不銹鋼/碳鋼復合材料焊接研究現狀

馮玉蘭, 吳志生, 張璐霞, 王新

(太原科技大學,山西 太原030024)

0 前言

不銹鋼/碳鋼復合材料具有高強度、高塑韌性、良好的耐腐蝕、低成本等優點[1-3]。不銹鋼覆材的厚度約占復合材料總厚度的15%～20%,節省了近65%的經濟成本,同時兼顧了性能和成本,其應用為中國帶來巨大的經濟效益和社會效益[4]。目前被廣泛應用于石油化工、海洋、船舶、電力、核電、軍工等重大裝備領域[5]。

焊接制造工藝是重大裝備的關鍵加工技術,隨新材料重大裝備的高效高質開發與發展,新材料智能焊接制造技術成為焊接領域工作者關注的焦點。不銹鋼/碳鋼復合材料是裝備制造業工程應用材料的重要組成部分,其焊接工藝是重大裝備關鍵制造技術[6]。復合材料基材與覆材的物理化學性能差異較大,焊接接頭由基材、覆材、基層焊縫、過渡層焊縫、覆層焊縫及對應的熔合區、熱影響區組成,接頭結構復雜,應力分布復雜;使得復合材料的焊接難度遠大于單一材料的焊接。焊接方法、焊接順序、焊接參數、焊接坡口等對接頭性能影響較大[7]。因此,不銹鋼/碳鋼復合材料焊接工藝的開發是其應用的關鍵。

1 焊接難點及接頭復雜性

對不銹鋼/碳鋼而言,二者成分上的差異主要體現在C含量和Cr,Ni等合金元素的含量,碳鋼中的C含量高于不銹鋼,而不銹鋼中Cr,Ni等合金元素高于碳鋼。兩者在成分上形成化學勢梯度,在焊接熱的作用下,基層焊縫和覆層焊縫金屬之間發生一定的元素擴散及冶金作用,使得覆層焊縫中的Cr,Ni等合金元素含量下降,C元素含量升高,焊縫耐腐蝕性下降;另外,對于雙相不銹鋼覆層焊縫容易造成鐵素體與奧氏體兩相比例失衡甚至形成脆硬相,使焊縫強度增加、塑韌性性能下降[8]?；鶎雍缚p中C含量下降,造成焊縫強度下降。另外,基材和覆材之間的線膨脹系數、熱導率等不同,容易在兩者之間的界面處形成應力集中,在一定載荷的作用下,形成微裂紋,甚至是失效。因此,在焊接不銹鋼復合材料時,應對基材、覆材分別進行焊接,焊接材料、焊接工藝等分別按基材、覆材的化學成分及性能進行選擇;由于基材和覆材的化學成分和物理性能差異較大,為防止元素擴散形成金屬間化合物,導致接頭性能下降,確保焊接接頭質量,焊接時通常在基層焊縫和覆層焊縫界面處增加過渡層焊縫,這樣,不銹鋼/碳鋼復合材料焊接接頭由基材、覆材、基層焊縫、過渡層焊縫、覆層焊縫及其熔合區、熱影響區組成[9-14],如圖1所示,這些區域的化學成分、微觀組織、焊接溫度場及應力應變場分布均不同,尤其是這些區域界面處的成分及組織結構相對于單一材料接頭較復雜,對焊縫性能影響較大。

圖1 不銹鋼/碳鋼復合材料焊接接頭[11]

2 焊接規范

根據SH/T 3523—2020《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金、鎳基合金及不銹鋼復合鋼焊接規范》[15];對焊接坡口、焊接材料選取、焊接順序及過渡層焊縫的高度規定如下。

(1)焊接坡口:焊接坡口形式及尺寸應遵循填充金屬量少、熔合比小、便于操作等原則,常采用V形、Y形、不對稱X形及帶臺階的Y形或X形坡口。SH/T 3523—2020推薦不銹鋼復合材料中厚板焊接坡口形式如圖2所示;從圖中可見,為了保證基層焊縫與覆層焊縫各自成分和性能,在坡口設計時,加大復合材料界面處坡口角度,以降低焊縫稀釋率。

圖2 復合材料焊接常用坡口形式[15]

(2)焊接材料:基層與覆層焊縫的焊接填充材料按照各自材料成分進行選取,覆層焊縫所選材料的Cr,Ni主要合金元素不得低于覆材標準規定的下限值;過渡層焊接材料推薦選用Cr,Ni元素較高的309(309L)型或310型;覆材含鉬的不銹鋼復合材料過渡層焊縫焊接填充材料推薦選用309Mo(309LMo)型。

(3)焊接順序:應先焊基層,后焊過渡層和覆層;當條件受到限制時,也可先焊覆層,后焊過渡層和基層,基層的焊接應選用與過渡層焊接相同的焊接材料。

(4)過渡層焊縫高度:過渡層焊縫金屬在覆材處的厚度宜為0.5～2.0 mm;在基材處的厚度為1.5～2.5 mm。

根據標準JB/T 4709—2007《鋼制壓力容器焊接規程》,附錄A不銹鋼復合鋼焊接規程對焊接材料、焊接坡口、過渡層焊縫在不銹鋼復合鋼對接接頭中的位置及焊接順序規定如下。

(1)焊接材料選用原則:不銹鋼復合鋼基層的焊縫金屬應保證力學性能,且其抗拉強度不應超過強度較高母材標準規定的上限值;覆層的焊縫金屬的應保證耐腐蝕性能,當有力學性能要求時還應保證力學性能。奧氏體高合金鋼與碳素鋼或低合金鋼之間的焊縫金屬應保證抗裂性能和力學性能,宜采用鉻鎳含量較奧氏體合金鋼母材高的焊接材料。

(2)焊接坡口形式及尺寸應遵循填充金屬量少、減少過渡層焊縫金屬的稀釋率等原則。JB/T 4709—2007標準推薦不銹鋼復合板焊接坡口形式與圖2所示一致。

(3)焊接順序:一般采用先焊基層焊縫,然后焊過渡層焊縫,最后焊覆層焊縫。不得用碳鋼焊材、低合金鋼焊材在覆層母材、過渡層焊縫和覆層焊縫上施焊;過渡層焊縫應同時熔合基層焊縫、基層母材和覆層母材,且應蓋滿基層焊縫和基層母材。過渡層焊縫在不銹鋼復合鋼對接接頭中的位置為在覆材處的厚度宜為0.5～1.5 mm,在基材處的厚度為1.5～2.5 mm。

對比SH/T 3523—2020,JB/T 4790—2007標準推薦的不銹鋼復合鋼焊接規范可知,兩標準在焊接材料選擇、焊接坡口制定、焊接順序及過渡層焊縫在基材和覆材的位置等焊接工藝制定規范要求基本保持一致。

3 焊接研究現狀

3.1 焊接方法對焊接接頭組織與性能的影響

茍寧年等學者[16]研究了厚度(2+2)mm的DSS2205/X65復合板激光焊接頭性能,采用激光斑點尺寸0.6 mm和0.3 mm,覆材在上和下兩種位置復合材料焊接接頭,如圖3所示。研究了焊接接頭的微觀組織,焊縫區Cr元素的分布,覆材DSS2205及焊縫的電化學腐蝕性為(圖4)。研究結果表明:焊接接頭微觀組織沿厚度方向上出現了明顯的分層特征;激光焊接時熔池上下2個部位的熔態金屬具有對流特征,熔池中部的液態金屬受重力影響較小,更趨向于向上流動擴散;焊接接頭覆層焊縫具有和母材DSS2205相當耐腐蝕性,采用小光斑激光焊接后焊縫具有更好的抗點蝕能力。

圖3 激光焊DSS2205/X65焊接接頭橫截面宏觀形貌[16]

圖4 覆層焊縫及DSS2205母材電化學腐蝕試驗極化曲線[16]

董桂萍[17]焊條電弧焊和鎢極氬弧焊分別對SAF2205/16MnR不銹鋼復合板進行焊接,研究其接頭微觀組織和性能。結果表明:焊條電弧焊焊接接頭抗拉強度大于鎢極氬弧焊焊接接頭抗拉強度,焊條電弧焊過渡層焊縫的耐腐蝕性稍差于鎢極氬弧焊焊接接頭的耐腐蝕性;基層焊縫和過渡層焊縫界面區存在一定程度的碳遷移,鎢極氬弧焊接頭碳遷移程度略小,在基層焊縫/過渡層焊縫界面的過渡層焊縫側均未發現有害相形成。兩種焊接方法均可獲得SAF2205/16MnR不銹鋼復合板的高質量的焊接接頭。

Gou等學者[18]研究了2205/X65爆炸焊接復合板GTAW+GMAW多層多道焊焊接接頭組織和力學性能,接頭截面形貌如圖5所示。如圖6a、圖6c所示,過渡層和覆層焊縫微觀組織由奧氏體和鐵素體兩相組成,兩相占比約1∶1。如圖6b所示,覆層焊縫熱影響區奧氏體/鐵素體平衡被打亂,奧氏體體積分數為38%,沖擊吸收能量較低;覆層焊縫和過渡層焊縫的硬度與2205母材硬度相當。

圖5 316/A283復合板焊接接頭截面形貌[18]

圖6 焊接接頭過渡層和覆層的顯微組織[18]

朱鍇年等學者[19]對三峽工程大壩排砂孔采用的00Cr22Ni5Mo3N/Q345復合材料焊接及質量控制進行了研究,基層焊縫采用富氬保護實心焊絲熔化極自動電弧焊焊接工藝,對不方便采用自動焊的焊接位置、缺陷返修部位、過渡層焊縫及覆層焊縫均采用焊條電弧焊焊接,其焊接接頭質量達到了三峽工程技術要求。

鄭延飛等學者[20]為克服焊條電弧焊在焊接00Crl7Nil4Mo2/Q345復合板時熔渣難以從焊縫析出及生產效率低的問題,對原先使用的焊接電弧焊進行了改良。過渡層焊縫選擇具有雙相組織的不銹鋼焊絲作為埋弧焊的焊接材料,舍棄原有的打底焊焊接工藝,選擇二氧化碳氣體保護焊。最終使得00Crl7Nil4Mo2/Q345復合板的焊接質量都得到了顯著的提高。

畢宗岳[21]采用TIG+MAG焊接工藝,以ER309作為過渡填充金屬,針對2205/X65冶金復合管進行了熔焊連接試驗。利用OM,SEM分析了焊縫區微觀組織特征、鐵素體和奧氏體兩相比例,并測試了焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能。結果表明:該工藝方案抑制了合金元素的稀釋,使得焊縫金屬合金成分保持在合理范圍內,呈鐵素體(α)+奧氏體(γ)雙相組織特征,覆層焊縫、過渡層焊縫鐵素體含量均滿足35%～65%的要求。焊接接頭抗拉強度、彎曲性能、沖擊性能、耐腐蝕性能等均滿足標準要求,可作為含有H2S,CO2等腐蝕介質輸送管道選材。

3.2 焊接坡口及順序對焊接接頭性能的影響

Dhib等學者[22]研究了316奧氏體不銹鋼與A283低碳鋼軋制復合鋼板焊接前后的力學性能和冶金性能。根據焊接順序及焊縫結構設計了3種焊接接頭,如圖7所示。研究了焊縫金屬的顯微組織、顯微硬度和機械強度。結果表明:采用熱軋工藝可以得到結合質量良好的316/A283復合材料;由于碳的擴散,覆材與基材之間存在著一個非均勻組織的中間區,導致界面附近的顯微硬度出現了突變;所有焊接試樣的力學性能良好;過渡層及覆層焊縫采用多道焊接方法的焊接試樣具有良好的彎曲性能;焊接順序為先焊基層、再焊過渡層、最后焊覆層的焊接接頭具有良好的沖擊韌性。

圖7 316/A283復合板焊接接頭截面形貌[22]

劉明陽[23]研究了Q345/304不銹鋼復合板焊縫微觀組織和力學性能。設計了4種工藝,分別為:V形坡口,無過渡層;階梯V形坡口,無過渡層;階梯V形坡口,TIG焊接過渡層;階梯V形坡口,SMAW焊接過渡層。通過分析不同工藝的焊縫微觀組織、元素分布、力學性能及斷口形貌?？芍?過渡層焊縫可有效阻礙基層焊縫和覆層焊縫之間元素的擴散及界面脆性相的形成,提高了復合板焊接接頭力學性能。

3.3 填充金屬對焊接接頭組織與性能的影響

Li等學者[24]分別采用碳鋼及不銹鋼填充材料焊接Q345R焊縫,研究了不同填充金屬321/Q345R復合板焊接接頭的微觀組織和力學性能,如圖8、圖9所示。研究結果表明:采用不銹鋼填充材料焊接Q345R,第一層焊縫形成了馬氏體相(局部硬化區),顯微硬度值達到425 HV1,顯著高于母材。而碳鋼焊材焊縫的抗拉強度值與不銹鋼焊材焊縫抗拉強度相當。局部硬化區從焊縫處突出,當焊接接頭厚度截面上局部硬化區面積大于接頭厚度截面面積的17%時,彎曲試樣在局部硬化區附近產生裂紋。

圖8 基層焊縫填充金屬為不銹鋼的焊接接頭微觀組織[24]

圖9 基層焊縫填充金屬為碳鋼的焊接接頭微觀組織[24]

Meng等學者[25]采用ER310,ER309,ER308 3種不同Cr含量的焊材分別焊接304/235不銹鋼復合板,焊接方法采用單道次激光-電弧復合焊接,焊接接頭截面形貌如圖10所示。研究了焊接接頭微觀組織與性能。結果表明:隨著Cr含量的增加,電弧區FZ的平均晶粒尺寸從12.23 μm增加到43.8 μm,如圖11所示;利用計算得到的Creq和Nieq比值闡明了激光-電弧復合焊接不銹鋼復合板焊縫的凝固模式和組織轉變機理,進而表征焊縫性能,由于ER310焊縫由AF模式轉變為FA模式的Creq和Nieq比值為1.35,在ER310焊縫中形成了枝晶和胞狀晶粒,并伴有亞晶界的凝固。而在ER309L和ER308L焊縫中,Creq和Nieq比值分別達到1.717和1.763,焊縫凝固模式為FA,促進了焊縫組織的形成或針狀鐵素體,從而增強了焊縫的強度,如圖12所示。

圖10 典型的焊縫斷面形態[25]

圖11 不同線材在電弧弧焊區的角晶粒分布[25]

圖12 Schaefler圖及凝固模式與Fe-Cr-Ni偽二元相圖的關系[25]

3.4 焊接研究現狀總結

綜上所述,國內外學者針對不銹鋼/碳鋼復合材料焊接工藝及焊接接頭性能做了很多研究工作,具體研究了焊接方法、焊接填充材料、坡口形式、焊接順序、過渡層焊縫等對不銹鋼復合材料焊接接頭質量的影響。然而,針對過渡層焊縫對不銹鋼/碳鋼復合材料焊接接頭性能的影響只局限于添加或不添加過渡層焊縫。未見有文獻報道有關過渡層焊縫形態對不銹鋼/碳鋼復合材料焊接接頭性能的影響。

4 結束語

隨著不銹鋼/碳鋼復合材料被廣泛應用于石油化工、船舶、海洋、電力、核電、軍工等多個領域,對其焊接接頭性能要求也越來越高,隨之其焊接技術越來越受到人們的重視。目前,許多學者對其焊接工藝的研究做了很多工作。但專門針對過渡層焊縫的研究較少。因此,在一定工藝條件下,研究過渡層焊縫及其界面的微觀組織和性能對不銹鋼/碳鋼復合材料焊接接頭性能的影響具有重要意義,這將為不銹鋼/碳鋼復合材料焊接工藝的制定提供強有力的理論支撐。另外,由不銹鋼/碳鋼復合材料的焊接規范可知,目前不銹鋼/碳鋼復合材料焊接的焊縫坡口形式、焊接順序等工藝復雜,因此,開發高效高質的不銹鋼/碳鋼復合材料的焊接工藝具有工程實際意義。