不锈钢复合板焊接技术研究

吴飞虎 张鹏飞

1.九江理工职业学院 江西 九江 332000；

2.九江职业技术学院 江西 九江 332000

1 研究背景

不锈钢复合金属板材属于金属层状复合板材料的一种，目前应用极为广泛。其具有低合金钢、不锈钢的优点，多应用与家具用材、船舶制造、电力设备、石油化工、建筑钢构、交通型材等领域。不锈钢复合板材铬含量约为10%，价格优势明显，且提升了材料的基础性能，节约了铬、镍等稀缺金属的使用，环保耐用。不锈钢复合板材多为2种以上金属材料复合而成，材料力学性能显著提升，耐腐蚀性、耐热性、结构性能较好。不锈钢复合板材焊接技术近些年发展迅猛，其焊接成型技术也推动了复合金属板材技术的不断提升[1]。

2 不锈钢复合板材焊接技术研究

图1 不锈钢焊缝接头

不锈钢复合板材因不同金属材质的物理性能存在差异，而且基层焊缝、过渡层焊缝、覆层焊缝等焊缝材料的力学和热学性能也存在差异，在此类板材焊接时需要充分考虑。尤其是奥氏体不锈钢线和普通碳钢的热导率、膨胀系数等参数需要计算分析，避免焊接完成后产生残余应力、变形，焊接裂纹等焊接缺陷。另外，还需要考虑特殊产品焊接制造过程的低熔点共晶体、热应力、晶粒粗大、交界层脆性带的物理作用造成的焊接过渡层沿晶界产生的纵向裂纹，焊接前应进行有效预热，以及选取合适的焊丝规格，调整好焊接速度等焊接工艺。再有，焊接过程应充分研究分析焊材中的Cr、Ni等金属含量，避免焊接时因热循环作用产生Cr、Ni等金属元素的扩散不均，一般需保持Cr元素含量为17%～17.5%，有利于减少铁素体等Cr碳化物生成，同时还需要尽量避免基层焊缝的碳元素扩散进入过渡层，减少脆硬相现象、贫铬区域及硬度为480 HV类马氏体组织生成，从而增强复合材料焊接覆层焊缝的耐腐蚀性能。

焊接过程，基层焊缝中应不产生硬脆组织造成焊接裂纹，从而影响板材焊缝的物理强度。焊接复层时，应尽力减少碳化合物增加，从而降低板材的耐蚀性；过渡层焊接时，需要采用一定的焊接工艺，避免降低基层和复层基础型材的热学和力学性能，焊接过渡层时需加强预热，合理控制好冷速、熔合比及焊丝的选型[2]。

3 焊接技术研究

3.1 焊接工艺方法

对于不锈钢复合板材焊接工艺技术研究，国内文献较多，技术比较成熟。有的研究人员采用自动焊+电弧焊工艺技术，选择富氢保护实心焊丝熔化极自动电弧焊接和过渡层、覆层焊缝电弧焊等工艺满足焊接质量和工程性能要求，有的采用基层焊缝埋弧焊+过渡层、覆层焊缝药芯焊丝熔化极二氧化碳气体保护焊等工艺解决了普通电弧焊的焊接缺陷问题。总之，复合不锈钢板基层多采用焊条电弧焊和埋弧焊工艺；过渡层焊缝多采用钨极氢弧焊（TIG）集中焊接工艺，覆层金属多采用激光焊、复合能源焊接、熔化极惰性气体保护焊及以上焊接工艺组合焊接等[3]。

3.2 焊接坡口

不锈钢复合材料焊接坡口受焊缝、热影响区、材料成分及微观组织特性因素影响，容易产生元素扩散、金属熔合性、焊接冶金反应及焊接性，造成焊接接头出现气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，因而促使焊接质量不过关，未焊透、易老化变形、应力应变偏大等质量问题。所以焊接坡口选择时，需要充分考虑金属填充的含量、板材厚度、金属材料结构等因素。坡口尺寸设计及加工主要依据 9692-4:2003《焊接和相关工艺、坡口准备、复合钢板》和GB/T 13148-2008《不锈钢复合钢板焊接技术要求》等技术标准和规范要求。基层厚度选择0.5～1.5mm，过渡层厚度选择2～3.5mm，过渡层金属须超过基层2～2.5mm。不锈钢焊接坡口形式如图2所示。

图2 不锈钢焊接坡口形式

3.3 焊接材料

焊接材料的基层作用主要起到强度支撑，确保复合板焊接的产品硬度及强度要求，避免力学性能的失效。在基层焊接材料选择上，需要充分考虑金属板与焊材的硬度相近匹配的原则。焊接覆层作用在于提升不锈钢焊后的热强度和耐蚀性，焊接材料选择时应充分考虑镍、钴、碳等元素稀释问题，一般选择焊材中Cr、Ni等金属含量略大于母材为宜。过渡层可以根据板材使用特点，采取特殊焊接工艺，因此，焊材同覆层焊接材料选择相近，也可以选择Cr、Ni等金属含量较高的焊接材料，以减少晶析现象的发生[4]。

4 不锈钢复合板材焊接技术发展趋势

随着计算机及电子监测技术的不断发展以及金属材料技术的开发应用，不锈钢复合材料焊接技术会越来越成熟。尤其是新型激光纳米焊接技术、超冷焊接技术等应用，焊接更加节能环保，安全高效。另外对于层状金属材料焊接前工艺优化技术，预热处理技术以及焊接过程的实时在线监测技术的广泛应用，可以很好地对焊接工艺参数进行分析预判，优化组合，并及时调整焊接流程及工艺，并通过焊接后的各种性能监测和技术修复，确保了复合金属材料焊接的质量和品质要求[5]。

5 结束语

不锈钢等金属层状复合材料强度高、耐腐蚀性强，韧性丰富、力学和热学性能稳定，目前被广泛应用于机械制造、重大装备制造业、铁路运输、医疗器械、家具建材、石油工程、海洋工程、电力装备等领域。因此分析不锈钢等金属层状复合材料材料性能、焊接工艺特点、焊接材料研究等，且焊接工艺方法研究具有较大的实际工程应用意义。