复合钢板焊接技术及焊接接头断裂分析

武俭胜

【摘要】复合钢板的焊接具有低合金钢、碳钢、不锈钢的异种、焊接的特点，其焊接的方法和焊接的工艺也有不同。因此，需要重点掌握不同异种和型号的钢筋的焊接特点以及工艺和技术，仔细、认真的焊接好过渡层和复层焊缝，保证产品的质量。本文针对复合钢板的焊接技术及其接头的断裂进行简要分析。

【关键词】复合钢板焊接；接头断裂；分析

前言

复合钢板以其高耐磨性、良好的耐冲击性、较好的耐热性和耐腐蚀性、选择面广、适应性强、方便加工及高性价比等抗磨材料中的优势，被广大厂矿企业所采用。但在使用的过程中曾出现过焊接接头断裂现象不容忽视。需要加以分析和改进，以保证使用的安全性和使用寿命。

一、复合钢板的焊接技术分析

复合钢板是由不锈钢、镍基合金、铜基合金或钛板为复层，珠光体钢为基层，以爆炸焊、复合轧制、堆焊等方法制成的双金属板材。复合钢板的基层应满足接头强度和刚度的要求，复层应满足耐蚀等要求。为了保证复合钢板不失去原有的综合性能，对基层和复层必须分别进行焊接。其焊接性、焊材选择、焊接工艺等由基层、复层材料决定。基层和复层交界处的焊接属异种钢焊接，其焊接性主要取决于基层和复层的物理性能、化学成分、接头形式、填充金属成分。

1、焊接方法

根据复合钢板材质、接头厚度、坡口尺寸及施焊条件等确定焊接方法，通常有焊条电弧焊、埋弧焊、鎢极氩弧焊、C02气体保护焊及等离子弧焊等。目前常用钨极氩弧焊或焊条电弧焊焊接复层.用埋弧焊或焊条电弧焊焊接基层。

2、坡口形式

对接接头坡日形式可采用V形、X形、v和U联合形坡口。也可以在接头背面一，段距离内进行机械加工，去掉复层金属，以确保焊基层焊道时不使基层焊肉焊到复层上。一般尽可能采用x形坡口双面焊，先焊基层，再焊过渡层，最后焊复层。以保证焊接接头具有较好的耐腐蚀性。同时考虑过渡层的焊接特点，尽量减少复层一侧的焊接工作量。角接接头坡臼形式是无论复层位于内侧或外假，均先焊接基层。复层位于内侧时，在焊复层以前应从内倒对基层焊根进行清根。复层位于外侧时，应对基层最后焊道进行修磨光。焊复层时，先焊过渡层。再焊复层。当复层金属的熔化温度高于基层钢的熔化温度，而且两种金属在冶金上不相容时，复层金属必须采用衬垫以保持复层的完整性。在基层焊完后，用角焊缝将衬垫与复层焊接起来。

3、焊接时的注意事项

1）在进行装配的时候点焊只能在基础层上面进行，不管是焊接还是点焊都需要对复层实施必要的保护，避免碳钢对复层的污染。特别要注意的是，经过打磨的碳钢砂轮不能在经复层使用。2）针对需要返修的复合层焊接或者是过渡层焊接，只能用砂轮来打磨和清除缺陷，避免不锈钢和碳钢的渗入。3）对焊接影响最大的就是不锈钢复合板，因此，在装配的时候应该严格控制坡口的错位。4）对不锈钢复合板进行焊接时最重要的一点就是碳钢混入不锈钢焊缝里或复层不锈钢混入碳钢焊缝中：在对基层进行焊接时应该注意不能使复层熔化，使用自动埋弧焊接的时候应该更加小心，把靠近复层的自动埋弧焊变为焊条电弧焊；在对过渡层进行焊接的时候要注意的是，基层和复层的结合处的熔合情况：在对过渡层进行复层焊之前要首先进行铁离子检测，不合格时就应该砂轮打磨再进行检测。在焊接的同时应注意飞溅的碳钢杂物进入到不锈钢焊缝中。5）不能用低合金焊材和碳钢焊材在复层焊缝、过渡层焊缝以及复层母材上面进行焊接。对过渡层进行焊接时应注意基层母材、基层焊缝、复层母材，而且要注意的是应该铺满基层母材和基层焊缝。

二、复合钢板焊接接头断裂的原因分析

1、断裂原因

1）材料不合格。分析认为，冲击功不合格与钢板爆炸复合后的热处理工艺以及执行热处理工艺过程中出现的某些偏差有关，如恒温温度或冷却速度不均匀等，表现为其金相组织不均匀，有的区域珠光体呈正常的块状分布，而有的区域珠光体则呈网状分布。相对于铁素体，珠光体相的塑性韧性较低，若其连成网状，则会降低母材组织的冲击韧性。2）校圆时复层未焊，复层剔除深度和宽度不够，坡口根部存在应力集中。3）施焊时的环境温度较低，增加了材料的脆断敏感性。

2、硬度问题能谱分析

按不同材料检号及规格，共选取了18组试样的冲击试验。由于筒节断裂是在基层焊接完成后的校圆阶段发生，当时20台换热器的筒节全部卷制完成。因此，进一步的检验只能在筒体两端的开孔位置取样，筒体上开孔的最大直径为φ250mm，故无法进行完整的力学性能试验。取样前重新调整，以便对不同的材料检号取样。结果表明，与断裂的2个筒节具有相同材料检号的另外4个筒节的冲击功全不合格，单值最高为42J，最低为17J。18组试验中有10组合格，8组不合格，其中数量最大的（16+3）mm和（12+3）mm两批钢板试样的冲击功有合格的也有不合格的。此外，对厚度为（16+3）mm和（24+3）mm复合钢板在不同部位取样做冲击试验发现，同一张钢板板头位置试样的横向平均冲击功几乎是板中间部位试样的3倍。对同一部位的纵、横向冲击韧性进行比较试验，结果表明，纵向平均冲击功大约比横向平均冲击功高1倍。从断裂的筒节上取样进行金相检验，基层16MnR的金相组织除带状组织明显外，未见其它异常，晶粒度为8级。冲击试样的金相组织观察表明，其珠光体呈网状分布，这说明母体组织不均匀，表现为冲击功相差较大。在扫描电镜下观测到的断口形貌。从断口的低倍形貌可以看出，裂纹起源于右侧表面，即复层刨削后的坡口根部位置。且裂纹起始阶段有明显的撕裂现象，其微观形貌为韧窝特征。其它区域主要为裂纹的快速扩展区，其微观形貌为解理特征，宏观上表现为光亮区域。

能谱分析结果也表明，裂纹起源于复层，扩展过程中又从复层穿入基层，最终导致断裂。

3、改进措施

通常情况下，不合格的材料将被判报废。由于该批材料不合格的主要原因是爆炸复合后的热处理工艺及其热处理过程不当，其力学性能中仅0℃冲击功不合格，金相组织观察也未发现过烧等组织缺陷，因此，采用重新进行热处理的办法恢复其组织与性能。正火是将材料重新加热到完全奥氏体化后空冷的热处理工艺，热处理后可获得新的先共析铁素体和珠光体组织，能切断材料原有组织的遗传性，消除原材料中的粗大组织。为此，进行了正火热处理试验。试验结果表明，采用正火热处理极大地改善了材料的冲击韧性，其各项性能均满足标准要求。

考虑到在正火热处理试验后，材料的抗拉强度已达到标准要求的最低抗拉强度。因此，在制定热处理工艺时，将恒温阶段的温度降低了15℃，以确保材料的强度符合标准要求。对换热器筒节的正火处理共进行了4炉，每炉带2块母材试板，试板从断裂的筒节上切取。根据由随炉试板制备的试样所做的冲击试验结果，经正火处理后筒节材料的冲击功提高了2-5倍，取得了良好的效果。

结语

复合钢板具有良好的耐腐蚀性，它既节约了不锈铜的材料又保证了产品的质量。因此，被广泛的应用到实际的工作施工当中，水利、冶金、食品工业、核工业、石油化工等领域都有大量的应用。在复合钢板爆炸焊接中，应严格按标准规范要求执行。用复合钢板制造各种设备时，刨削复合层要彻底。控制焊接环境温度，使其超过5℃，以避免材料产生低温脆断。

参考文献：

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