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1、水电站不锈钢复合钢板焊接及耐腐蚀技术研究,中国水利水电第七工程局有限公司,【摘要】本文介绍了水电站用不锈钢复合钢板的焊接特点和耐蚀性要求。怎样选择焊接材料和焊接方法来避免出现焊接裂纹和焊接接头的耐蚀性，以及对不锈钢覆层根据水质情况，来选择不锈钢覆层材料，通过本篇论文的介绍和研究说明，希给予广大相关人员提供一定的参考实用价值。【关键词】不锈钢复合钢板、焊接、过渡层、焊接裂纹、耐蚀性,1.引言,不锈钢复合钢板，是以低碳钢或低合金钢为基层，采用爆炸法、轧制法、爆炸轧制法、钎焊轧制法或其他方法，在其一面或两面整体地连续包覆一定厚度不锈钢覆层的复合材料，覆层厚度通常只占复合钢板总厚度的1020。水电站使
2、用的不锈钢复合钢板，通常只在低碳钢或低合金钢基层的一面有不锈钢覆层。水电站所使用的不锈钢复合钢板主要是利用其不锈钢覆层的耐蚀性和抗磨性。但不锈钢复合钢板的焊接性比较复杂，若覆层材质选用不当或焊接工艺不正确，前者会导致其耐蚀性降低，后者会导致焊接裂纹和焊缝的耐蚀性下降。为此本篇论文将从焊接技术问题和不锈钢覆层选材问题给予一定论述，以供同行参考。,2.不锈钢复合钢板的特点分析,不锈钢复合钢板通常是由较厚的珠光体钢（如低碳钢或低合金钢）做基层和较薄的奥氏体不锈钢（如0Cr19Ni9、00Cr19Ni11、1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2和00Cr17Ni14Mo2）、奥氏体铁素体双相不
3、锈钢（如00Cr22Ni5Mo3N、Cr25Ni5Mo2）、铁素体不锈钢(如0Cr13、1Cr17Ti、1Cr25Ti、1Cr28)、半铁素体（即马氏体铁素体）不锈钢（如1Cr13、1Cr17、1Cr17Ni2）、马氏体不锈钢（如2Cr13、0Cr13Ni5Mo）以及沉淀硬化型不锈钢（如0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al）等复合而成。覆层为奥氏体不锈钢、奥氏体铁素体双相不锈钢、铁素体不锈钢具有比较高的耐蚀性。,当水中含有氯离子时，这类钢比马氏体型不锈钢抗点腐蚀能力较好，双相的不锈钢的点腐蚀倾向比纯奥氏体不锈钢大，这是因为两种组织电位不同所致。铬（Cr）、钼（Mo）含量较高的不锈钢
4、耐蚀性较好，这些元素既加强了钝化膜，又抑止产生点蚀，特别是钼元素是抑止点蚀溶解的合金元素。铁素体不锈钢抗应力腐蚀能力强于奥氏体不锈钢。而奥氏体不锈钢在水工金属结构中使用最为广泛。覆层为马氏体不锈钢、半铁素体不锈钢以及沉淀硬化型不锈钢，主要用于硬度、强度要求高，具有耐磨性要求的地方，但是水中含有氯离子（会引起点蚀，见图2）或水中的PH值偏小（会导致氢致裂纹）的水域审用。,图2 覆层为马氏体不锈钢复合钢板（Q345B基层20mm+0Cr13Ni5Mo覆层4mm）点蚀形貌照片（掏除了点蚀孔内腐蚀组分后拍摄）,不锈钢覆层较珠光体钢基层具有不同的金相组织、低的热导率、高的电阻和较大的热膨胀系数等，还存在
5、熔点、比热容、电磁性的差异。由于不锈钢复合钢板覆层和基层存在交界线，所以焊接时存在基层、过渡层和覆层等焊接特点之分，针对不同的层采用不同的焊接方法、焊接热输入、焊接材料等。而不锈钢在做焊后消应热处理时，要注意避开不锈钢的晶间腐蚀（晶间腐蚀的原因是在一定温度下会有碳化铬Cr23C6沿晶界析出，使晶界出现贫铬区）“危险区温度”对铁素体不锈钢或马氏体不锈钢危险温度为400600，而奥氏体系不锈钢则为450850。所以要尽量避开危险区温度加热或不能在该区段停留时间过长。且采用比珠光体类钢要小的焊接热输入焊接，尽量减小不锈钢热影响区的过热。,3.不锈钢复合钢板焊前准备,不锈钢复合钢板的下料和焊接坡口加工
6、优先选用机械加工方法，如刨边机、铣边机、单臂刨、剪板机等下料和加工焊接坡口。当采用等离子弧切割、氧熔剂气割或碳弧气刨等热加工时，则必须去除覆层下料坡口表面的氧化层、过热层和渗碳层。其比较好的焊接坡口型式见下图3所示。这样的坡口型式其目的是在焊接过程中，当采用碳弧气刨清根时，可以防止碳筋棒电极对不锈钢覆层渗碳，导致该处高碳马氏体组织的产生，从而防止裂纹的出现。当结构型式等不可避免出现图3之外的其他坡口型式时，又要采用碳弧气刨对焊缝清根，此时必须采用砂轮打磨等机械方法去除渗碳层后才能施焊。,（a）对接,（b）对接,（c）角接,(e)去掉覆层不锈钢的复合钢板焊接坡口,图3 不锈钢复合钢板焊接坡口推荐
7、型式,（d）角接,焊接前应采用机械方法及有机溶剂（如丙酮、酒精、香蕉水等），清除焊丝表面和焊接坡口及坡口两侧20mm以上范围内的油污、水渍、锈迹、氧化膜及其它污物。多层多道焊时，必须清除前道焊缝表面的熔渣和缺欠等。,4.不锈钢复合钢板焊接特性,不锈钢复合钢板焊接材料选用：对基层珠光体钢（b600MN/m2）采用等强原则选取。覆层不锈钢采用等耐蚀性原则选取，且宜为低碳、超低碳以及含有钛（Ti）、钼（Mo）元素的焊接材料。譬如，单相奥氏体不锈钢0Cr19Ni9焊接覆层时应选用Cr18Ni8型焊接材料，这样可以保证焊接接头的耐蚀性要求。过渡层焊接应选用Cr25Ni13型或Cr25Ni20型焊接材料，
8、即可用不锈钢覆层母材的铬当量和镍当量通过Schaeffler（舍夫勒）组织图（见图4.1）等预测焊缝金相组织来选取焊接材料，这样可防止基层焊缝对覆层的稀释，使过渡层出现马氏体组织，从而引起过渡层脆化而产生裂纹。,图4.1 Schaeffler组织图,珠光体钢基层焊接推荐采用焊条电弧焊、埋弧焊和CO2气体保护焊。不锈钢覆层和过渡层，推荐采用氩弧焊、焊条电弧焊或埋弧焊。不锈钢覆层不应有电弧或硬物击伤。前者会导致不锈钢金相组织改变，后者会引起冷加工硬化，两者都会使击伤处的腐蚀电位升高，使该处腐蚀加速，耐蚀性降低。在施焊时，为了防止对母材电弧击伤，导致腐蚀电位升高，所以焊接电缆、焊枪等必须绝缘良好。在
9、用珠光体类即低碳低合金钢焊条定位焊时，注意不要熔敷到不锈钢覆层，不然将对覆层内的铬、镍含量导致稀释，由Schaeffler组织图知道，将会出现马氏体组织，加之若使用碳弧气刨清除定位焊和焊缝背缝清根时，将会对覆层及其稀释层渗碳从而出现高碳马氏体而使焊缝产生裂纹，对此，应采用砂轮打磨等机械方法把稀释层和渗碳层清除，才能继续焊接。,不锈钢复合钢板的焊接一般应先焊基层，待基层施焊到离基层和覆层交界线23mms时停止焊接，经清根及规定的质量检验项目检验合格后，再焊过渡层(该过渡层厚度不小于5mm)，最后焊接覆层。当施焊位置不允许时，亦可先焊覆层，再焊过渡层，最后焊基层，但在这种焊接顺序下，基层的焊接，须
10、用与过渡层焊接相同的不锈钢焊接材料，即Cr25Ni13型焊接材料；亦可在过渡层上焊接纯铁素体不锈钢焊接材料，即Cr25Ni20型焊接材料过渡，该过渡层厚度应不小于5mm后，才能用低碳钢或低合金钢焊条或焊丝焊接。双相不锈钢的耐蚀性和力学性能除受化学成分的影响，主要取决于其合理的高温铁素体相和奥氏体相之比。水工金属结构一般耐蚀性要求/的比值控制在5左右。因此，焊缝能否保持这种合理的相组织比值是焊接双相不锈钢的关键问题。根据FeCrNi三元合金相图，即图4.2知道，双相不锈钢在刚凝固结束时的组织为单相铁素体。奥氏体相是在随后的冷却速度过程,中温度低于1300后由相晶粒边界形核和生长，即发生相相的转变
11、形成的。它的形态和数量除与化学成分有关外，主要取决于冷却速度。随着冷却速度的增加，相的含量减少。当焊缝成分与母材相同时，冷却后焊缝组织中相的含量较少，而相的含量可能会超过80。过高的相含量会导致焊缝韧性下降，氢脆敏感性增加。因此，为了得到合适的/比值的焊缝组织，可以根据Schaeffler（舍夫勒）组织图、Delong diagram（德龙）图及美国焊接研究会公布的WRC1992组织图，通过铬当量和镍当量预测焊缝的室温组织。,图4.2 FeCrNi三元合金相图,5.不锈钢复合钢板焊接去应力处理,不锈钢复合钢板通常不做焊接后去应力处理。若采用焊后去应力热处理，应在焊接基层之后、在焊接过渡层和覆层
12、之前进行。这样可以减小由于覆层和基层的热膨胀系数不同而导致新的应力产生，也防止其热膨胀系数不同导致覆层和基层的热处理分层。同时，在进行焊后热处理时，应避开铁素体不锈钢或马氏体不锈钢脆化温度区间400600和奥氏体系不锈钢脆化温度区间450850，可采用低温热处理或高温热处理时在脆化区间范围内激冷，如水韧处理。而采用焊后爆炸去应力处理时，也应在焊接过渡层和覆层之前进行。焊后爆炸去应力处理是通过材料的塑性变形原理来削平焊接残余应力峰值，相当于给焊件一个预拉伸，虽然应力下降了，但同时材料的脆性倾向也增加了。由于基层和覆层的材质不同，也就是两者的塑性变形情况也不一样。若采用爆炸去应力处理两者变形速率不一致，会出现新的内应力，甚至会导致覆层与基层剥离分层的可能。为此，对不锈钢复合钢板采用这些方法去应力处理时应审用。,6.结束语,通过以上对不锈钢复合钢板的分析研究，对不锈钢复合钢板的耐蚀性和焊接特性介绍，从而防止了由于不锈钢覆层的选材不当和焊接方法的不正确，导致的覆层耐蚀性下降和焊接裂纹的产生，提供了一定的参考价值，具有一定的经济效益和社会效益。,
