复合板焊接工艺全.docx

1、复合板焊接工艺全复 合 钢 的 焊 接石油、化工、航海和军工生产中广泛使用复合钢制造各类耐腐蚀设备。目前应用较多的复合钢是由较薄的不锈钢与较厚的低合金钢通过爆炸焊、轧制或堆焊等工艺方法制成的双金属板材。较厚的珠光体钢部分为基层，基层多半由低碳钢或低合金钢组成，主要满足复合钢在使用中强度和刚度的要求。不锈钢部分为复层，主要满足复合钢的耐蚀性等要求。随着复合钢的应用范围不断扩大，其焊接日益引起人们的关注。1. 复合钢的基本性能1.1 复合钢的力学性能生产中应用较多的复合钢板是以不锈钢、镍基合金、铜基合金或钛合金板为复层，低碳钢或低合金钢为基层，以爆炸焊、复合轧制、堆焊或钎焊方法制成的双金属板材。还

2、可以采用电渣焊生产大厚度（100150mm）的轧制复合钢。通常复层只占复合钢板总厚度的5%50%，一般为10%20%，最小实用厚度为1.5mm。复合钢可以节约大量的不锈钢或钛等贵重金属，具有很大的经济价值。碳钢与不锈钢（或镍基合金、钛等）用复合轧制或爆炸焊方法形成的复合钢板，要求具有一定的拉伸、弯曲等力学性能。为了保证复合钢板不失去原有的综合性能，对基层和复层必须分别进行焊接，焊接性、焊接材料选择、焊接工艺等由基层、复层材料决定。 拉伸强度 复合钢中的不锈钢复层的力学性能比基层碳钢优良，抗接强度高于碳钢。复合钢的拉伸强度（b、s）可用下式求出。bcc bddb c d式中 bc碳钢的抗拉强度，

3、MPa；c碳钢的厚度，mm；bd不锈钢的抗拉强度， MPa；d不锈钢的厚度，mm。在实际设计中，美国在ASMF标准中规定：复合钢的整体厚度按基层碳钢的厚度进行设计。日本有关标准通常也按这种规定进行设计。 弯曲性能 测定复合钢的弯曲性能时，可把不锈钢复层放在外侧，也可把碳钢基层放在外侧进行弯曲试验。无论采取哪种方法，都必须根据处于外侧材料的弯曲试验规定进行，目的是为了判断外侧材料的性能。如果把不锈钢放在外侧进行弯曲试验，弯曲半径按与复合钢整体厚度相等的不锈钢厚度弯曲试验所规定的半径进行弯曲，弯曲时外侧必须不产生裂纹。在碳钢为外侧的弯曲试验时，应按碳钢整体厚度的规定进行试验。判断复合钢的弯曲性能时

4、，把不锈钢放在内侧，当不锈钢的厚度为4.99.5mm时，半径R可按复合钢整体厚度的一半（R=/2）进行弯曲。当不锈钢厚度9mm时，弯曲半径R按等于复合钢整体厚度（R=）进行弯曲。通常规定三个试样中至少一个试样不能在弯曲处的两端有超过50%的分离现象。碳钢与不锈钢爆炸焊时，由于工艺参数不当，有时在接合面交界处能产生硬化的合金层，当进行弯曲试验时，这种合金层容易形成裂纹。因此，使用爆炸焊复合钢制造承受弯曲载荷的结构时，必须选用没有硬化合金层的爆炸焊复合钢。1.2 不锈复合钢的种类与性能不锈复层钢板是由较厚的珠光体钢（基层）和较薄的不锈钢（复层）复合轧制而成的双金属板。基层多为碳钢或低合金钢，复层多

5、为1CR18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti、Cr23Ni28Mo3Cu3Ti等奥氏体不锈钢，主要满足耐蚀性能等要求。不锈钢复层通常是在容器里层，厚度一般只点总厚度的10%20%。我国生产的不锈钢复合钢板种类和力学性能见表1。目前应用较多的是奥氏体系复合钢板和铁素体系复合钢板。不锈复合钢冷轧薄板和钢带宽度9001200mm、长度2000mm的允许偏差应符合GB/T 708-1988的规定。成卷交货时钢卷头、尾厚度不正常的长度分别不超过6000mm。不锈复合冷轧薄钢板的厚度允许偏差见表2。不锈复合钢板总厚度及其允许偏差见表3。复合钢（基层 复层）规格/mmb/MPaS/MPa5/b/MPa

6、总厚度宽度长度Q235 1Cr18Ni9Ti(0Cr18Ni9Ti)6,8,10,12,14,15,16,1810002000Q235 1Cr18Ni12Mo2Ti(0Cr18Ni12Mo2Ti)37024022150Q235 1Cr133702402215020g 1Cr18Ni9Ti(0Cr18Ni9Ti)20g 0Cr18Ni12Mo2Ti(1Cr18Ni12Mo2Ti)4102502515020g 0Cr134102502515012CrMo 0Cr1341027020150Q235 1Cr18Ni941020150Q235 0Cr18Ni12Mo2Ti6,8,10,12,14,15,

7、16,18,20,22,24,25,28,301400180040008000不低于基层钢的力学性能150Q235 1Cr18Ni12Mo2Ti20g 1Cr18Ni9Ti16Mn 1Cr18Ni9Ti16Mn 1Cr18Ni12Mo2Ti16Mn 0Cr13表2 不锈复合冷轧薄钢板的厚度允许偏差公称厚度/mm复层厚度允许偏差/mm复合钢板厚度允许偏差/mmA级精度B级精度0.81.0不大于复层公称尺寸的10%0.070.081.20.080.101.50.100.122.00.120.142.50.130.163.00.150.17注：不锈复合薄钢板冷轧后进行热处理、酸洗或类似的处理加工，最

8、后获得适当等级的表面粗糙度。表3 不锈复合钢板总厚度及其允许偏差复合钢板总厚度/mm4101115162526303160总厚度允许偏差9%8%7%6%5%不锈复合钢板表面的质量特征如下。级表面 钢板两面允许有深度不大于钢板厚度公差之半，且不使钢板小于允许最小厚度的一般的轻微麻点、轻微划伤和辊印。级表面 钢板表面允许有深度不大于钢板厚度公差之半，且不使钢板小于允许最小厚度的下列缺陷。正面：一般的轻微麻点、轻微划伤、凹坑和辊印。反面：一般的轻微麻点、局部的深麻点、轻微划伤、压痕或凹坑。钢板两面超出上述范围的缺陷允许用砂轮清除，清除深度正面不得大于钢板复层厚度之半，反面不得大于钢板公差。不锈复合钢

9、冷轧薄钢板的力学性能应符合基层材料相应标准的规定，当基层材料选用深冲拉延钢时，力学性能应符合表4的规定。在弯曲部分的外侧允许产生裂纹，复合界面不允许分层。表4 不锈复合钢冷轧薄钢板的力学性能基层钢号拉 伸 性 能冷 弯 性 能抗拉强度b/MPa屈服强度s/MPa伸长率10/%弯曲角度（d=2）内弯、外弯试验结果复层为奥氏体不锈钢复层为铁素体不锈钢08Al3454903502818180 不得有分层、裂纹、折断10Al3655103602717180不得有分层、裂纹、折断注：复层为0Cr13钢时，力学性能按复层为铁素体不锈钢的规定。基层为其他钢号时，冷轧复合薄钢板的力学性能按基层牌号相应标准的规

10、定执行。为复合钢板总厚度。不锈复合钢板标准中没有弯曲试验规定时，可不做弯曲试验；如需求方要求做时，弯曲直径d=4。对称型复合钢板任做一个弯曲试验、非对称型复合钢板进行冷弯试验时，复层厚度大的面在外侧。1.3 复合钢板的接头设计复合钢板焊接接头设计必须考虑便于分别对基层、复层及过渡层焊接施工和避免或减少焊接第一焊道时被稀释的问题。图1为不锈钢复合钢板、铜及铜合金复合钢板对接接头的常用坡口形式。钛及钛合金或铝及铝合金复层冶金相容性差。因此在接头设计上应尽量避免或减少基层金属熔入复层金属。所以在接头构造上与不锈钢复合钢板有较大区别。图2为钛及钛合金或铝及铝合金复合钢板对接接头的常用坡口形式。对接接头

11、尽可能采用X形坡口双面焊。同时考虑过渡层的焊接特点，尽量减少复层一侧的焊接工作量。当焊接位置受限，必须单面焊时，可采用单面V形坡口。2. 钛钢复合板的焊接采用钛钢复合板可以大大扩展钛的应用范围和降低结构件的造价，许多国家已经掌握这种复合板的生产技术。我国已经采用爆炸成形以及爆炸轧制技术来生产制造这种复合板并取得良好效果。2.1 钛钢复合板的分类及性能目前，生产钛钢复合板最适宜的方法是爆炸成形。也有同时采用两种工艺来生产钛钢复合板的：先爆炸成形，然后再进行轧制。在真空条件下轧制钛钢复合板比最初采用的真空钎焊工艺更便宜。钛钢复合板和钛不锈钢复合板用于制造在腐蚀环境中承受一定压力、温度的塔、罐、槽等

12、工程结构。钛钢复合板的分类见表5。钛钢复合板的力学和工艺性能见表6。钛不锈钢复合板的分类见表7。钛不锈钢复合板的力学和工艺性能见表8。表5 钛钢复合板的分类种 类代 号爆炸钛钢复合板0类1类2类B0B1B20类：用于过渡接头、法兰等高结合强度且不允许不结合区存在的复合板1类：将钛材作为强度设计或特殊用途的复合板，如管板等2类：将钛材作为耐蚀设计，而不考虑强度的复合板，如筒体等爆炸轧制钛钢复合板1类2类BR1BE2注：爆炸钛钢复合板以“爆”字汉语拼音第一个字母B表示，爆炸轧制钛钢复合板以BR表示。表6 钛钢复合板的力学和工艺性能拉伸试验剪切强度b/MPa弯曲试验抗拉强度b/MPa伸长率/0类复合

13、板其他类复合板弯曲角/()弯曲直径d/mmB大于基层或复合材料标准中较低一方的规定值 196138内弯180，外弯由复合材料标准规定内弯时按基层标准，不够2倍时取2倍，外弯时为复合板厚度的3倍注：复合钢板抗拉强度B按式（7-1）计算。表7 钛不锈钢复合板的分类种 类代号用 途 分 类爆炸钛不锈钢复合板0类B0用于过渡接头、法兰等高结合强度且不允许不结合区存在的某些特殊用途1类B1钛材参与强度设计的复合板，或复合板需进行严格加工的结构件，如管板等2类B2将钛材作为耐蚀设计，不参与强度设计的复合板，如筒体等注：爆炸钛钢复合板以“爆”字汉语拼音第一个字母B表示。表8 钛不锈钢复合板的力学和工艺性能拉

14、伸试验剪切试验分离试验弯曲试验抗拉强度b/MPa伸长率/剪切强度b/MPa分离强度t/MPa弯曲角/()弯曲直径d/mmB大于基层或复合材料标准中较低一方的规定值0类197274内弯180，外弯由复合材料标准规定内弯时按基层标准，不够2倍时取2倍，外弯时为复合板厚度的3倍1类1382类138注：复合钢板抗拉强度B按式（7-1）计算。2.2 钛钢复合板焊接工艺特点钛钢复合板的复层（钛）厚度一般为1.53.0mm，基层厚度为820mm。钛复层和钢基层之间如果不加入中间金属层，经加热后会产生脆性层，使钛钢复合板的层间结合强度降低。因此，可在钛与钢之间加入V、Nb或者V Cr等中间合金层。通过加入各种

15、中间金属层轧制的钛钢复合板加热工艺对界面抗拉强度的影响见表9。由表可见，加入V作为中间层的效果最好。加双金属中间层（V Cu或Nb Cu）的结果并不好。因为Cu的熔点低，会形成低熔点共晶体，从而使钛钢复合板的焊接工艺变得更复杂。表9 钛钢复合板加热工艺对界面抗拉强度的影响钛钢复合板抗拉强度/MPa450100h8000.5h5h10h50h无中间层265221157196186加V中间层294272277274加Nb中间层225100178176167加V Cu中间层206194208201225加Nb Cu中间层219140181189203钛钢复合板的焊接主要采用以下两种工艺：焊缝上加盖板

16、，见图3(a)；加中间层，见图3(b)。采用第一种焊接工艺时（在焊缝上加盖板），对接接头处的强度性能主要靠基层钢焊缝来保证，而加盖板的目的是用来防止侵蚀性介质腐蚀焊接接头。在焊缝和盖板之间填加的地、填充材料，通常是Ag（Ag与Ti熔合得很好）或熔点较低的银钎料，也可以填充环氧树脂型聚合物。加填充材料的目的是为了提高接头的抗腐蚀性能。焊缝可以是如图4(a)所示的单面焊缝，也可以是如图4(b)所示的双面焊缝。 焊接钛钢复合板的第二种工艺是在钛复层的坡口中镶入一层很薄的难熔金属衬片（见图1b）,如厚度0.1mm的铌箔或钼箔等。焊接钛钢复合板的复层时，采用钨极氩弧焊（TIG），填加钛焊丝，钛丝直径取决

17、于钛钢复合板的复层厚度及坡口形式。钨极电弧在钛丝和钨极之间燃烧，不要使电弧直接作用在铌箔上，焊枪应沿着钛丝移动，钛丝熔化后即形成钛钢复合板的焊缝。因为Nb的熔点高，钨极电弧又不直接作用在铌箔上，所以只有很少部分Nb熔化，防止了钛与钢的相互熔合，可以有效地防止脆性相的形成。2.3 钛钢复合板焊接实例被焊母材 钛钢复合板，复层为工业纯钛TA2（厚度2mm），基层为低碳钢（厚度8mm）。焊接工艺 用厚度0.1mm的铌箔作为中间层，采用钨极氩弧焊（TIG）进行焊接，钨极直径3mm。填加钛焊丝，钛丝直径4mm。焊接工艺参数为，焊接电流160170A，焊接电压1012V，焊接速度13.3cm/min，喷嘴

18、直径18mm。用氩气作为保护气体，保护熔池的氩气流量为810L/min，在冷却过程中保护焊缝的氩气流量为34L/min。通过上述工艺获得的钛钢复合板焊接接头的抗拉强度为387397MPa，基层金属的抗拉强度为426431MPa。在拉伸实验时，焊接接头首先在铌箔与钛复层的界面上断裂，然后在钢基层上破断。这说明钛复层的塑性比低碳钢基层的塑性差。用上述工艺焊接的钛钢复合板接头在盐酸（HC1）、硫酸（H2SO4）等侵蚀性溶液中，耐蚀性良好，与复层金属的耐蚀性实际上没有差别。例如，钛在硫酸中的腐蚀速订为0.13mm/a，而钛钢复合板焊接接头的腐蚀速率为0.15mm/a。采用钛钢复合板焊接工艺时，首先要引

19、起注意的是，对基层（钢基体）主要是热影响区淬硬问题，对复层（钛）主要是脆化问题。3. 不锈复合钢的焊接不锈复合钢板基层和复层交界处的焊接属异种钢焊接，焊接性主要取决于复层和基层的物理性能、化学成分、接头形式及填充金属种类。焊接低碳钢（或低合金钢）与不锈钢的复合钢板时，容易产生高温结晶裂纹、延迟裂纹和脆化问题。3.1 不锈复合钢板的加工特点不锈复合钢板在焊接之前，一般经过下料切割成零件，坡口加工以及热成形、冷成形加工等。（1） 复合钢板的切割不锈复合钢板总厚度在12mm以下时，主要是采用机械剪断和冷冲压加工等方法。加工时，复合层必须向下，而碳钢基层向上，不可损伤复层表面和结合处。在基层钢和复层钢

20、都较厚的情况下，可采用等离子切割和氧乙炔火焰切割。在用氧乙炔火焰切割时，要注意以下问题。 所采用的喷嘴直径应当比同一厚度钢板稍大一些。 切割时应先从基层钢板一侧开始，氧压应是同等厚度钢板切割时氧压的一半，特别当基层钢板较薄时更要低些。不锈钢复合板氧乙炔火焰切割的速度要比切割低碳钢时的速度慢（见表10）。表10 不锈钢复合板氧乙炔火焰切割的工艺参数复合板总厚度/mm复层厚度/mm切割速度/cn.min-1氧压/MPa喷嘴直径/mm工件与喷嘴距离/mm喷嘴角度/()不锈复合板825501.651042.538.530.00.2450.2750.3431.51.52.02.515蒙乃尔复合板9302

21、346.031.00.0800.1961.01.568710010如果复合钢板较厚，氧乙炔火焰不能切割时，应采用等离子弧切割。等离子弧切割时，一般都从复层开始，即复合层在上面一侧开始切割，切割速度和切口质量比氧乙炔火焰切割时高。（2） 复合钢板的成型加工不锈复合钢板的成型加工，应尽可能实行常温冷态弯曲成型，不可在滚床或压床进行急剧弯曲，要施行逐段的缓慢成型加工。加工过程中复层表面不可有油污，不可导致伤痕。一般化工容器和原子能装置结构，所用的复合钢板在焊接之前常需要加热成型加工。在热成型的加工过程中应注意加工之前应清除工件表面上的油污及杂物；加热要保持弱性焰，注意避免还原性焰产生增碳现象。热加工

22、后，对于低碳钢基层可以空冷，对低合金钢的基层要进行保温缓冷。不锈复合钢板加热成型的温度范围见表11。表11 不锈复合钢板加热成型的温度范围基 层不锈钢复层加热其他复层加热备 注低碳钢700850750950，实际加热到900950为了避免晶间腐蚀，应尽可能选用有稳定剂的不锈钢复层低合金高强钢实际加热到800850珠光体耐热钢750950，实际加热到9009503.2 焊接性特点（1） 奥氏体系复合钢的焊接性奥氏体系复合钢板是指基层是低碳钢或低合金钢，复层是奥氏体不锈钢的复合钢板。复合钢板焊接时，复层和基层分开各自进行焊接。焊接中的主要问题在于基层与复层交接处的过渡层焊接。焊接这类复合钢板时主要

23、存在以下几个问题。 焊缝容易产生结晶裂纹 结晶裂纹是热裂纹的一种形式。焊缝金属在结晶过程中冷却到固相线附近的高温时，液态晶界在焊接应力作用下产生的裂纹。影响结晶裂纹的因素主要有两个。稀释率的影响 焊接奥氏体复合钢板时，由于基层钢板的含碳量高于复层，复层受基层的稀释作用，使焊缝中奥氏体形成元素减少，含碳量增多，焊缝结晶时易产生微裂纹。结晶区间的影响 奥氏体钢结晶温度区间很大，熔池结晶时在枝晶的晶界上存在S、P、Si等低熔点共晶物呈现薄膜状，这种液态薄膜在拉伸应力作用下易产生裂纹。若焊接材料选择不合适或焊接工艺不恰当，不锈钢焊缝就可能严重稀释，形成马氏体淬硬组织；或由于铬、镍强烈渗入珠光体钢基层而

24、严重脆化，产生裂纹。因此，焊接过渡层时，要使用含铬、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。 热影响区容易产生液化裂纹 复合钢焊接时，奥氏体钢热影响区由于受焊接热循环影响，低熔点杂质被熔化，在焊接应力作用下产生液化裂纹。焊接时，热影响区受熔池金属的热膨胀作用产生压缩应力，当电弧移开后，随着温度的降低，压缩应力变拉伸应力。之后，热影响区晶界上存在的低熔点共晶物的液膜被拉开产生裂纹。这种裂纹是由于奥氏体系复合钢板的热影响区晶界受焊接热循环作用，低熔点共

25、晶物液化产生的，所以称为液化裂纹。如果晶界析出物的熔点高，即使受焊接热作用瞬时产生液态膜，但在压缩应力作用下已完成结晶，当转变为拉伸应力时晶界已不存在液态膜了，所以也就不产生裂纹。防止奥氏体系复合钢板焊缝及热影响区产生结晶裂纹和液化裂纹的主要措施为：正确制定焊接工艺，严格遵守操作规程；合理选择填充材料。 熔合区脆化 焊接奥氏体系复合钢板时，熔合区出现脆化的原因有如下几个。a. 结构钢焊条的影响 用E4303或E4315焊条焊接基层钢板时，由于热作用使复层钢板局部熔化，合金元素渗入焊缝。在熔合区附近狭小区域中，搅拌作用不充分而产生马氏体组织，使熔合区硬度和脆性增加。b. 不锈钢焊条的影响 用E3

26、47-16或E347-15焊条焊接复层钢板时，容易熔化基层钢板，使焊缝金属成分稀释，焊缝金属为奥氏体 马氏体组织，使塑性和耐蚀性降低，而熔合区的脆性明显增加。c. 碳迁移的影响 焊接时碳由低Cr的基层钢板（碳钢或低合金钢）向高Cr的不锈钢复层焊缝金属扩散迁移，因此在基层和复层的交界形成高硬度的增碳层和低硬度的脱碳层，引起熔合区的脆化或软化。为了防止碳的迁移，可在基层和复层之间采用“隔离焊缝”（也称过渡层）。生产中常选用含Nb的铁素体焊条在基层钢板上焊接“隔离焊缝”，然后用奥氏体钢焊条焊接复层，最后用结构钢焊条焊接基层。这种工艺措施可有效地防止碳的迁移，避免在熔合区附近出现脱碳层和增碳层，从而减

27、小了熔合区的脆化，使复合钢板的焊接接头具有较高的强度和韧性。（2） 铁素体系钢的焊接性 焊缝易产生结晶裂纹 焊接铁素体复合钢板时，焊缝金属产生结晶裂纹的原因和防止措施，与焊接奥氏体复合钢板时基本相同。 焊接接头易产生延迟裂纹 延迟裂纹是焊接接头冷却到室温并在一定时间后才出现的焊接冷裂纹，多产生在热影响区。焊接铁素体系复合钢板产生延迟裂纹的影响因素有：焊接接头区出现脆硬组织；焊缝金属中有明显的扩散氢聚集；焊接接头刚度大；有明显的焊接应力。延迟裂纹有潜伏期，用不同的填充材料焊接时，延迟裂纹的潜伏期和裂纹数目不同，试验结果见表12。因此，焊缝延迟裂纹检验不能焊后立即进行。表12 铁素体复合钢板焊后延

28、迟裂纹潜伏期的试验结果焊 条预热温度/裂 纹 数 目牌 号型 号焊 后24h48h70h120h340hG302E430-16不预热011222G307E430-1550002000G202E410-16不预热417190500G207E410-15100000000为了防止产生延迟裂纹，应采取下列措施。 焊条要充分干燥 选用的焊条要放置在通风处储藏，严禁焊条受潮或杂乱无章地堆放。 施焊前焊条要烘干 焊条烘干可去除水分和氢，如采用G302或G307焊条，焊前在100以上烘干；采用G202或G207焊条，焊前在50以上烘干，焊后就不产生延迟裂纹。 严格遵守操作规程 焊接铁素体复合钢板的操作规程应根据板厚、接头形式及技术条件的要求制定。3.3 焊接程序（1）复合钢板的焊接方法焊接方法应根据复合钢板材质、接头厚度、坡口尺寸及施焊条件等确定。目前焊接复合钢常用手工电弧焊，也可用氩弧焊、埋弧自动焊或气体保护焊。为了减小熔合比，可用双丝埋弧焊。实际生产中常用埋弧自动焊焊接基层，用手工电弧焊和氩弧焊焊接复层和过渡层。为了保证复合钢板不失去原有的综合性能，基层和复层必须分别进行焊接。基层的焊接工艺与珠光体钢相同，复层的焊接工艺与相应的不锈钢（或镍基合金、钛及钛合金等）相似，只有基层与复层交界处的焊接是属于异种金属的焊接。（