Q245R/0Cr18Ni9不锈钢复合板焊接工艺及接头力学性能

冯玉兰，蔡积虎

（山西戴尔蒙德不锈钢科技有限公司，山西晋中030622）

Q245R/0Cr18Ni9不锈钢复合板焊接工艺及接头力学性能

冯玉兰，蔡积虎

（山西戴尔蒙德不锈钢科技有限公司，山西晋中030622）

采用等离子弧焊（PAW）、不添加焊丝的方法对基层碳钢进行打底焊接，再采用埋弧焊（SAW）、选用焊丝H08MnA、焊剂SJ101对碳钢基层进行盖面焊接；其次采用非熔化极电弧焊（TIG）、选用焊丝ER309L和ER308L分别焊接Q245R/0Cr18Ni9不锈钢板的过渡层和复合层。对复合板接头进行力学性能测试，结果表明接头的抗拉强度、屈服强度以及延伸率均在母材力学性能要求的范围内，且拉伸试件的断裂部位均在母材部位，对不锈钢复层进行晶间腐蚀试验，腐蚀之后焊缝表面并没有发生腐蚀开裂；进一步说明焊接工艺的可行性，能够满足实际生产需要。

不锈钢复合板；力学性能；焊接工艺

0 前言

随着现代工业的不断发展，金属复合材料的应用逐渐被推广，规模上占据很大的比例，其中不锈钢复合板所占比例不低于80％。它是由低碳钢或者是低合金钢材料和不锈钢材料通过一定的工艺结合而成[1]，其特点是同时具有两种材料的优良性能，试验用不锈钢复合材料为Q245R/0Cr18Ni9，基层材料Q245R低碳钢为管的外壁，主要满足强度、刚度和韧性等力学性能，复合层0Cr18Ni9材料（304不锈钢）作为钢管的内壁，满足耐腐蚀、耐热、耐磨损等性能的要求。另外在制作成本上低于传统的不锈钢材料，因此该材料被广泛应用于石油、化工、能源、食品等各行各业中[2]。

1 焊接材料及方法

1.1 母材

试验材料为Q245R/0Cr18Ni9不锈钢复合板，厚度为（10+3）mm，基层碳钢Q245R的厚度为10 mm，不锈钢304复层厚度为3 mm，板材尺寸为800 mm×

300 mm×13 mm。

1.2 焊接方法和设备

焊接方法：等离子弧焊（PAW）、埋弧焊（SAW）、钨极氩弧焊（TIG）。

焊接设备：边梁P+T单丝埋弧焊缝焊接系统、边梁双枪P+T纵环焊缝焊接系统；系统包含德国进口的等离子焊接电源PAW 522 DC-P、TIG焊接电源TETRIX 521；机械化程度为自动化。

焊接顺序为先焊基层，再焊过渡层，最后焊复合层。焊接方式为多层焊，焊接位置为平焊。

1.3 填充材料的选择

1.3.1 不锈钢复合板的焊接性

碳钢与不锈钢在物理性能上有较大的差别，存在差别的原因有两点：（1）不锈钢的热导率低于低合金钢；（2）不锈钢的线膨胀系数和电阻率比碳钢的大得多。从宏观角度分析，以上两点差别使得的焊接过渡层时会产生较大的焊接应力和变形，这一现象在低温时仍然存在；另外，焊缝与母材交界处熔合区的组织存在不均匀性，很容易产生焊接裂纹[3-9]。从微观的角度分析焊接过程，在热量的作用下，基层碳钢中的C会向复层的不锈钢扩散，随着时间的推移，扩散累积使得在接头处出现增、脱碳层，进而产生马氏体组织，马氏体组织本身较硬，是焊接接头最敏感的组织[10-11]。由于线膨胀系数的不同，在焊后冷却收缩时，必然在焊接接头处产生残余应力；而焊接过程中焊缝金属的稀释对复合材料的焊接性能起重要作用，熔合比越小，稀释率越低，焊接性越好。

1.3.2 焊材的选用

为了解决上述问题，采用镍基填充材料，其作用有：（1）Ni塑、韧性好，可以释放应力，解决应力过渡。（2）减小两种材料的热膨胀系数，界面差度小，进而界面应力小；主要是因为镍基材料能够阻止C向奥氏体扩散，降低晶间腐蚀倾向，减小马氏体带的宽度，而且镍基材料的热膨胀系数介于奥氏体与珠光体（铁素体）钢之间，从而缓解因温度变化引起的热应力[12-14]。

基层Q245R采用等离子弧焊（PAW）与埋弧焊（SAW）进行焊接，采用等离子弧焊焊接时不进行填丝，埋弧焊焊接选用填充材料药芯焊丝H08MnA，直径为3.2 mm，烧结型焊剂SJ101；过渡层采用非熔化极电弧焊（TIG）焊接，选用填充材料焊丝ER309L，直径1.0 mm，复层同样采用非熔化极电弧焊（TIG）进行焊接，选用填充材料焊丝ER308L，直径1.2mm。试验母材的化学成分如表1所示，填充材料的化学成分如表2所示。

表1 试验母材的化学成分Tab.1Chemical compositions of base metals ％

表2 填充材料的化学成分Tab.2Chemical compositions of filler metals ％

2 坡口设计

坡口设计可以根据选用母材的厚度、焊接方法等工艺条件选用标准坡口，也可以自行设计。对于不锈钢复合材料，其坡口形式的设计应保证在焊接过渡层时焊缝稀释率较低[15]，本试验设计的坡口形式如图1所示，在加工时以复层（不锈钢层）为基准面，坡口设计依据如下。

图1 焊接坡口示意Fig.1Schematic of welded joint

（1）复层厚度3 mm，坡口开口深度4 mm，使基层和复层完全分开，从而保证低的稀释率和过渡层的焊接质量，既保证了复层的耐腐蚀性，又保证了基层强度等力学性能。

（2）基层碳钢侧设计斜角可以防止焊缝夹渣和未熔合缺陷。

3 焊接技术要求

（1）每道焊接前应先用丙酮或不锈钢丝轮清理焊缝坡口及两侧各50 mm范围内的油污、铁锈、氧化皮等。

（2）使用等离子（PAW）打底，从管子外侧也就是碳钢侧用PAW穿透，达到单面焊双面成型效果；用埋弧焊（SAW）焊接碳钢层，焊接过程分多层填满焊缝，焊缝余高不大于1.5 mm。

（3）使用等离子（PAW）将碳钢进行穿透后，必须进行清根处理（用砂轮机或钢丝刷对焊道进行打磨清理），必要时再用丙酮擦拭焊道表面，使覆层焊缝表面与覆层表面平整，方可进行下一道焊接。

（4）使用埋弧焊（SAW）进行焊接，焊前必须烘干焊剂，烘干温度250℃～300℃，烘干时间约2 h。在焊接过程中未熔化的埋弧焊焊剂可以回收再使用，在重新使用之前，应清除旧焊剂中的熔渣、杂质及粉尘，并加入不少于50％的新焊剂均匀混合。

（5）严格控制焊缝层间温度不大于150℃。

（6）焊接过渡层及不锈钢层宜采用小线能量多道焊接，即小电流快速焊，保证小的热输入量，防止焊缝组织晶粒粗大，导致焊缝的强度、韧性、延伸率等力学性能下降。

（7）过渡层焊缝金属在基层处的厚度控制在1.5～2.5 mm，在覆层处的厚度为0.5～1.5 mm，焊接过程中注意保护覆层的表面，防止焊接飞溅物等损伤覆层表面。

（8）焊接人员：①参加复合板焊接试验的焊工应认真领会焊接工艺要求，总结试焊经验，参加并主导产品焊接，做到人员固定、参数固定，及时解决发现的问题；②在有该工艺经验焊工的实际操作和指导下进行焊接，提高责任心和质量意识。

4 焊接参数和焊缝表面成形

不同的焊接方法，其焊接参数也不同。本次试验涉及的焊接参数主要包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度、离子气、保护气等。过渡层的焊接对于复合材料来说是整个焊接过程的关键因素。经过焊接大量试板，同时进行理化试验，得到较为理想的焊接质量的工艺参数见表3。

表3 焊接工艺参数Tab.3Welding parameters

复合板焊缝如图2所示，焊缝表面平整，焊道平直，外观上没有出现夹渣、气孔等现象，焊缝成形美观。

5 力学性能测试及分析

5.1 拉伸、弯曲试验测试

采用钢研纳克检测技术有限公司生产的拉伸压缩机进行试验，根据标准NB/T 47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》将焊缝加工成有关规定的试样尺寸，进行侧弯、拉伸试验，试样的测试条件是：加载速率5 mm/min，加载载荷10 kN，测试结果如表4所示。

由表4可知，屈服强度333 MPa高于母材要求的最低屈服强度245MPa，抗拉强度492MPa高于母材要求的最低值428 MPa，延伸率32％大于母材要求的最低值25％，焊接接头的力学性能都满足实际工程要求的最小值，焊接质量良好。焊缝侧弯、拉伸试样如图3、图4所示。由图3可知，焊缝表面光滑整洁，基层碳钢与复层不锈钢复合的分界线清晰可见，过渡层在碳钢层侧的深度约为1.5 mm，焊接状

态非常理想，而且表面没有裂纹出现。由图4可知，拉伸断裂的位置发生在离熔合线较远的母材处，焊缝性能较好，说明焊接工艺的合理性。

图2 复合板焊缝Fig.2Composite plate welding seam

图3 焊缝弯曲试样Fig.3Weld bend sample

图4 焊缝拉伸试样Fig.4Weld tensile sample

表4 Q245/0Cr18Ni9焊接接头力学性能Tab.4Mechanical properties of Q245/0Cr18Ni9 welded joint

5.2 耐腐蚀性能测试

晶间腐蚀是金属材料在特定介质中发生沿晶界开裂的现象，尤其对于不锈钢来说，如果焊接过程不当或者后期的热处理不当很容易发生晶间腐蚀。对于不锈钢晶间腐蚀的测试方法有多种，常用的是化学浸蚀法、电化学法。执行标准有GB/T4334.5-2000、ASTM A262、JISGO 571-0575。焊缝试样尺寸80 mm×40 mm×2.5 mm。

本次试验采用化学浸蚀法，主要用硫酸-硫酸铜溶液进行腐蚀，执行标准GB/T4334.5-2008。溶液配比方案：将100 g符合GB/T 665的分析纯硫酸铜（CuSO4·5H2O）溶解于700 ml蒸馏水或去氯离子水中，再加入100 ml符合GB/T 625的优级纯硫酸，用蒸馏水或去氯离子水稀释至1 000 ml，配制成硫酸-硫酸铜溶液作为本次试验的腐蚀液。试验装置如图5所示，试验所执行标准GB/T4334-2008方法E中化学浸蚀法的试验溶液、试验条件及评价指标如表5所示。

图5 晶间腐蚀试验装置Fig.5Test Device for inter-granular corrosion

表5 晶间腐蚀测试方法及参数Tab.5Test method and parameters of inter-granular corrosion test

针对复合板的复层即不锈钢层进行晶间腐蚀试验，在硫酸铜溶液中煮沸16 h后的试样如图6所示，分别是进行晶间腐蚀试验后进行180°的弯曲试验和仅仅经过晶间腐蚀后的图片。由图6可知，

无论有没有进行弯曲，在焊缝表面都没有出现裂纹，说明焊接工艺合理。

图6 不锈钢晶间腐蚀试验Fig.6Stainless steel inter-granular corrosion test

6 结论

阐述了Q245R/0Cr18Ni9不锈钢复合板的焊接性，并通过多次试验确定其焊接工艺，包括焊接接头的坡口形式、焊接参数、焊接方法以及选用焊接材料的种类，在焊接之后对其焊接接头进行力学性能和晶间腐蚀等理化试验测试，得出结论：

科学合理的焊接坡口形式为前提，采用等离子弧焊（PAW）、埋弧焊（SAW）及非熔化极电弧焊（TIG），选用焊丝H08MnA、ER309L和ER308L，焊剂SJ101焊接Q245R/0Cr18Ni9不锈钢复合板材，其拉伸、弯曲性能及其抗晶间腐蚀能力都达到要求，进一步说明该焊接工艺的可行性，满足实际生产需要。

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Welding technology of Q245R/0Cr18Ni9 stainless steel composite plate and mechanical properties of welded joint

FENG Yulan，CAI Jihu
（Shanxi DMD Science and Technology Company，Jinzhong 030622，China）

The claddingmetal and transition region ofQ245R/0Cr18Ni9 stainless steel composite plate are welded bytungsten inert gas arc welding（TIG）withER309LandER308Lweldingwire；thebaselayerisweldedbyplasmaarcwelding（PAW）andbysubmergedarcautomatic SAW with H08MnA welding wire and SJ101 Welding Flux.Results of mechanical properties test showed that the tensile strength，yield strength and elongation of welded joints were in the range of the mechanical properties of the base metal，and all the tensile samples broke at the position of base material.The cladding metal of composite plate was carried out on the intergranular corrosion test，and the weld surface did not have corrosion cracking，which was announced that the mechanical properties of welded joint was better and the welding technologywas feasible，thus these twokinds ofwelded joint could meet the practical requirements ofengineeringstructure．

stainless steel composite plate；mechanical properties；welding technology

TG457.11

A

1001－2303（2016）09－0068-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.16

2015-12-30；

2016-04-10

冯玉兰（1991—），女，山西大同人，硕士，主要从事不锈钢及不锈钢复合板焊接工艺的研究工作。