文 献 综 述

耐候钢与304不锈钢异种材料焊接工艺及性能研究

压力容器用钢一般用来耐候钢是指通过添加少量合金元素,使其在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合金高强度钢。耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳素钢的2~8倍,并且使用时间愈长,耐蚀作用愈突出^[1][2]。耐候钢除具有良好的耐候性外,还具有优良的力学、焊接等使用性能,广泛用于铁道车辆、桥梁和集装箱^[3]。

从20世纪90年代末到21世纪初的近10年时间，是中国不锈钢市场的大跨越发展时期，整体可概括为三 个”迅速”，即：需求增长迅速、产能增长迅速、制造水平提升迅速；六个”快于”，即：需求增长快于产能增长、产能增长快于原料供应增长、进口增长快于出口增长、冷轧 产能增长快于热轧产能增长、非公有经济投资增长快于 国有投资增长、民用消费增长快于工业消费增长^[4]

奥氏体型不锈钢与低合金钢在化学成分和物理性能方面有很大的差异，特别是中厚板异种钢的焊接拘束力大、冷裂倾向大,为了获得一个满意的焊接接头,必须对两种钢的化学成分、力学性能、物理性能、组织和形成的焊接接头可能出现的问题进行对比分析,来确定合理的焊接工艺^[5]。

表1 304不锈钢的成分分析

1、异种材料焊接的国内外研究进展和存在的问题

随着国民经济的迅速发展和科学技术的不断进步，新结构、新设备层出不穷，新材料、新工艺的应用日益广泛,对各类工程机械构件的性能提出了更高的要求，如硬度、耐磨性、 耐蚀性、低温韧性、高温持久强度等。 在有些情况下, 任何一种金 属材料都不可能完全满足使用要求，或者即使某种金属比较理想，也往往由于十分稀贵, 不能在工程中普边应用 .^[4] 因此 , 采用焊接方法制造异种钢结构 部件受到人们的广泛重视 , 它不仅能充分利用各种 不同材料的优异性能, 达到工程中使用上的要求, 还能节约成本, 提高经济效益。 异种材料焊接在工程机械、 交通运输、 石油化工 、 电站锅炉 、 航天航空和机械电子等行业 的机械 设备和构件中得到广泛应用。这种构件的强度和使 用寿命在很大程度上取决于焊接接头的性能及其工艺 , 特别是组织、 成分和性能等与母材非常不同 的过渡区 ( 或称熔合区 ) 部位的组织和性能.例如 :

1 ) 在国内外许多的实际调查中都发现超高压和亚临界电站锅炉中的爆管事故大部分发 生在异种钢焊接接头部位,它不仅影响电厂的正常生产,造成重大的经济损失,还会造成人身伤亡; 2 ) 在炼油设备中铂重整装t的高温临氢系统的异种钥焊接管线和加氢裂化反应装置中的异类材料熔顶界面处,人们发现,当在高温高压氢环境中服役运行一段时间后,在焊接熔合区常伴有剥离裂纹,降低了工件的使用寿命,给工业生产造成很大的经济损失。经过几十年实践和研究,人们对于异种钢焊接中存 在的问题和对策等都积累了丰富的理论知识和实践经验。本文拟对此进行较为全面的综述^[6][7]。异种纲的焊接性虽然已积累了大量的研究成果,但许多问题仍有待进一步深入研究，如碳迁移、高温失效行为、显微组织特征与转变等今后的工作是充分利用现代分析测试技术,采用多学科交叉的方式进行综合和系统研究。

2、异种焊接接头的力学性能

2.1 拉伸试验

本试验的拉伸试验是对焊材和母材的检验，取缩减断面拉伸试样断口位置均为同侧母材，分别实验，比较抗拉强度的变化。

2.2弯曲试验

弯曲试验分为面弯(正弯)、根弯(背弯)、侧弯、纵向弯曲，异种钢对接也可以采用纵向弯曲试样(纵向焊缝包含其中)。由于试板的厚度大于10mm，无法取样，故采用侧弯试样，用4个侧弯代替2个面弯和2个根弯。焊接接头侧弯180#176;，均未出现裂纹，表明两种焊接方法的焊接接头弯曲性能较好.^[8]

2.3硬度试验

硬度试验是用显微硬度仪对焊缝、熔合线、热影响区、母材施加 98N 的力以测定硬度值。焊接接头硬度值的大小是衡量其冷裂倾向的重要数据，硬度值越大,冷裂倾向越大^[9]。

3、异种焊接接头的腐蚀行为

目前,对A335 /316L 钢焊接接头腐蚀性能的研究报道较少.采用手工电弧焊焊接 A335 钢和316L钢，并以不同温度作时效处理，利用高温高压釜腐蚀失重法研究了焊接接头在 3 种盐度模拟海水中的腐蚀性能。^[10]采用体视显微镜和扫描电镜观察了焊接接头整体及不同区域的腐蚀形貌并分析其机理。结果表明: 在模拟海水中，A335 /316L 钢焊接接头中 A335 钢侧热影响区发生点腐蚀，随 Cl－浓度升高，腐蚀程度加剧; 在同一盐度海水中，经不同温度时效处理的焊接接头的腐蚀速率不同，250℃时效处理后的最低，而550 ℃ 时效处理的最高;焊接接头腐蚀产物膜的主要成分为 Fe3OOH^[11][12]。

4、异种焊接接头的显微组织

采用对应的焊丝对A335-P11低合金钢与316L奥氏体不锈钢进行了填丝钨极惰性气体弧焊 (TIG)试验^[13]，并利用金相显微镜、透射电子显微镜以及显微硬度计等手段对以上异种钢焊接接头的显微组织与硬度进行研究分析^[14]。

5、异种钢焊接接头的不均匀性

5.1　化学成分的不均匀性

异种金属熔化焊接时,焊缝两侧金属及熔化金 属的合金成分存在明显的熔度差别。在焊接时,因 焊缝形状、母材厚度、焊接电流、电弧电压、焊接速 度、焊条药皮或焊剂、保护气体种类、焊接位置及电 极对工件的倾角等因系不同,焊接熔池的行为也不 一样。母材的熔入量不同,焊缝金属与母材熔化区 化学成分浓度的相互稀释作用也将发生不同变化^[18]。

5.2　金属组织的不均匀性

由于接头化学成分的不均匀性,在经历焊接热 循环作用后,接头的各个区域也将随之出现不同的 金相组织,往往在其局部区域内表现出相当复杂的 组织结构。金属组织的不均匀性首先取决于母材和 焊接材料的化学成分,同时也与焊接方法、焊道层 次、焊接和热处理工艺过程有关,若能在工艺上合理 调整,可以使不均匀的程度得到一定改善。

5.3　性能的不均匀性

接头各区化学成分与金相组织的差异也带来了 性能的不同,即沿整个焊接接头各个区域的室温强 度、硬度、塑性、韧性都将有很大的差别,有时在 3 ～ 5个晶粒的范围内,显微硬度出现成倍的差值,强度 也会由于成分的不同而产生很大区别。物理性能的 差异主要表现在热膨胀系数和导热系数上,这可能 导致运行过程中产生大的热应力[19]。

5.4　应力场分布的不均匀性

焊接残余应力在异类接头中分布不均匀,首先 由各种材料不同的塑性状态所决定,而材料导热性 的差异将导致焊接热循环温度场的变化,导致残余 应力分布不均匀。由于异质材料热膨胀系数的差 异,接头在正常使用下因温度循环而出现在界面上 的附加热应力也是分布不均匀的,甚至还会出现高 峰应力,从而成为接头断裂的主要原因。

6、A335-P11低合金钢与AISI 316L不锈钢异种焊接接头的焊接工艺

在异种金属焊接中可以通过借助舍夫勒 （Schaeffler）状态图中材的化学成分、焊接材料的化 学成分和熔合比（母材金属在焊缝金属中算占的比值）之间的关系来估算和预设焊缝金属的化学成分和组织，以提高实验的效率和成功率，同时也可为后续分析提供依据，同样也可以通过焊接材料、母材和实验假设的或要求的焊缝组织（根据性能要求和相关信息可以预估和 假设其对应性能较好的组织状态）来预算熔合比的范 围，通过预算的熔合比范围是否可行，以初步判断所选 焊材的可行性，同时为工艺参数、焊接方法、坡口形式 等提供选择和设计依据。由此可见，异种金属焊接中焊接材料的选择在很大程度上决定着焊接接头的质量和性 能的好坏，其重要性可谓不言而喻。

参考文献

[1] 王祖滨, 东涛. 低合金高强度钢[M]. 北京: 原子能出版社, 1996.

[2] 王传雅. 耐候钢的现状及展望[J]. 热加工工艺, 1992, (5): 45～48.

[3] 于千, 耐候钢发展现状及展望, 1992,27(11):33-34

[4] 周振丰, 张文依. 焊接冶金与金属焊接性(第2版)[M]. 北京: 机械工业出版社, 1992.

[5] 曾裕, 中国不锈钢市场现状、发展趋势及对策, (2006)05-0035-04

[6] 肖巍, 异种钢焊接性能分析与研究, 1672-3791(2011)04(b)-0079-01

[7] ASME Code, Boiler ＆ Pressure Pessel Code, Section Ⅱ, Part A-Ferrous Material Specifications[S].

[8] 潘春旭, 异种钢焊接性的研究现状和进展, 武汉大学, 物理科学与技术学院, 武汉43 0072

[9] 李刚, 周文强．0Cr13Ni5Mo Q345 异种钢焊接工艺[J]．焊接, 2003, (4)：32-34．

[8] 余圣甫, 李志远, 石仲方. 低合金高强度钢药芯焊丝焊缝中夹杂物诱导针状, 铁素体形核的作用 [J], 2004, (2): 47~52.

[9] 严正凯, 低合金高强钢的焊接工艺研究[M]. 机械工业出版社, 2006.

[10] Taban E，Gould J E，Lippold J C． Dissimilar friction welding of 6061 -T6 aluminum and AISI 1018 steel: Properties and microstructural characterization［J] Materials Science and Engineering, 2010, 31( 5) : 2305～2311．

[11] 虞 毅, 徐连勇, 韩永典, 等. X65 /316L 机械复合管焊接接头CO₂腐蚀行为研究［J］．焊管, 2011, 34 ( 1) : 13～16．

[12] 黄嗣罗. 焊后热处理对P91 钢和TP347H钢焊接接头综合力学性能的影响［J］. 压力容器, 2008, 25( 8) : 6～9．

[13] 欧平, SA508/316L 异种钢焊接接头的显微组织, 2013, (2): 17~23.

[14] 潘春旭, 异种钢及异种金属焊接-显微结构特征及其转变机理［M］. 北京: 人民交通出版社，2000.

[15] 黄本生, 黄龙鹏, 李慧． 异种金属焊接研究现状及发展趋势[J]. 材料导报，2011, 25（12）:23~27.

[16] 宋庭丰, 蒋小松, 莫德锋,等．不锈钢和钛合金异种金属焊接研究进展[J], 材料导, 2015, 29（6)：36~41.

[17] 顾福明, 罗晓明. T92/HR3C异种钢焊接接头性能研究[J]．金属加工热加工, 2011,（6），27~31.

[18] 钱品勇.锅炉受热面管异种钢焊接研究[J].东方电气评论,2012(01): 19~24

[19] 侯世勇, 谢步兴, 火电厂异种钢焊接难点及工艺分析.华电技术，2009, (4):15~19.

文 献 综 述

耐候钢与304不锈钢异种材料焊接工艺及性能研究

压力容器用钢一般用来耐候钢是指通过添加少量合金元素,使其在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合金高强度钢。耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳素钢的2~8倍,并且使用时间愈长,耐蚀作用愈突出^[1][2]。耐候钢除具有良好的耐候性外,还具有优良的力学、焊接等使用性能,广泛用于铁道车辆、桥梁和集装箱^[3]。

从20世纪90年代末到21世纪初的近10年时间，是中国不锈钢市场的大跨越发展时期，整体可概括为三 个”迅速”，即：需求增长迅速、产能增长迅速、制造水平提升迅速；六个”快于”，即：需求增长快于产能增长、产能增长快于原料供应增长、进口增长快于出口增长、冷轧 产能增长快于热轧产能增长、非公有经济投资增长快于 国有投资增长、民用消费增长快于工业消费增长^[4]

奥氏体型不锈钢与低合金钢在化学成分和物理性能方面有很大的差异，特别是中厚板异种钢的焊接拘束力大、冷裂倾向大,为了获得一个满意的焊接接头,必须对两种钢的化学成分、力学性能、物理性能、组织和形成的焊接接头可能出现的问题进行对比分析,来确定合理的焊接工艺^[5]。

表1 304不锈钢的成分分析