浅述金属复合材料的焊接

浅述金属复合材料的焊接
摘要：不锈钢复合板在使用过程中与纯不锈钢钢板相比不仅有较强的耐腐蚀性能，更有其优越的经济性。

但不锈钢复合板因其基层金属和复层金属的材料性质差别较大，
在进行焊接作业时会出现新的与传统纯不锈钢焊接不同的突出问题。

为得到较高
质量的焊缝，要从不同方面的影响因素进行分析研究，制定出合理的不锈钢金属
复合板焊接工艺。

关键词：不锈钢复合板焊接工艺焊口检测
1 前言
金属复合板是指在不降低使用效果（如防腐性能、机械强度等）的前提下，在一层金属板上覆以另外一种金属板，两种板材间使用爆炸焊接的方式形成金属间的键合，是一种固相结合。

不锈钢复合钢板取代某些环境下的纯不锈钢结构，既提高了设备的使用性能，又达到了防腐蚀和降低造价的目的。

选用复合板作为主材实现了设计可靠、安全及提高使用性能、节约资源、降低成本诸多目的。

河南神马尼龙化工有限责任公司KA油品质提升改造项目的主设备水合反应器筒体即采用不锈钢复合金属板，其基层使用碳素钢，复层使用不锈钢板材，由基层满足结构强度和刚度等基本要求，复层满足耐腐蚀、耐磨等特殊性能要求。

在复合钢板的设备制造中，基层材料分为碳素钢、普通低合金钢、耐热低合金钢类型，如Q235、20R、Q345、15CrMoR等；复层材质分为奥氏体不锈钢、铁素体-马氏体不锈钢类型。

下面我们以Q235+304不锈钢复合板为例进行论述。

2 基本元素分析及特性
不锈钢304和碳素钢Q235的化学成分差别较大，除常见的基本元素外，不锈钢304还含有一定比例的Cr和Ni元素，其中Cr是决定不锈钢属性的元素，Ni是钢中形成奥氏体的元素，加入Ni元素后，不锈钢的抗应力耐腐蚀性能及工艺性能得到了改善，在有机酸和其他强介质中抗腐蚀性很高，特别是在强碱介质中更为突出。

不锈钢金属复合板是由基层与复层两种化学成分、力学性能差别很大的金属复合而成，焊接时应对基层和复层分别进行焊接，而过渡层的焊接属于异种钢的焊接，其焊接性能要兼顾基层和复层两种钢材的性能。

如果焊材或焊接工艺参数选择不当，往往在基层焊接时可能熔化不锈钢复层使合金元素渗入，而导致基层组织严重脆化，塑性和韧性下降，甚至产生裂纹。

在复层焊接时，可能会造成焊缝严重稀释，降低其塑性及抗晶间腐蚀性能。

根据焊接实践经验：过渡层的焊材必须采用高铬、高镍不锈钢焊材，才能在正常焊接参数下得到双相组织的焊缝, 避免大量马氏体组织的产生，防止产生焊接冷裂纹。

同时要严格控制焊接热输入，使碳钢基层一侧的熔深较浅，以减少焊缝金属的稀释和基层合金化。

总之，为防止出现上述两种不良后果，提高焊缝中镍含量，在基层和复层材料之间必须采用过渡层的方法。

为此对以下几个关键因素分别进行阐述，制定出较为优化合理的焊接工艺。

2.1 坡口的设计、加工及清理
进行不锈钢复合板焊接时，为了避免不锈钢复层一侧由于重复受热而影响复层焊缝的耐腐蚀性，提高焊接接头的质量、以及节约价格较昂贵的不锈钢焊条，因此在坡口形式的选择时应尽量减少不锈钢一侧的焊接工作量。

同时由于基层厚度较大，为了保证能够焊透，拟采用 X 型坡口双面焊的对接接头形式，如图1（a）所示；为了进一步降低异种金属的熔合比，在保证焊接质量的条件下，可采用如图1（b）所示 X 型开槽坡口形式。

图1 焊接坡口形式示意图
当焊接现场的位置不允许作上述顺序的焊接时，可采用V形坡口单面焊。

无论是单面焊还是双面焊时，都应考虑过渡层的焊接特点，并尽量减少复层一侧的焊接工作量。

单面焊时应尽量保证复层中不溶入或少溶入基层成分。

确定焊接坡口形式后，可依次焊接基层、过渡层、复层。

结合KA油品质提升改造项目设备水合反应器筒体到货的实际情况，现场采用V型坡口形式焊接，其焊接型式及尺寸示意图如下：
图2 水合反应器对接焊口的坡口型式及尺寸
注：上图的焊接坡口加工简单，但要求焊工要细心和技术到位。

如不细心，基层焊缝很容易焊到复层材料上。

不锈钢复合板的坡口加工宜采用冷加工方法，对基层侧的坡口及两侧各30mm 范围内用砂轮机仔细清理干净直至露出金属光泽，在复层一侧施焊时，对复层表面及坡口侧150mm 范围内涂一层防飞溅涂液，已经粘上的飞溅颗粒, 必须仔细清除干净。

2.2 焊接材料选择
不锈钢复合板基层焊接，焊接基层低碳钢时，所有的材料及焊接工艺与焊接低碳钢相同。

复层钢材选用焊接材料应保证焊缝金属的耐腐蚀性能，当有力学性能要求时，还应保证力学性能。

复层焊缝与基层焊缝以及复层金属与基层钢材的交界处宜采用过渡焊缝，焊接过渡层时，使用含铬、镍量较多的焊接材料，保证焊缝金属含一定量的铁素体组织，以提高抗裂性，使之即使受到基层的稀释，也不会产生马氏体淬硬组织；同时，也应采用合适的焊接方法和焊接工艺，减小基层一侧熔深和焊缝的稀释。

基层和复层材料的焊接工艺已经非常成熟，焊材也容易选取，使用焊材J422和A102即可以分别满足基层、复层金属的焊接要求。

查阅书籍后，根据表1可知，可以选用焊条A302作为过渡焊缝焊材，Ni和 Cr含量比A102中高出一定比例，从而避免了Q235和304直接相焊时的化学成分稀释，A102作为复层金属的焊材，保证了焊缝的耐腐蚀性。

表 1 常用不锈钢复合板焊接材料选用
注：该表节选自王凤英、孙芳等人所著《不锈钢复合板的焊接》
2.3 选择合理的焊接顺序
不锈钢复合板的焊接分三步进行，基层的焊接、复层的焊接及过渡层的焊接。

基层的焊接和复层的焊接属于同种材料的焊接，工艺比较成熟；过渡层的焊接则是异种材料的焊接，是确保不锈钢复合板焊接质量的关键，也是复合板焊接难度最大的区域。

焊接复层时，不可避免的要熔化基层低碳钢，而使焊缝中的镍稀释。

为了提高焊缝中镍含量，通常采用以下顺序焊接：
①应先焊接低碳钢基层焊缝，焊接到基层金属终止处；
②再焊接中间过渡层焊缝，过渡层焊接要同时熔合基层焊缝、基层母材和复层母材，且应盖满基层焊缝和基层母材；
③最后焊接复层焊缝，需保证过渡层焊缝余高达到0.5～1.5mm，过渡层熔深达到1.5～
2.5mm。

目的是使复层建立在基层的基础上，保证机械性能。

另外复合板的定位焊焊缝长度为10～15mm，间距100～150mm，只允许在基层（Q235B）一侧用J422焊条进行，点焊时要注意防止出现虚焊或存在根部未焊透，绝对禁止在复层上点焊。

2.4 焊接工艺
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工艺，目前基层的焊接通常采用手工电弧焊、埋弧焊、及二氧化碳气体保护焊，复层和过渡层的焊接采用钨极氩弧焊和手工电弧焊。

根据焊接顺序，首先对基层处焊缝用J422焊条进行焊接，基层焊接时，所有的材料及焊接工艺与焊接低碳钢相同。

但要注意其焊道不得触及和熔化复层，焊接完毕后，彻底清除熔渣及其表面附着层，并用砂轮机修磨平整，不允许有凹槽及凸起。

打磨干净后用A302焊条焊接过渡层，焊接过渡层时，为减小稀释率，在保证焊透的条件下，采用小直径焊条、直焊道不摆动快速焊接法进行焊接，以降低基层对过渡层焊缝的稀释。

焊接过渡层时一定要将坡口内的基层金属全部覆盖，不能有裸露的基层金属直接与复合层相接，焊缝形状保持平滑，防止焊缝中间凸起, 否则应用砂轮机打磨平整、清理干净。

复层焊接时采用A102焊条，为保证焊接质量，必须控制焊接热输入，应采取多层多道快速不摆动焊法，尽量采用小的焊接热输入和电流，并快速焊接。

复层焊接时，不应预热和缓冷，以尽量减少焊缝在400～850℃温度区问的停留时间，防止焊缝产生奥氏体局部贫
铬，析出σ脆性相，产生475℃脆性，从而保证焊缝金属具有良好的力学性能和抗晶间腐蚀性。

复层焊接完毕后磨平焊缝余高，但不得低于母材。

内部焊接完毕后用碳弧气刨进行清根，要把未焊透及焊接缺陷（如气孔、夹渣等）刨掉，要求气刨后的刨槽宽度、深度一致，气刨后用磨光机把刨槽内外的渗碳、氧化层等磨掉，用钢丝刷将刨槽仔细清理干净,然后进行盖面。

设备筒体结构的焊接过程中，会有丁字接头的存在。

丁字接头的焊接顺序为：焊接a 时a焊缝的过渡层及复层不焊，待b焊缝基层焊接完成后，将整个丁字接头处的过渡层及复层按照上述的焊接工艺进行焊接（如图3所示）。

图3 丁字接头示意图
2.5 外观检查及焊缝检测
焊接完成后，要先进行焊缝外观质量检查。

所有焊缝的观感质量应外形均匀，成型良好，焊道与母材之间平滑过渡，焊渣和飞溅物清除干净。

焊缝余高不大于3mm，焊缝表面不得有裂纹、未熔合、气孔、夹渣等缺陷，焊缝咬肉深度不得大于0.5mm，连续咬边长度不应大于100mm，复层一侧不得有咬边缺陷。

不锈钢复合板焊接的关键在于怎样提高焊缝一次合格率，减少焊缝返修次数，过渡层裂纹是主要的焊接缺陷，其原因是过渡层焊接时过大的线能量致使焊缝熔合比增大，位于基层、过渡层熔合线附近已形成硬而脆的马氏体组织，降低了焊接接头的塑韧性，伴随着焊接热应力的影响而产生裂纹。

这种缺陷不易被发现，只有通过无损检测才能发现。

所以在基层焊接完毕后要对其进行RT无损检测，达到相应要求的焊接评定标准后再进行过渡层焊接。

过渡层金属焊接完成后进行PT检测，达到相应要求的评定标准后进行复层焊接；复层焊接金属完成后也要进行PT检测，达到相应要求的评定标准后才算一道合格焊口结束。

2.6 焊后热处理
不锈钢复合板焊接后一般不进行焊后热处理。

因为不锈复合钢热处理时，在复合钢交界面上会产生碳元素从基层向复层的扩散，并随温度升高，保温时间增长而加剧。

结果在基层一侧形成脱碳层，在不锈钢一侧形成增碳层，使其硬度增高，韧性下降。

脱碳层一侧软化，强度降低。

基层与复层的热膨胀系数相差很大，在焊接加热、冷却过程中，在钢板的厚度方向上会产生很大的残余应力。

这种残余应力在复层的不锈钢表面上形成拉伸应力，成为设备使用过程中产生应力腐蚀开裂等事故的原因，不可忽视。

在不锈复合钢的焊接接头中，既不进行复层的固溶处理，一般也不进行消应力热处理。

但是，在极厚的复合钢的焊接中，往往要求采取中间退火和消除应力热处理。

消除焊接残余应力的热处理最好在基层焊完后进行，热处理后再焊过渡层和复层。

如需整体热处理时，选择热处理温度时应考虑对复层耐蚀性的影响、过渡层组织不均匀性及异种钢物理性能的差异。

热处理温度一般为450～650℃（多数情况下是选择下限温度而延长保温时间）。

2.7 焊后酸洗
复层金属焊接完成后还应对焊缝进行酸洗钝化，通过酸洗钝化，使铁与铁的氧化物比铬与铬的氧化物优先溶解，去掉了贫铬层，造成铬在不锈钢表面富集，这种富铬钝化层在不锈钢表面形成一层极薄的钝化膜，这层膜将腐蚀介质隔离，是不锈钢复合板防护的基本屏障。

3 结束语
河南神马尼龙化工有限责任公司KA油品质提升项目的主设备水合反应器现场组对焊接
采用基层、过渡层及复层分别焊接的方法，并配以合理的坡口型式、焊材、焊接顺序、工艺参数、温度控制以及严格的过程控制，制定出了较为优化的不锈钢金属复合板焊接工艺，既提高了设备使用寿命，也提高了设备的生产效率。