20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著精煉技術(shù)、真空精練技術(shù)及連鑄技術(shù)的普及和發(fā)展。超低碳（C含量≤0.03%）鋼種的生產(chǎn)較易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)氮元素對(duì)雙相不銹鋼的性能起著重要作用，它可以促進(jìn)高溫下形成的鐵素體逆變?yōu)樽銐虻亩螉W氏體，維持必要的相平衡，由此可提高焊接接頭的耐蝕性；氮元素還可在富鉻和鉛的鐵素體相中取得平衡，提高材料的耐孔蝕性能，同時(shí)減輕鉻、鉬等元素在兩相中分布的差異。利用氮元素這些獨(dú)特作用開(kāi)發(fā)了第二代含氮雙相不銹鋼，并拓寬了新的應(yīng)用領(lǐng)域。第三代雙相不銹鋼是在20世紀(jì)80年代后期發(fā)展的超級(jí)雙相不銹鋼，這類鋼的特點(diǎn)是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%～0.02%，鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%.氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，鋼中鐵素體的含量為40%～45%，此類鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能。

盡管雙相不銹鋼誕生已經(jīng)幾十年了，但其實(shí)際應(yīng)用的歷史并不長(zhǎng)，它的生產(chǎn)和加工涉及復(fù)雜的冶金技術(shù)問(wèn)題，到20世紀(jì)80年代后期才實(shí)現(xiàn)了部分標(biāo)準(zhǔn)化。1992年～1993年，美國(guó)焊接材料標(biāo)準(zhǔn)中首次列入了雙相不銹鋼焊條和焊絲，但僅有兩個(gè)牌號(hào)。00Cr22Ni5Mo3N屬于第二代中合金雙相不銹鋼，也是國(guó)外目前應(yīng)用最普遍的雙相不銹鋼，此種鋼20世紀(jì)70年代首先由瑞典研制成功，材料牌號(hào)為SAF2205，對(duì)應(yīng)的美國(guó)牌號(hào)為UNSS31803。

2.2雙相不銹鋼的焊接性能特點(diǎn)。所謂雙相不銹鋼是指在其固溶組織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半，一般量少相的含量也需要達(dá)到30%。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，它將奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良韌性、焊接性與鐵素體不銹鋼所具有的較高強(qiáng)度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能結(jié)合在一起，具有良好的綜合力學(xué)性能。在雙相不銹鋼的焊接中必須注意兩個(gè)問(wèn)題：①維持適當(dāng)?shù)南啾壤?，以防止出現(xiàn)焊縫金屬區(qū)及熱影響區(qū)奧氏體相含量不足或鐵素體相含量偏高；②鐵素體相在一定的高溫范圍內(nèi)是不穩(wěn)定的，能析出對(duì)韌性和抗腐蝕性有害的高鉻碳化物、氮化物、金屬間化合物及有害相，因此必須防止有害相析出。上述問(wèn)題一般可通過(guò)選擇合適的焊接材料來(lái)調(diào)整焊縫金屬化學(xué)成分、選用合適的焊接方法及焊接參數(shù)來(lái)控制焊接輸入能量這兩個(gè)途徑來(lái)解決。焊縫金屬中的奧氏體能起到細(xì)化晶粒、減少氮化物的析出、提高塑韌性和耐腐蝕性、增強(qiáng)抗裂紋能力等作用，因此對(duì)于含氮雙相不銹鋼通常采用鎳含量比母材高2%～4%和與母材具有相同或略低于含氮量的焊材，以保證焊縫金屬有足夠的奧氏體量。

3.復(fù)合不銹鋼板的焊接工藝分析

3.1焊材選擇：不銹復(fù)合鋼板是由不銹鋼復(fù)層和碳素鋼或低合金鋼基層經(jīng)爆炸或軋制或爆炸軋制貼合而成的雙金屬板。本文所述Q235B+00Cr22Ni5Mo3N復(fù)合不銹鋼板即是指基層材質(zhì)為Q235B碳素鋼、復(fù)層為雙相不銹鋼材質(zhì)通過(guò)爆炸焊貼合而成的一種復(fù)合不銹鋼板。由于兩層鋼板化學(xué)成分、物理性能及焊接性能有很大差異，如果單一采用焊接復(fù)層的焊接材料和焊接工藝焊接基層碳素鋼，雖然容易得到抗耐蝕性的焊縫，但焊縫裂紋傾向非常大，而且其塑性、強(qiáng)度等級(jí)不能與復(fù)合不銹鋼板保持協(xié)調(diào)，在荷載作用下會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的應(yīng)力狀態(tài)，可能誘發(fā)斷裂，更別談經(jīng)濟(jì)問(wèn)題了，顯然與設(shè)計(jì)想獲得較好強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性的意圖是不相符的。因此可在基層和復(fù)層之間設(shè)立過(guò)渡層焊接區(qū)，故可將焊接區(qū)域分為三層進(jìn)行工藝制定，如下圖1所示：

基層為普通碳素鋼，其焊接工藝及焊材選擇都已十分成熟，焊材可選用與基層強(qiáng)度相匹配的焊絲（H08A）。

3.2焊接工藝

焊接按先焊基層再過(guò)渡層后焊復(fù)層的焊接順序。

①在下述環(huán)境條件下，焊接場(chǎng)所應(yīng)有可靠的防護(hù)屏障和保溫措施：

Ⅰ.風(fēng)速：氣體保護(hù)焊大于2m/s，其他焊方法大于8m/s；

Ⅱ.相對(duì)濕度大于90%；

Ⅲ.雨雪環(huán)境；

②焊絲、焊條存放在通風(fēng)、干燥的專設(shè)庫(kù)房?jī)?nèi)，其溫度保持在5℃以上，相對(duì)濕度不大于60%。不銹鋼焊條焊前需經(jīng)2500C烘焙1.5小時(shí)，隨烘隨用。

③施焊前，應(yīng)將坡口及其兩側(cè)10mm～20mm范圍內(nèi)的鐵銹、熔渣、油垢、毛刺等清除干凈并打磨，直至露出金屬光澤。

④焊接該種不銹鋼，由于板厚17～40mm，且采用了多層多道焊，焊前不必預(yù)熱，也不需要焊后熱處理。由于00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼是由奧氏體+鐵素體構(gòu)成，為了維持結(jié)構(gòu)中的相比例平衡，減少在焊接過(guò)程中不銹鋼物理性能的變化，層間溫度和熱輸入的控制十分重要，應(yīng)保證層間溫度小于150℃，過(guò)高或過(guò)低的熱輸入都是不可取的，應(yīng)控制在5-15KJ/cm。

⑤定位焊及裝配要求：進(jìn)行定位焊時(shí)，定位焊均焊在基層一側(cè)（不得熔入不銹鋼層），焊厚在4-6mm為宜，每段長(zhǎng)30mm，間距300～400 mm。焊接時(shí)嚴(yán)禁碳鋼焊材焊在不銹鋼層上，以免影響正式焊接時(shí)的焊接質(zhì)量。

⑥焊接時(shí)采用從中間向兩側(cè)施焊和對(duì)稱焊的控制措施。焊接過(guò)渡層和復(fù)層時(shí)，電流不宜過(guò)大，運(yùn)條避免大的擺動(dòng)，電弧不宜過(guò)長(zhǎng)，以控制變形和保證焊接質(zhì)量。蓋滿坡口外1～1.5mm，焊縫余高<1.5mm，超高部分打磨處理；對(duì)接接頭的咬邊深度不得大于0.5mm，咬邊連續(xù)長(zhǎng)度不得大于100mm，焊接接頭兩側(cè)咬邊總長(zhǎng)度不得大于該焊接接頭總長(zhǎng)的10%等超規(guī)范現(xiàn)象。

4.焊接試驗(yàn)力學(xué)性能驗(yàn)證

5.結(jié)語(yǔ)

雙相不銹鋼已經(jīng)在越來(lái)越多的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，在水工金屬結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也是近年才逐步開(kāi)始，作為水利行業(yè)一線的技術(shù)人員，我們應(yīng)該積極學(xué)習(xí)、研究，以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)施工，為水利事業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介

孫超，安徽水利開(kāi)發(fā)股份有限公司，水利水電工程師.