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不锈钢复合板焊接工艺的研究
来源:《现代焊接》杂志网址:http://jishu.weldinfo.net/show.php?itemid=1465浏览数:713

1 引言
     随着工业技术的发展,对材料的使用性能提出了更高、更苛刻的要求,单一的金属或合金在很多情况下很难满足工业生产对材料综合性能的要求。而复合板由于在设计上可以综合各组元的优点,并弥补了各自的不足,具有单一金属或合金无法比拟的优异综合性能。不锈钢复合板是由不锈钢和碳钢或低合金钢复合而成的双金属,由不锈钢层保证耐蚀性能,强度主要靠碳钢或低合金钢层获得,这样可以节约大量不锈钢,具有良好的经济价值。正是由于不锈钢复合板具有良好的综合性能和价格优势,因此在宇航、石油、化工、造船、电力、冶金、机械、核能等领域得到广泛应用。

    本文以化学品船建造为背景,针对不锈钢复合板的相关焊接工艺进行了研究。

2 不锈钢复合板焊接性分析
    复合板由复层和基层组成,他们的物理、化学性能差异较大,使用性能不同。为了保证复合板焊后保持原有的综合性能,对基层、复层、过渡层必须根据其材质、使用要求分别焊接。
基层材质一般均选择低碳钢或低合金钢,焊接性很好。基层焊接时,按照等强原则选择焊材。
复层材质一般为奥氏体不锈钢,具有较好的焊接性能。焊材的选择主要满足使用的特殊性能要求,即按化学成分相匹配和满足耐腐蚀性能要求的原则。

   基层与复层交界处即过渡层的焊接属于异种金属的焊接,两种材料的物理性能存在很大差别,焊接冶金反应过程比较复杂,是复合金属焊接中难度最大、直接影响焊接工艺成败的关键。过渡层焊接时,除解决好不锈钢焊接中常出现的焊缝结晶裂纹、热影响区液化裂纹、熔合区脆化等缺陷外,更重要的是减少基层和复层之间的相互扩散、相互渗透,焊接时应尽量采用小参数,降低熔合比,过渡层应选用高铬镍型焊材以补充基层对复层的稀释,并补充焊接过程中合金元素的烧损,从而保证复层的耐蚀性。

   为了确保复层耐蚀的特殊性能要求,应尽可能采用双面焊。在焊接顺序上应采用先焊基层,经反面清根及质量检验合格后再焊过渡层,最后焊复层,以减少复层的多次受热,降低稀释率。

3 试验材料及方法
  3.1 试验材料
  试验母材采用大连船舶重工公司生产的不锈钢复合板316L+AH36(5mm+15 mm),化学成分见表1,力学性能见表2。3.2 焊接方法

1 不锈钢复合板的化学成分(wt%)

C
Mn
P
S
Cr
Si
Ni
Mo
AH32
0.13
1.41
0.02
0.004
0.01
0.14
0.004
0.0005
316L
0.02
1.04
0.03
0.001
16.6
0.73
10.09
2.06

2 不锈钢复合板的力学性能
抗拉强度
Rm/MPa
屈服强度
Rp0.2/MPa
伸长量
A/%
冲击功(0℃)  
kV/J
抗拉强度
Rm/MPa
559
408
27
272,285,259,272
290

    根据项目的实际情况,基层、复层采用药芯焊丝气体保护焊,过渡层采用手工电弧焊,具体化学成分见表3。
3 焊材的化学成分 (wt%)

C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Mo
YJ502
0.057
0.43
1.44
0.006
0.014
-
-
-
309MoL
0.027
0.74
1.6
0.001
0.020
23.02
13.7
2.14
316L
0.03
0.72
1.030
0.012
0.014
18.83
11.72
2.04
4 焊接性试验
   4.1 焊前准备
   4.1.1不锈钢复合钢板的切割以及坡口加工尽量采用机械加工的方法,切割面应光滑,采用剪床切割时,复层应朝上。对厚板也可以采用等离子切割,切割时复层朝上,严禁将切割的熔渣落在复层上。

  4.1.2为了确保焊接质量、减少熔合比、便于现场施工,经试验决定采用图1所示的坡口型式,间隙0~2mm,钝边0~1mm。

  4.1.3坡口加工完成后应进行外观检查,不得有裂纹和分层,否则应进行修补。

  4.1.4坡口及其两侧各20mm范围内应用机械方法及有机溶剂进行表面清理,清除表面的油污、锈迹、金属屑、氧化膜及其他污物,复层距离坡口100mm范围内应涂防飞溅涂料。
   4.2 焊接顺序及焊道布置
   焊接按照先焊基层,再焊过渡层,最后焊复层的顺序进行施焊,具体如图2所示。
   4.3 焊接工艺参数
   热输入量为单位长度焊缝所接受的能量,是影响焊接热循环的主要因素,也就是说控制热输入、降低热输入是保证不锈钢复合板焊接质量的关键。具体焊接参数,见表4。
4 焊接参数
焊道 编号
焊接方法
牌号
规格
(mm)
电流
(A)
电压
(V)
焊速
(mm/min)
1~8
FCAW
AT-YJ502(Q)
1.2
175~260
26~34
208~395
9
SMAW
GES-309MoL
4.0
155~160
32~38
333
10~12
FCAW
AT-Y316L
1.2
150~170
24~26
185~263
    4.3.1基层打底焊接时应注意根部成形,背部透度不能太高,焊接基层时不得触及和熔化复层,基层正面焊接结束后对背面进行碳弧气刨清根,并用砂轮打磨露出金属光泽,然后进行焊接,焊接结束后将待堆焊面磨平,待堆焊面距复合界面1~2mm为宜。

   4.3.2基层与复层之间的过渡层是复合钢板焊接的关键。焊接过渡层时,在保证熔合良好的前提下,应采用较小的焊接参数进行施焊,以保持最小的焊缝稀释率。焊后过渡层应超过复合界面0.5~1mm以上,焊缝成形应平滑,不可凸起。

  4.3.3复层焊接也应尽可能采用小的热输入,层间温度不应超过150℃,在焊接时,要注意保护复层的表面,防止焊接飞溅物损伤复层表面,不得在复层表面引弧或随意焊接安装临时构件。复层焊缝表面应尽可能与复层表面保持平整、光顺,焊缝余高不大于1.5mm。

  5 试验结果与分析
  5.1 无损检验
焊接结束后对试件进行外观检验,焊缝及热影响区未发现咬边、表面气孔、裂纹、夹渣等缺陷,焊缝余高0.5~1.5mm,焊缝与母材圆滑过渡;试件经射线探伤也未发现裂纹、未熔合、未焊透、夹渣等缺陷,按照GB 3323-2005焊接接头质量为Ⅰ级。

  5.2 拉伸试验
拉伸试验将拉伸试样固定在WE-100型万能试验机上,然后对其施加拉应力,造成试样轴向伸长直到破断为止,是衡量材料强度的主要指标。试验结果如表5所示。
5 拉伸试验结果
试件编号
拉伸强度
MPa)
断裂位置
1
575
母材
2
580
母材
   根据试验结果可以看出拉伸试验结果满足规范要求。

   5.3 弯曲试验
   弯曲试验是考核材料承受变形的能力,将加工好的标准弯曲试样在WE-100型万能试验机上进行弯曲试验。按照规范要求取4个侧弯试样用50mm的压头直径进行弯曲试验,弯曲角度180°,在弯曲后的试样表面无裂纹且在任何方向上无长度大于3mm的其他缺陷,试验结果满足规范要求。

   5.4 冲击试验
   冲击检验是将冲击试样放在JB-30B冲击试验机上,用冲击载荷使结合面的刻槽处发生破断,以此破断处单位面积上所消耗的冲击功来确定焊接接头的冲击性能,本次冲击试验采用0℃的夏比型冲击,在距接头表面1~2mm位置取样,缺口位置分别位于焊缝中心、熔合线、熔合线2mm、熔合线5mm,试验结果如表6所示。
6 冲击试验结果
缺口位置
单个冲击值(J)
平均冲击值(J)
焊缝中心
159160、164
161
熔合线
172216、126
171
熔合线+2 mm
196166、159
174
熔合线+5 mm
169173、179
174
   根据冲击结果可以看出冲击值均满足规范要求(0℃≥47J)。

   5.5宏观及硬度试验
   通过焊缝宏观检查发现焊缝完全焊透、无裂纹等缺陷。同时对接头基层、过渡层、复层的硬度进行了测量,硬度值如表7所示。
7 硬度试验结果
 
焊缝金属
热影响区
母材
不锈钢复合板
硬度平均值 (HV10)
基层
217
215
182
过渡层
206
204
211
复层
236
240
218
   6  结论
   6.1 采用二氧化碳气体保护焊、手工电弧焊,配合AT-YJ502(Q)、AT-Y316L及GES-309MoL焊材焊接不锈钢复合板,在合理的焊接工艺条件下,能够得到高质量的焊接接头。
   6.2该工艺在化学船的建造上得到成功运用,取得了较好效果,得到了船东及船检的认可。


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