王鳳會(huì)，劉立偉，陳延清，許 靜，劉 宏，齊 建

（首鋼技術(shù)研究院，北京 100043）

Q345R/316L復(fù)合板雙面焊接工藝優(yōu)化及其接頭性能研究

王鳳會(huì)，劉立偉，陳延清，許 靜，劉 宏，齊 建

（首鋼技術(shù)研究院，北京 100043）

為了研究（13+3）mm厚Q345R/316L復(fù)合板的焊接性及對(duì)其接頭變形的控制，試驗(yàn)選用3種焊條進(jìn)行了焊接工藝的優(yōu)化研究。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合板對(duì)接焊采用非對(duì)稱X形坡口時(shí)，試板焊后的變形量小于對(duì)稱X形坡口的焊接試板。研究通過拉伸、沖擊、彎曲、硬度、抗剪切試驗(yàn)評(píng)價(jià)了該復(fù)合板焊接接頭的力學(xué)性能；通過晶間腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)了復(fù)合板不銹鋼側(cè)焊接接頭焊縫區(qū)的抗晶間腐蝕性能。結(jié)果表明，Q345R/316L復(fù)合板焊接接頭力學(xué)性能及其不銹鋼側(cè)焊縫的抗晶間腐蝕性能都達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠很好地滿足用戶的使用要求。

焊接；復(fù)合板；Q345R/316L；焊接接頭；焊接變形；抗晶間腐蝕

不銹鋼復(fù)合板是碳鋼基層與不銹鋼復(fù)層結(jié)合而成的復(fù)合鋼板，其主要特點(diǎn)是碳鋼和不銹鋼形成牢固的冶金結(jié)合。不銹鋼復(fù)合板不僅具有不銹鋼的耐腐蝕性，又具有碳鋼良好的機(jī)械強(qiáng)度和加工性能，是新型的工業(yè)產(chǎn)品。不銹鋼復(fù)合板作為一種資源節(jié)約型的產(chǎn)品，減少貴重金屬的消耗，大幅度降低工程造價(jià)，實(shí)現(xiàn)低成本和高性能的完美結(jié)合，有良好的社會(huì)效益，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油、化工、鹽業(yè)和水利電力等行業(yè)[1-2]。

不銹鋼復(fù)合鋼板是由兩層不同性質(zhì)的鋼板復(fù)合而成，故在焊接時(shí)有其特殊性，既要滿足基層的焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又要使較薄的復(fù)層滿足耐腐蝕性能要求[3-9]。對(duì)于基層焊接要避免焊縫中Cr、Ni等合金含量增高，因Cr、Ni含量增高，基層焊縫中會(huì)形成硬脆組織，容易產(chǎn)生裂紋，影響焊縫強(qiáng)度；對(duì)于復(fù)層焊接要避免增碳，因復(fù)層增碳就會(huì)大幅度降低其焊縫的耐腐蝕性。另外，碳鋼/低合金鋼與不銹鋼兩種鋼物理特性差別也很大，焊后接頭存在較大的殘余應(yīng)力[10-15]。因此，復(fù)合板焊接作業(yè)比單層鋼板復(fù)雜，要采用復(fù)合鋼板特殊的焊接工藝。

本研究通過選擇合理的基層、過渡層及復(fù)層的焊接材料，保證了焊接接頭具有優(yōu)良的力學(xué)性能及抗晶間腐蝕性能。另外，通過調(diào)整焊接坡口形式，降低了該復(fù)合板焊接時(shí)產(chǎn)生的變形。

1 試驗(yàn)方法

復(fù)合板焊接試板選用首鋼首秦公司生產(chǎn)的(13+3)mm厚Q345R碳鋼+316L不銹鋼的熱軋復(fù)合板，復(fù)合板的生產(chǎn)按照GB/T 8165―2008《不銹鋼復(fù)合鋼板和鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)采用的復(fù)合板Q345R碳鋼和316L不銹鋼的主要化學(xué)成分見表1。焊接方法采用焊條電弧焊，焊接試驗(yàn)為平焊對(duì)接焊。為了保證復(fù)合板焊接接頭的力學(xué)性能及抗腐蝕性能，焊接時(shí)先焊Q345R碳鋼側(cè)，背面清根后焊接316L不銹鋼側(cè)，其中不銹鋼側(cè)的焊接包括過渡層焊接及復(fù)層焊接。Q345R碳鋼一側(cè)的焊接采用大西洋公司的CHE507焊條，不銹鋼一側(cè)過渡層及復(fù)層的焊接分別采用奧林康公司的SAFINOX R 309L和SAFINOX R 316L焊條。復(fù)合板的焊接工藝優(yōu)化試驗(yàn)采用了兩種坡口形式的焊接試板，分別為對(duì)稱X形坡口和非對(duì)稱X形坡口，焊接試板尺寸為400mm×200mm×16mm。兩種坡口形式的焊接試板焊道如圖1所示，焊接試驗(yàn)用電焊條熔敷金屬主要化學(xué)成分及焊道所選焊材見表2和表3。

表1 復(fù)合板Q345R碳鋼和316L不銹鋼的主要化學(xué)成分

圖1 兩種坡口形式的焊接試板焊道示意圖

表2 試驗(yàn)用電焊條熔敷金屬的主要化學(xué)成分

表3 不同試驗(yàn)方案下各焊道選用的焊材型號(hào)

焊后對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行檢測，試驗(yàn)包括硬度試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、基層側(cè)沖擊試驗(yàn)以及不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)抗剪切試驗(yàn)，其中抗剪切試驗(yàn)按照GB/T 6396―2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

焊接接頭的抗晶間腐蝕性能檢測為不銹鋼復(fù)層側(cè)焊縫抗晶間腐蝕性能試驗(yàn)，晶間腐蝕試驗(yàn)按照GB/T 4334《金屬和合金的腐蝕—不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試樣尺寸為80mm×25mm×3mm，試驗(yàn)溶液為硫酸－硫酸銅溶液。試樣經(jīng)過該溶液處理后進(jìn)行背彎試驗(yàn)，然后對(duì)接頭檢測區(qū)進(jìn)行裂紋檢測。

2 復(fù)合板焊接工藝優(yōu)化研究

對(duì)兩種坡口形式的焊接試板進(jìn)行復(fù)合板的焊接試驗(yàn)。在焊前預(yù)留變形和不預(yù)留變形的兩種情況進(jìn)行焊接，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 方案1焊前與焊后焊接接頭變形示意圖

圖3 方案2焊前與焊后焊接接頭變形示意圖

從圖2和圖3可以看出：方案1中，未留預(yù)變形焊接時(shí)復(fù)合板一側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，焊后試板單側(cè)產(chǎn)生了 2°～2.5°的變形（見圖2（a））；與傳統(tǒng)同種鋼材焊接預(yù)留反變形不同，當(dāng)復(fù)合板焊前在先焊的碳鋼一側(cè)預(yù)留了變形，單側(cè)角度為2°，焊后獲得了平整的焊接接頭（見圖2（b））；方案2中，當(dāng)焊前未留預(yù)變形時(shí)，焊后試板單側(cè)產(chǎn)生了1°～1.5°的變形（見圖3（a）），但變形程度明顯小于方案1；若焊前碳鋼側(cè)預(yù)留1°的單側(cè)變形，焊后獲得了平整的焊接接頭（見圖3（b））。

通過對(duì)兩種方案中復(fù)合板焊接優(yōu)化的研究及傳統(tǒng)焊接經(jīng)驗(yàn)可以看出，該規(guī)格的復(fù)合板焊接時(shí)會(huì)比同厚度規(guī)格的碳鋼材料產(chǎn)生更大的變形。當(dāng)復(fù)合板現(xiàn)場裝配焊接時(shí)，由于材料處于拘束狀態(tài)，因此焊后構(gòu)件產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也會(huì)高于同規(guī)格的碳鋼材料。構(gòu)件安裝產(chǎn)生的變形或殘余應(yīng)力會(huì)影響構(gòu)件的性能，甚至由于過大的變形導(dǎo)致無法正常裝配。本研究通過改變復(fù)合板焊接試板坡口形式，由對(duì)稱X形坡口改為非對(duì)稱X形坡口，焊接試板焊后產(chǎn)生的變形減小，因此采用非對(duì)稱的X形坡口更適合復(fù)合板的焊接。另外，采用非對(duì)稱X形坡口，復(fù)層側(cè)焊接填充量減小，貴重的不銹鋼焊材的消耗量也減小，因此會(huì)減小復(fù)合板的焊接成本。

3 復(fù)合板焊接接頭性能研究

采用方案2非對(duì)稱X形坡口及合適的焊接工藝參數(shù)，焊接獲得了Q345R/316L復(fù)合板的焊接接頭。對(duì)復(fù)合板不銹鋼焊縫的成分進(jìn)行了測量，焊縫主要化學(xué)成分見表4。對(duì)復(fù)合板焊接接頭不同的位置進(jìn)行了硬度的檢測，結(jié)果如圖4所示。圖4中350 HV10為臨界硬度線，一般認(rèn)為焊接接頭最高硬度值超過該臨界線，接頭的冷裂傾向就會(huì)增大，需要考慮對(duì)其焊前預(yù)熱或焊后熱處理。復(fù)合板需要考慮兩層材料的結(jié)合性能，一般采用抗剪切試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了考察焊接熱循環(huán)是否會(huì)對(duì)復(fù)層與碳鋼的結(jié)合力產(chǎn)生影響，采用抗剪切試驗(yàn)檢測了不銹鋼側(cè)焊接接頭熱影響區(qū)處兩種材料的結(jié)合力。對(duì)復(fù)合板焊接接頭的拉伸性能、彎曲性能、焊縫和熱影響區(qū)的沖擊性能也進(jìn)行了檢測，結(jié)果見表5。焊接接頭拉伸和彎曲后試樣照片如圖5所示，焊接接頭熱影響區(qū)抗剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

表4 Q345R/316L復(fù)合板焊縫的主要化學(xué)成分 %

圖4 Q345R/316L復(fù)合板焊焊接接頭硬度測試結(jié)果

表5 Q345R/316L復(fù)合板焊接接頭的力學(xué)性能

圖5 焊接接頭拉伸和彎曲后的試樣照片

圖6 焊接接頭熱影響區(qū)抗剪切試樣及試驗(yàn)結(jié)果

由圖4看出，焊接接頭最高硬度值290 HV10出現(xiàn)在碳鋼側(cè)的熱影響區(qū)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于350 HV10，因此可以判斷該焊接工藝下獲得的焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋的傾向較低。由表5和圖5可以看出，復(fù)合板焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為529 MPa，斷裂位置在母材處，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；接頭正彎和反彎性能均合格，接頭處沒有出現(xiàn)裂紋；接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)0℃的沖擊性能也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且富余量較大。由表5和圖6可以看出，不銹鋼側(cè)焊縫熱影響區(qū)的復(fù)層與碳鋼的結(jié)合力抗剪切強(qiáng)度為515 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的210 MPa，因此焊接熱循環(huán)沒有導(dǎo)致該復(fù)合板結(jié)合力的下降甚至不合格。

根據(jù)貧鉻理論，為了防止焊縫發(fā)生晶間腐蝕：一是通過焊接材料，使焊縫金屬成為超低碳，或者含有足夠的穩(wěn)定化元素Nb；二是調(diào)整焊縫成分獲得一定數(shù)量的鐵素體相。為了獲得鐵素體相，一般需適當(dāng)提高鐵素體化元素的含量。舍夫勒焊縫組織圖把室溫組織與Cr eq和Ni eq所表示的焊縫成分聯(lián)系起來，通過計(jì)算焊縫區(qū)Cr eq及Ni eq可確定焊縫金屬室溫組織。舍夫勒焊縫組織圖及Cr eq和Ni eq計(jì)算公式如圖7所示。由圖7計(jì)算可得出焊縫Cr eq=22.06%，Ni eq=12.49%，焊縫室溫組織中存在10%～12%的鐵素體相，焊縫具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕性能。

另外，熱影響區(qū)敏化區(qū)晶間腐蝕是指焊接熱影響區(qū)中加熱峰值溫度處于敏化加熱區(qū)間的部位所發(fā)生的晶間腐蝕，焊接過程中如果冷卻速度快，鉻碳化物就不會(huì)析出，試驗(yàn)中為了防止敏化區(qū)腐蝕，在焊接工藝上采用小熱輸入焊接，減少了處于敏化加熱時(shí)間，其中不銹鋼焊接選用的熱輸入比碳鋼側(cè)低10%。

圖7 舍夫勒焊縫組織圖及Cr eq和Ni eq計(jì)算公式

晶間腐蝕試驗(yàn)后經(jīng)彎曲試驗(yàn)，不銹鋼層及不銹鋼焊接接頭各區(qū)域的形貌如圖8所示。由圖8可見，試樣表面沒有開裂現(xiàn)象，表明母材及不銹鋼焊接接頭均具有良好的抗晶間腐蝕性能。

圖8 復(fù)合板不銹鋼層及其不銹鋼焊縫抗晶間腐蝕試樣

4 結(jié) 論

通過對(duì)(13+3)mm厚Q345R/316L復(fù)合板的焊接工藝優(yōu)化及其焊接接頭性能的研究，得出以下結(jié)論：

（1）復(fù)合板焊接試板由對(duì)稱X形坡口改為非對(duì)稱X形坡口，可明顯降低焊后試板的變形，試板單側(cè)變形由2°降低到1°。

（2）研究中采用的焊接工藝獲得的焊接接頭，具有優(yōu)良的拉伸性能、彎曲性能及沖擊性能，不銹鋼焊接熱影響區(qū)復(fù)層與碳鋼的抗剪切性能也能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）復(fù)合板不銹鋼層及其焊接接頭經(jīng)過晶間腐蝕試驗(yàn)，彎曲后都沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，因此研究中獲得的焊接接頭具有優(yōu)異的抗晶間腐蝕性能。

[1]李龍，張心金，劉會(huì)云，等.不銹鋼復(fù)合板的生產(chǎn)技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用[J].軋鋼，2013，30（3）：43-47.

[2]田雅琴，秦建平，李小紅.金屬復(fù)合板的工藝研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2006，21（1）：40-43.

[3]董桂萍，王少剛，季小輝.不銹鋼復(fù)合板制備技術(shù)及其焊接性探討[J].焊接，2008（6）：10-14.

[4]陳忱，王少剛，俞曠.304L/SA516Gr70不銹鋼復(fù)合板焊接接頭的組織與性能分析[J].電焊機(jī)，2011，41（10）：88-91.

[5]姜莉，郭曉春，李娟娟，等.14CrlMoR+347H不銹鋼復(fù)合板焊接[J].石油化工設(shè)備，2009，38（3）：70-72.

[6]吳立斌，石昕，楊燕.不銹鋼復(fù)合板制容器的焊接技術(shù)[J].焊接，2014，44（9）：101-105.

[7]劉海璋，畢宗岳，楊軍，等.316L/X60復(fù)合板焊接工藝、組織特征及腐蝕性能研究[J].焊管，2014,12（37）：5-10.

[8]廖慧敏，宋凱強(qiáng)，曹艷平，等.奧氏體不銹鋼復(fù)合鋼板焊接工藝及接頭組織研究[J].熱加工工藝，2012，41（17）148-150.

[9]嚴(yán)華，顧芝敏.14Cr1MoR與321復(fù)合鋼板的焊接技術(shù)[J].焊接技術(shù)，2011，40（9）：53-55.

[10]李國成，蔣文春.線能量對(duì)不銹鋼復(fù)合板殘余應(yīng)力和變形的影響[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2010，39（9）：159-162.

[11]范瀟，李京龍，楊曉君，等.大型混流式水輪機(jī)焊接殘余應(yīng)力分布的研究[J].熱加工工藝，2009，38（1）：4-8.

[12]JIANG WENCHUN，GONG JIANMING，CHEN HU，et al.The effectof filler metal thickness on residual stress and creep for stainless-steel plate-fin structure[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，2008，85 （8）：569-574.

[13]張瑩瑩，張翠翠，李帆.換熱器管子與管板焊接接頭殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2009，38（7）：120-122.

[14]蔣文春，鞏建鳴，涂善東.焊接殘余應(yīng)力對(duì)氫擴(kuò)散影響的有限元模擬[J].金屬學(xué)報(bào)，2006，42（11）：1221-1226.

[15]陳星明，何東升.基于單元生死的管道對(duì)接焊殘余應(yīng)力數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2009，38（9）：94-96.

Double-sided Welding Procedure Optimization of Q345R/316L Clad Plate and Its Welded Joint Properties Research

WANG Fenghui,LIU Liwei,CHEN Yanqing,XU Jing,LIU Hong,QI Jian
（Shougang Research Institute of Technology,Beijing 100043,China）

In order to research the weldability of Q345R/316L clad plate with （13+3）mm thickness and the deformation control of its welded joint,three welding electrodes were selected to carry out the welding procedure optimization.The study found that the deformation of welded plate with asymmetrical X-groove was less than plate with symmetrical X-groove after welding.The mechanical performance of welded joint was analyzed by using tensile test,impact test,bending test,hardness test and shear test.Intergranular corrosion test was adopted to evaluate the intercrystalline corrosion resistance of the stainless steel welding.The results showed that the mechanical property and intergranular corrosion resistance meet the requirements of the relevant technical standards and demands of the users.

welding;clad plate；Q345R/316L；welded joint；welding deformation；intergranular corrosion resistance

TG407 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.03.005

王鳳會(huì)（1988—），男，碩士，主要從事金屬焊接性研究和焊接材料開發(fā)工作。

2015-11-10

李紅麗