不锈钢碳钢复合板的焊接工艺及接头组织性能研究 机械制造专业

不锈钢/碳钢复合板的焊接工艺及接头组织性能研究摘 要金属复合板以其优良的综合性能被广泛地应用于石油化工、建筑、交通运输及日用品等许多领域中。但是由于其基层与覆层之间的化学成分及理化性能差异较大，在焊接过程中容易出因此在工业生产中，为了减少焊接过程对焊缝金属的稀释作用，将基层与覆层分开焊接在之间以保证复合板接头的焊接质量，基于此，本文对304L/SA516Gr70奥氏体不锈钢复合板、405/Q245R铁素体不锈钢复合板这两种不锈钢/碳钢复合板的焊接工艺及焊接性进行研究。Cr、NiER309L焊丝、ER316焊丝、A302焊条作XX型开槽两种坡口型式对不锈钢/碳钢复合板进行对接焊。通过对在不同工艺条件下所获接头进行力学性能测试、微观组织分析及耐蚀性能评价等，确定试验条件下的最佳焊接工艺及参数。/碳钢复合板接头的抗拉强度与其母材本身的抗拉强度相当，且均断在远离熔合线的母材处，完全能够满足实际工程结构对接头的强度要求。在304L/SA516Gr70X型开槽坡口、SMAWA2的抗拉强度最高；而在405/Q245RSMAWB2B1的高。利用光学显微镜（M、扫描电镜（M（TEM）及X（D）对不锈钢/碳钢复合板接头的过渡层焊缝（M、覆层不锈钢与过渡层焊缝熔合区（S）WM-CS界面处，两种不锈钢304L/SA516Gr70WM-CS界面处还存30~50μmCr、Ni等合金元素浓度在该区域呈梯度分布，但是并未发现合金元素偏聚现象及有害相析出。采用化学浸泡法及电化学测试方法评价接头过渡层焊缝的耐点蚀性能，结果表明，对于304L/SA516Gr70接头，采用ER316L焊丝的钨极氩弧焊接头A4的耐腐蚀性能最好；对于405/Q245R接头，采用焊条电弧焊获得接头B2的耐腐蚀性能要优于钨极氩弧焊接头B1。综上所述，在本文中试验条件下，采用所选择的焊接工艺均可在一定程度上实现不锈钢/碳钢复合板的高质量焊接。关键词：不锈钢复合板，焊接工艺，过渡层，力学性能，微观组织，耐蚀性IABSTRACTThemetalcompositeplateshaveexcellentcomprehensiveproperties,andtheyarewidelyusedinmanyindustryfieldssuchaspetrochemical,constructionindustry,transportationanddailyproducts,etc.Duetothegreatdifferenceofchemicalcompositionandphysicalandchemicalpropertiesbetweenthecladdingplateandthebaseplate,itcaneasilyresultinthewelddilution,compositionsegregationandtheoccurrenceofotherwelddefectsduringwelding,thusitisdifficulttoobtainaweldedjointwithgoodquality.Inthepracticalapplication,whenthecompositeplateiswelded,thecladdingplateandthebaseplateofcompositeplateareoftenweldedrespectively,andatransitionlayerisadoptedbetweenthebaseplateandthecladdingplate,soastodecreasethewelddilutionduringwelding.Inordertogetweldedjointwithgoodquality,thetechnologycontrolofweldingforthetransitionlayerisofgreatconcern.Basedonthese,theweldingtechnologyandweldabilityof304L/SA516Gr70、405/Q245Rstainlesssteelcompositeplateareinvestigatedrespectivelyinthecurrentwork..Accordingtotheweldingcharacteristicsofthestainlesssteelcompositeplates,thestainlesssteel/carbonsteelcompositeplatesareweldedbytungsteninertgasarcwelding(GTAW)andshieldedmetalarcwelding(SMAW)respectively,andthefillermetalssuchasweldingwireER309L,weldingwireER316LandelectrodeA302whichcontainhighcontentsofCrandNielementsareadopted,andthegroovepatternofweldedjointareX-grooveandslottedX-grooverespectively.Inordertooptimizetheweldingtechnologyandgetthemostsuitablejoint,themechanicalproperties,microstructureandcorrosionresistanceofweldedjointsunderdifferentconditionareevaluatedrespectively.Reasultsofmechanicalpropertiestestsshowthatthetensilestrengthofbothofthetwocompositeplatesweldedjointsaresimilarwiththetensilestrengthofbasemetal,andallthetensilesamplesbrokeatthepositionofbasematerialdistantfromfusionline.Consequenly,itcanmeettherequirementoftensilestrengthforpracticalengineeringstructure.ThetensilestrengthofslottedX-groovejointA2weledbySMAWisthehighestamongallofthe304L/SA516Gr70joints,whileinthe405/Q245Rjoints,thetensilestrengthofjointB2weledbySMAWishigherthanthatofjointB1weledbyGTAW.Jointmicrostructureanalysesincludingthetransitionlayerweldmetal,theinterfacebetweencladdinglayerstainlesssteelandweldmetal(WM-SS),theinterfacebetweenbaselayercarbonsteelIIandweldsteel(WM-CS),andchemicalcompositionsandphaseconstitutionofstainlesssteel/carbonsteelcompositeplatejointsareconductedbymeansofopticalmicroscopy(OM),scanningelectronmicroscopy(SEM)andtransmissionelectronmicroscopy(TEM),togetherwithX-raydiffraction(XRD)respectively.Resultsshowthatthemicrotructureofweldmetalisthattheferritedistributesintheaustenitematrix.IntheWM-CSinterface,bothofthetwostainlesssteelcompositeplatejointsexistthemigrationofcarbonelementtoacertainextent.Inaddition,the304L/SA516Gr70jointstillhasasolidificationtransitionregionwhichitswidthis30~50μm.TheanalysesofelementlinescanningandenergyspectrumindicatethatthevariationsofCr,Nicontentsobviouslypresentthecharacteristicofgradientdistribution,butthereisnotelementsegregationandprecipitationofdeteriorativephasesintheinterface.Chemicalimmersionmethodandelectrochemicaltestareusedrespectivelytoevaluatethepittingcorrosionresistanceofjointtransitionlayer.ReasultsshowthatthepittingcorrosionresistanceofjointA4weledbyGTAWwithweldingwireER316Lisbetterthanthatoftheother304L/SA516Gr70joints,andthepittingcorrosionresistanceofjointB2weledbySMAWisbetterthanthatofthejointB1weledbyGTAW.Inaword,undersuchexperimentconditions,theweldedjointofstainlesssteel/carbonsteelcompositeplatescanbesuccessfullyweldedtoacertainextent.Keywords:stainlesssteelcompositeplate;weldingtechnology;transitionlayer;mechanicalproperties;microstructure;corrosionresistanceIII目 录第一章绪论 金属复合板概述 金属复合板的特点及发展 金属复合板的应用现状 不锈钢复合板简介 奥氏体不锈钢复合板的性能特点及应用 铁素体不锈钢复合板的性能特点及应用 不锈钢复合板的焊接性特点及分析 不锈钢复合板的焊接特点及接头区域分布 过渡层焊缝的焊接性分析 不锈钢复合板常用焊接方法 10不锈钢复合板的焊接研究现状 本课题的主要研究内容及具体方案 13第二章不锈钢/碳钢复合板焊接工艺试验 15焊接试验母材 15工艺方案确定 16焊接方法的选择 16焊接材料的选择 16焊接工艺参数的确定 18焊接接头宏观形貌 20焊后试验分析 21第三章 304L/SA516Gr70不锈钢复合板接头组织与性能分析 24304L/SA516Gr70接头力学性能测试及分析 24接头拉伸性能 24接头显微硬度测试 26304L/SA516Gr70接头微观组织结构分析 28过渡层焊缝金相组织观察 28过渡层焊缝金属的物相分析 30WM-CS界面金相组织观察 31VWM-CS界面合金元素线扫描及能谱分析 34WM-SS界面金相组织观察 37过渡层焊缝金属的透射电镜观察 39304L/SA516Gr70接头耐点蚀试验 40点蚀的形成机制 40化学浸泡法评价接头耐点蚀性能 41电化学测试接头的耐点蚀性能 44本章小结 49第四章405/Q245R不锈钢复合板接头组织与性能分析 51405/Q245R接头力学性能测试及分析 51接头拉伸性能 51接头显微硬度测试 53405/Q245R接头微观组织结构分析 54过渡层焊缝金相组织观察 54过渡层焊缝金属的物相分析 55WM-Q245R界面微观组织 56WM-Q245R界面合金元素线扫描及能谱分析 58WM-405界面微观组织 60过渡层焊缝金属的透射电镜观察 61405/Q245R焊接接头耐点蚀试验 61化学浸泡法评价接头的耐点蚀性能 62电化学测试接头的耐点蚀性能 63本章小结 66第五章结论 68参考文献 70VI图、表清单图1.1不同金属复合后的性能 1图1.2金属复合板在工业生产中的应用 5图1.3不锈钢复合板焊接顺序示意图 8图1.4复合板焊接接头型式示意图 9图1.5奥氏体不锈钢/碳钢界面凝固过渡层 13图2.1不锈钢复合板母材的金相组织 16图2.2舍夫勒组织图 17图2.3ZX7-315S/T型逆变式手弧/氩弧焊机 18图2.4焊接坡口形式示意图 19图2.5焊接次序示意图 19图2.6304L/SA516Gr70复合板接头试样A2、A3的焊缝宏观照片 21图2.7405/245R复合板接头试样B1、B2的焊缝宏观照片 21图2.8接头显微硬度测试点位置示意 22图3.1焊接接头拉伸断裂位置 25图3.2接头A1、A4拉伸断口扫描照片 26图3.3304L/SA516Gr70接头304L-WM界面显微硬度分布曲线 27图3.4304L/SA516Gr70接头SA516Gr70-WM界面显微硬度分布曲线 28图3.5四种工艺下所获接头过渡层焊缝的显微组织 29图3.6接头过渡层焊缝X射线衍射曲线 31图3.7四种工艺下获得接头WM-CS界面处的微观组织 33图3.8接头A1中WM-CS界面处的SEM照片 34图3.9WM-CS界面元素线扫描示意图 35图3.10接头A1、A4的WM-CS界面处元素线扫描曲线 35图3.11接头A1、A4过渡层焊缝局部微区的能谱分析 36图3.12几种工艺下获得接头WM-SS界面处的微观组织 38图3.13接头A3的TEM微观结构 39图3.14点蚀形成机理示意图 41图3.15腐蚀试样取样位置示意图 42图3.16接头及母材试样点蚀形貌 44VII图3.17电化学腐蚀试样示意图 44图3.18接头及母材在3.5%NaCl溶液中的极化曲线 46图3.19四种工艺接头及母材试样在3.5%NaCl溶液中的Nyquist图 47图3.20四种工艺接头及母材试样在3.5%NaCl溶液中的Bode图 48图3.21接头及母材电化学阻抗等效电路 48图4.1焊接接头拉伸断裂位置 51图4.2接头B1、B2拉伸断口扫描照片 52图4.3405/Q245R接头过渡层焊缝/覆层母材界面硬度分布 53图4.4405/Q245R接头过渡层焊缝/基层母材界面硬度分布 54图4.5接头过渡层焊缝显微组织 55图4.6接头过渡层焊缝X射线衍射图谱 56图4.7过渡层焊缝/基层母材侧界面显微组织 58图4.8WM-CS界面元素线扫描示意图 58图4.9接头B1、B2的WM-CS界面处元素线扫描曲线 58图4.10接头B1、B2过渡层焊缝金属局部微区的能谱分析 59图4.11过渡层焊缝/覆层母材侧界面显微组织 60图4.12接头B1的TEM微观结构 61图4.13405/Q245母材及接头点蚀形貌 63图4.14接头及母材在3.5%NaCl溶液中的极化曲线 64图4.15两种工艺接头及母材试样在3.5%NaCl溶液中的Nyquist图 65图4.16两种工艺接头及母材试样在3.5%NaCl溶液中的Bode图 65表1.1常见金属复合板的主要特性及其应用 3表1.2石化行业中奥氏体不锈钢复合板的使用情况 6表1.3各种焊接方法的熔合比范围 10表2.1试验母材的化学成分（wt%） 15表2.2试验母材的力学及物理性能 15表2.3填充材料的化学成分（wt%） 17表2.4304L/SA516Gr70不锈钢复合板焊接试验方案 20表2.5405/Q245R不锈钢复合板焊接试验方案 20表2.6接头焊接工艺参数 20表3.1304L/SA516Gr70接头拉伸测试结果 24表3.2接头焊缝金属局部微区的化学成分 36VIII表3.3接头过渡层焊缝耐点蚀速率(g·m-2·h-1) 43表3.4极化曲线测试结果 46表3.5交流阻抗等效电路电化学参数 49表4.1405/Q245R焊接接头拉伸测试结果 51表4.2接头焊缝金属局部微区的化学成分 60表4.3接头过渡层焊缝耐点蚀速率(g·m-2·h-1) 62表4.4极化曲线测试结果 64表4.5交流阻抗等效电路电化学参数 66IX第一章绪论金属复合板概述随着现代社会科学技术和工业技术的飞速发展，各种技术需求也随之诞生。例如许多新型结构及设备中对材料的强度、耐腐蚀性、高低温性能等性能要求在不断提高，与此同时，对材料的使用寿命和生产成本也提出了更高要求。在许多场合下，由于采用单一材料已经很难同时满足对其性能及成本要求，因此，制备出一种能同时满足各方面要求的整体新材料就成为当务之急，即将几种满足不同要求的材料采用一定的工艺措施将其复合形成一类新材料。这种通过采用复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属在界面上实现牢固冶金结合而制成的材料称为金属复合板[1,2]。金属复合板的特点及发展1.1最大限度地发挥复合板的性能优势。金属复合板的各种组成金属在性能上起协同作用，使材料的综合性能得到了较大提高，为实际工程结构的合理选材和降低制造成本提供了良好的前提条件。不过，由于金属复合板各层金属在物理、化学性能等方面存在较大差异，导致在复合之后各层金属之间具有明显的界限。图1.1不同金属复合后的性能1在实际生产中，一般通过合理选择各层金属，正确设计覆层结构，采用良好的复合工艺，使制备出的金属复合板能满足如下要求：用对材料提出韧性和硬度的综合性能要求。用作在各种腐蚀环境下工作的结构材料。降低成本 以廉价金属作为基体，在基体上复合一层较薄的贵金属，或者包覆一层可以起到贵金属作用的金属这样制成的复合材料可大大降低生产成本提高经济效益如Ag/Cu、Pd/Cu等复合材料。装饰作用 以廉价金属为基体表面复合金银镍等贵金属可以用作各种装饰品。正因为金属复合板具有如上所述的这些特点和优势，因此世界各国都先后进行了金属复合-喷射沉积轧制法等多种复合方法[3-9]1956年率先提出的，这三步工艺分别为：表面处理—轧制复合—退火强化处理，金属复合板在室温下[10]-1990年以后，日本对铝/不锈钢的复合技术研究更是取得了很大进展，研究成果已申请了多项专利，其中以采用惰性隔离颗粒层的爆炸复合多层金属板的制造技术为杰出代表。2060年代初，迄今为止，国内对金属复合板层状复合但与工业发达国家相比仍然差距明显。目前国内金属复合板的生产方式主要有爆炸复合法、爆炸+轧制（热轧和冷轧）复合法。实践表明，采用这些复合方法制造金属复合板时还存在许多2技术问题：一方面，生产设备比较落后，生产工艺方法还不够完善，产品质量和产量还有待进一步提高；另一方面，对金属复合板的研究工作比较滞后，有关复合理论和双金属复合机理的研究不够深入，尤其是对物理特性相差悬殊的金属材料之间的复合机理研究更少，例如对高熔点、高硬度金属与低熔点、低硬度金属进行复合等。由于这类复合板具有非常广阔的市场应用前景[12]。因此，国内对金属复合板的研究工作还有待进一步加强。金属复合板的应用现状/////1.1为常见金属复合板的主要特性及应用。表1.1常见金属复合板的主要特性及其应用基层金属复层金属主要特性应用范围强度高、可加工性、耐蚀性、压力容器、船舶、石油化碳钢不锈钢经济性工等化工、医疗、装饰、餐厨铝不锈钢耐蚀性、质量轻、导热性好用具等航空航天、微电子、电解铝铜耐蚀性、质量轻、导电性好槽、轴瓦等遮雨板、门窗框架、排水铜不锈钢焊接性、热交换性、经济性系统、电力行业等耐蚀性、强度高、密度小、经真空制盐设备、石化、烟钢钛济性气脱硫、环保设备等铜银高温抗氧化性、导电性高温线圈、高频导体等铜金化学稳定性、经济性化工装置、钟表元件等归纳起来，金属复合板的具体应用领域主要包括以下几个方面[13-19]：石化设备的应用石油化工设备在使用过程中往往会遇到一些具有很强腐蚀性的液体或者气体，用于制作这些物质的生产容器、输运管道等。这是由于金属复合板除了具有较高的强度和刚度之外，还具有良好的耐腐蚀性能。由于采用全不锈钢或者其它单一金属制造的容器价格比普通碳钢容器高3出数倍，导致生产成本大大提高，因此这类设备常采用金属复合板来制造。复合板的基层通常采用碳钢、低合金钢或者具有一定耐腐蚀性能的耐蚀钢，而覆层则根据腐蚀介质的不同可选用不锈钢、铜及其合金以及钛、铌等金属。热交换器是石化设备中较为常见的一类，在制造时金属复合板的选取与其它石化设备有所不同。这是由于其中通过的工业气体具有很强的腐蚀性，工作时在热交换器中的金属管板内进行着高温流体的流动和冷却过程，因此要求所用金属复合板除应具有一定强度和耐腐蚀性外，还应具有良好的热传导性能。为了满足这一要求，有生产厂家采用具有优良耐蚀性能的UNSN08800镍基合金作为覆层，以低合金钢13CrMo44作为基层制备的复合板。建筑行业的应用/是建筑行业中应用最为广泛的金属复合板之一[20]35%/铝合金复合板的装饰面积约1.5倍，可大大降低装饰成本以及产品重量，从而提高产品的市场竞争力。在/1/10能更加优良。不锈钢/10%~15%，在建筑行业中常被用房屋的外墙装饰、室内装饰、栏杆等。交通运输行业的应用在交通运输行业，要求使用的结构材料必须具有强度高、重量轻、耐腐蚀性能好、抗疲劳将不锈钢/15%/碳钢复合板制造化学品船的船舱，可大大降低生产成本。此外，在遇到需要焊接铝和钢两种不同材料的异种结构件时，可以采用钢/铝复合板作为焊接过渡件，这样就可采用一般的焊接方法分别将铝构件与复合板的铝侧、钢构件与钢侧进行焊接。实践证明，钢-铝过渡件的应用对船舶结构焊接十分有利。目前，4这种材料在船舶制造业中已经得到了广泛应用。日用品行业的应用目前市场上广泛使用的炊具大多采用不锈钢或者铝合金作为原材料，但这两种材料各具有其优缺点。不锈钢制品炊具具有外观精美、易清洗、对人体无害等优点得到了广泛应用。但是其价格相对较昂贵，导热系数小，在加热过程中会造成一定的能源浪费。铝制品炊具虽然具有导热系数大、灵巧方便、价格低廉等优点，但是铝易与酸碱等发生反应，若长时间使用，易引起老年痴呆，对人体造成一定伤害。由于受到原材料的物理、化学性能等方面的限制，使用单一材料来制造炊具，将难以充分发挥其所要求的综合性能。为了改善以上不足，使用不锈钢/而铝作为炊具的基层，这样就可以综合外观精美、易清洗、热导率高的优点，全面提高炊具的综合性能。使用复合板制造的炊具比单一材料制作的炊具成本要低，质量也轻很多，将大大提1.2为金属复合板在工业生产中应用的一些具体实例。 热交换器 石油管道(c)复合接头 炊具图1.2金属复合板在工业生产中的应用5不锈钢复合板简介不锈钢复合板是金属复合板中应用最为广泛的一种，它是将具有耐腐蚀、耐热、耐磨的不锈钢作为覆层，而采用强度相对较高、塑性韧性较好的碳钢或低合金钢作为基层，因此不锈钢复合板以其具有良好的成型加工性能、力学性能和耐腐蚀性能被广泛应用于工业生产中。不锈钢复合板根据覆层不锈钢材料的不同可分为奥氏体不锈钢复合板、铁素体不锈钢复合板、双相不锈钢复合板、马氏体不锈钢复合板等。其中奥氏体不锈钢复合板和铁素体不锈钢复合板由于具有良好的耐腐蚀性能和价格低廉而获得了广泛应用。奥氏体不锈钢复合板的性能特点及应用Fe-Cr-Ni三元相图分析可70%Fe、18%Cr、10%Ni时，在室温下为单相奥氏体组织。由于奥氏体不锈钢含有较高含量的铬元素，铬在不锈钢表面可以形成致密的氧化膜，使奥氏体不锈钢具有优良的耐0.1%C18%CrNi18-8型奥氏体不锈钢的基本成分。实践表明，碳、氮、钴、铝、铜等元素为奥氏体稳定元素，铝、钒等元素为铁素体稳定元素。奥氏体不锈钢具有无磁性、较高的塑性和韧性、加工成型性能良好等特点，而且此类钢在氧化性酸等腐蚀介质中的耐蚀性能优良，如果在钢中添加一定量的MoCu[20,21]。将奥氏体不锈钢与碳钢或低合金钢复合后形成的奥氏体不锈钢复合板，完全继承了奥氏体不锈钢在耐腐蚀方面的优点，而基层碳钢或低合金钢使复合板具有较高的强度和硬度等力学性能。奥氏体不锈钢复合板可以应用于除盐酸外其它所有的酸性介质中，在石油精炼、造纸、合成树1.2为石化行业中奥氏体不锈钢复合板的使用情况[22-25]。表1.2石化行业中奥氏体不锈钢复合板的使用情况设备名称用户名称设备名称用户名称基层覆层热交换器管板天津中和化工厂16MnR1Cr18Ni9Ti减压塔克拉玛依炼油厂SB421Cr18Ni9Ti减压塔济南炼油厂Q245R304不锈钢溶剂罐辽阳炼油厂16MnR304不锈钢蒸发罐平顶山盐场Q245R316L不锈钢6铁素体不锈钢复合板的性能特点及应用11%~30%，这类不锈钢中一般不含镍元素或者只含有极少量的镍元素，与奥氏体不锈钢相比价格低许多，是一种节镍经济型不锈钢。早期开发的铁素体不锈钢在性能上存在一些缺点和不足，如韧性差、对晶间腐蚀较为敏感等，随着各种结构中使用的铁素随着对不锈钢进行深入研究，不锈钢的生产技术不断完善，铁素体不锈钢所具有的一些缺点和4个等级：W(C+N)≥0.03%0Cr；W(C+N)≤0.03%00Cr；W(C+N)≤0.02%000Cr；W(C+N)≤0.01%超纯铁素体不锈0000Cr。目前，铁素体不锈钢的应用范围几乎遍及与人们日常生活息息相关的各个领域，如厨房设备、家用电器、交通运输、建筑装饰等方面[26,27]。其中在汽车、厨房设备等制品中的产量和消费量还有超过奥氏体不锈钢的趋势，显示出铁素体不锈钢复合板广泛的应用前景。在压力容器制造行业，部分设备所用不锈钢复合板的覆层材料也由最初的奥氏体不锈钢慢慢发展为选用铁素体不锈钢。如锦州炼油厂的反应釜就选用了0Cr13/Q245R铁素体不锈钢复合板制造。不锈钢复合板的焊接性特点及分析铁素体等不锈钢覆层来满足其耐腐蚀等性能，因此，如何保证不锈钢复合板焊接后接头具有良好的综合性能成为不锈钢复合板结构安全运行的关键。不锈钢复合板的焊接特点及接头区域分布不锈钢复合板通常是采用较薄的不锈钢与较厚的碳钢或者低合金钢通过爆炸焊等方法复合制成。由于基层碳钢或者低合金钢与覆层不锈钢在化学成分、显微组织、物理性能等方面存在较大差异，使得熔化焊接时会遇到较大困难，如果工艺控制不当，在焊缝中容易出现成分偏[28]。不锈钢复合板焊接时，由于基层、覆层在物理化学性能方面的差异较大，与普通的同种金属焊接不同，属于异种金属的焊接范畴。不锈钢复合板的焊接具有以下一些特点：异种金属焊接时的热应力 由于不锈钢复合板的基层与覆层的导热系数以及热膨胀系7数等具有较大差异，不锈钢覆层的导热系数低，热膨胀系数大，因此在焊接加热时覆层的膨胀变形量较基层的大，使得焊接接头在焊后冷却时，覆层的收缩量大于基层，造成接头受到较大的热应力作用。降，Cr等元素的含量下降达到一定程度时，覆层的耐腐蚀性能将随之降低。基层焊缝中的往往会形成裂纹，导致接头的性能恶化。考虑到不锈钢复合板的焊接性特点，在实际生产中，对不锈钢复合板进行焊接时，一般将其基层与覆层分别进行焊接，为了防止或减少焊接过程对焊缝金属的稀释作用，在基层与覆层之间添加过渡层焊缝。不锈钢复合板的焊接顺序如图1.3所示。图1.3不锈钢复合板焊接顺序示意图不锈钢复合板焊接后形成的接头与普通焊接接头一样，也是由焊缝金属、熔合区、热影响1.43个区域。其中接头的过渡层焊缝区属于不锈钢—碳钢异种金属焊接区，是决定焊缝质量的关键部位，也是复合板焊接难度较大的区域。8熔合区热影响区熔合区热影响区覆层焊缝 过渡层焊缝图1.4复合板焊接接头型式示意图过渡层焊缝的焊接性分析由于基层与覆层材料在化学成分、物理化学性能等方面存在较大差异，因此过渡层焊缝的焊接属于异种金属焊接，具有较大难度，在焊完后如何既保证基层的力学性能以及覆层的耐腐蚀性能成为过渡层焊接的关键。因此有必要对过渡层焊缝异种金属的焊接性进行分析。所谓材料的焊接性是指材料是否能够适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。金属焊接性通常包括以下两方面内容：首先是金属在焊接过程中是否容易出现缺陷；其次是焊接接头在成型之后在一定的使用条件下是否可以安全可靠运行。即金属焊接性包括结合性能以及结合后的使用性能两个方面[29]。异种金属焊接由于上述差异使得它比同种金属之间的焊接难度要大得多。一般来说，两种被焊材料之间的物理、化学性能、成分差别越大，其焊接性就越差。异种金属焊接时具有以下一些特殊性：异种金属焊接特有的困难 异种金属的不同组合有时会出现结晶化学性能的差异。所谓结晶化学性的差异主要是指晶格类型晶格参数原子半径原子的外层电子结构的差异等这些差异通常也称“冶金学上的不相容性”[30]如果两种被焊金属在冶金学上不相容则难以形成金属间化合物，如镁-铁异种金属焊接接头，这类接头在液相时不能互溶，在焊接熔化、凝固过程中极易产生分层脱离导致难以顺利焊接。只有在液态和固态下都具有良好互溶性的异种金属才能形成成形良好的焊接接头。9也往往不同于母材和焊缝金属。此外，即使焊缝金属的化学成分相同，但是焊缝各处的成分分布也可能不均匀。这种不均匀性对异种金属焊接接头的综合性能具有重要影响。界面组织的不稳定性 在异种金属焊接接头中，由于被焊材料与焊缝填充金属之间的化学成分存在差异，因此在母材与焊缝金属之间存在一个熔合区。熔合区是母材向焊缝金属的过渡区微观组织以及化学成分力学性能不均匀是该区的最大特征正是由于这种不均匀性会对焊接接头的综合性能如力学性能、耐腐蚀性能等造成较大的不利影响，是焊接接头最为薄弱的区域[31]因此采取一定的工艺措施控制好异种金属接头的熔合区是保证接头质量的关键。通常在焊接时熔合比越大，焊缝金属的稀释率也就越高，结果造成过渡区的范围扩大，微观组织的不均匀性也更为明显，因此，在异种焊接时应该严格控制熔合比。在焊接过程中，熔合比与采用的焊接方法、焊接工艺、坡口形式等多方面因素有关。表1.3为各种焊接方法的熔合比范围。表1.3各种焊接方法的熔合比范围焊接方法熔合比/%碱性焊条电弧焊20~30酸性焊条电弧焊15~25熔化极氩弧焊20~30埋弧焊30~60钨极氩弧焊10~100-的焊接方法。不锈钢复合板常用焊接方法选择合适的焊接方法对不锈钢复合板接头质量具有重要影响。在选择焊接方法时，要避免使用过高的焊接线能量，过高的焊接线能量会使接头焊缝金属区和热影响区晶粒粗大，导致接（、熔化极氩弧焊（MIG）和焊条电弧焊等。（1）钨极氩弧焊（GTAW）钨极氩弧焊是目前工业生产中应用最为广泛的焊接方法之一，它是在惰性气体的保护下，10利用钨极与工件之间产生的电弧熔化母材和填充金属的一种焊接方法。在焊接时保护气体从喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成保护层以防止周围空气对焊缝、热影响区以及钨极产生有害影响，从而获得优质接头。焊接时的保护气体主要有氩气、氦气和氩氦混合气体等，用氩气作为保护气体最为常见。钨极氩弧焊在工艺上具有电弧稳定、热输入易调节、焊缝成形美观、容易实现全位置自动化焊接等。钨极氩弧焊在焊接时焊丝既可以手工送进，也可以机械送进，在某除焊接铝、镁及其合金外，钨极一般设定为正极，此时具有很深的焊透能力，对于不同种类的焊接方法的主要优点是适宜焊接的材0.6mm及其以上的工件，主要应用领域是焊接薄的和中等厚度的工件，在焊接较厚的截面时作为根部焊道使用。（2）熔化极氩弧焊（MIG）熔化极氩弧焊一种自动气体保护电弧焊接方法，它采用惰性气体作为保护气，焊丝作为熔化电极，保护气通常是氩气、氦气或它们的混合气体。焊接过程中，电弧在保护气体屏蔽下在电流载体金属丝和工件之间燃烧。焊接时，保护气体氩气通过焊枪喷嘴连续输送到焊接区，使电弧、熔池及其附近的母材金属免受周围空气的有害作用。焊丝不断熔化以熔滴形式过渡到熔池中，与熔化的母材金属熔合、冷凝后形成焊缝。（3）焊条电弧焊（SMAW）焊条电弧焊是熔化焊中最简单、最常用的焊接方法，它是利用焊条和工件之间产生的电弧将焊条和工件局部加热到熔化状态，焊条端部熔化后形成的熔滴与局部熔化母材熔合在一起形成熔池，随着电弧不断往前移动，熔池逐步冷却结晶形成焊缝。不锈钢复合板的焊接研究现状因此要保证不锈钢复合板接头具有良好的综合性能具有一定难度。依据文献查询和实际调研，目前国内外对覆层奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的焊接性研究相对较多，工艺上相对成熟，对于不锈钢复合板的焊接工艺评定以及异种金属的焊接性研究也已有一些文献报道。王文先[32]41Cr18Ni9Ti/Q235复合板的对接焊工艺进行研究，并对焊接接头的显微组织、力学性能以及覆层耐腐蚀性能进行了分析。研究表明，采用钨极氩弧焊接头力学性能良好。而采用埋弧焊焊接基层时焊缝组织为粗大的柱状晶，韧性较差。钨极氩弧1mol/LNaCl中覆层的抗电化学腐蚀性能与母材相近，且无晶间腐蚀现象。吕世雄[33]316L/20GER316L焊丝ER309LER55-G焊丝作为填充材料焊接基层，并对接头进行了拉伸、弯曲、冲击等力学性能测试，以及对接头微观组织、主要合金元素的扩散进行了分析，结果表明，获得接头的力学性能良好，覆层焊缝中合金元素并未被基层焊缝稀释。文献[34-36]王能利[37]20/0Cr18Ni9复合钢管的焊接工艺及获得接头的性能，文中采用钨极TGS-309CHS-062焊条作为覆层以及过渡层填充70°V0Cr18Ni9母α＋γ查玉辉等人[38]16MnR+405复合钢板的焊接进行了研究，结果发现，由于基层焊缝对覆25-134%~12%的铁素体。纪永杰[39]0Cr18Ni9/Q235ChuaiphanW等人[40]3041020309L308L316L焊丝获得的309LJ[41]α＋γ双相组织，但组织中的铁素体含量各不相同，其中以激光焊焊缝中的铁素体含量最高，而钨极氩弧焊焊缝中的铁素体含量最低。LiGF[42]等人的研究结果表明，A508-309L/308L接头过渡区可以继续分为三个不同区域，1.5Ⅱboundary)，并把第二类边界线与熔合线之间的部分12+是异种金属焊接接头的主要失效部位。该区域的宽度与很多因素有关，在焊接过程中，应采取一定的工艺措施尽量减小该区域的宽度。图1.5奥氏体不锈钢/碳钢界面凝固过渡层潘春旭、刘中青[47,48]等人对母材中含碳量对接头熔合区凝固过渡层宽度的影响进行了研究，文中分别选用含碳量为0.20%、0.40%、0.65%、0.80%的碳素钢作为母材，用A302焊条作为填充材料，在相同工艺条件下对各试验母材进行焊接。结果表明，凝固过渡层的宽度主要取决于靠近焊缝处的温度梯度和母材中溶质原子的偏析程度。当母材中的含碳量较高时，液态金属的流动性也随母材中含碳量的升高而增加，焊缝边缘处的熔化母材与焊接材料完全混合，从而使类马氏体组织消失。田劲松[49]等人采用TIG自熔焊对409L和410L冷轧板进行了焊接试验，并对获得接头进行了拉伸和晶间腐蚀试验。结果表明，410L接头塑性下降较多的主要原因在于焊缝金属中的C、NCr409L接头未产生晶间腐蚀倾向的主要原因在于焊缝金属中CN（HAZ）的粗晶倾向、析出物及断口形貌进行了分析。结果表明，铁素体不锈钢焊接热影响区的晶粒粗大和TiN、TiC等化合物的析出是导致接头脆化的主要原因。本课题的主要研究内容及具体方案由于现代工业生产对工作条件的要求越来越高，不锈钢以其具有良好的耐腐蚀性及抗氧化13性能等得到广泛应用。但是，由于不锈钢的价格相对比较昂贵，在实际工业应用中的经济性较差。不锈钢复合板以其具有优异的综合力学性能和良好的耐腐蚀性能脱颖而出，更重要的是其生产成本更加低廉，适合于大规模的工业应用。焊接是不锈钢复合板在实际生产中应用的主要加工手段之一，由于不锈钢复合板的基层金属与覆层金属在物理及化学性能等方面差异很大，在焊接过程中经常会遇到一些技术问题。目前，虽然目前国内外对不锈钢复合板的焊接开展了一些研究工作，但大都局限于焊接工艺评定，对焊接接头的组织与性能、以及焊接机理的研究缺乏系统报道。本课题以工业生产中具有广泛应用前景的304L/SA516Gr70奥氏体不锈钢复合板、405/Q245R铁素体不锈钢复合板作为研究对象，采用目前大多数企业常见的焊接方法：钨极氩弧焊、焊条电弧焊对这两种不锈钢复合板进行焊接，通过选择合适的焊接材料以及坡口形式，保证覆层焊缝的合金元素含量，使覆层焊缝具有与覆层母材相近的耐腐蚀性；（2）以期为实际焊接生产提供理论指导和技术支持。本课题的研究目标是以企业的实际应用为出发点，焊接方法和焊接工艺的选择应在保证焊接接头质量的前提下，尽可能降低生产成本，节约能源，同时兼顾生产效率，以给工业生产提供强有力的技术支持。本课题的主要研究内容及具体实验方案如下：405/Q245R铁素体不锈钢复合板的焊接工艺研到高质量的不锈钢复合板接头。（M描电镜（M（、X射线衍射仪（）和透射电镜（TEM）的焊接工艺及参数。采用化学浸泡法和三电极体系电化学测试方法对过渡层焊缝进行耐腐蚀性能测试。14第二章不锈钢/碳钢复合板焊接工艺试验焊接试验母材本课题中的试验母材为经爆炸焊复合形成的304L/SA516Gr70不锈钢复合板以及405/Q245R2.12.2。不锈钢复合板母材的2.12.1(a)和(b)304L/SA516Gr70不锈钢复合板的覆层和基层组织，分别为块状奥氏体晶粒和典型的铁素体加珠光体低碳钢组织，2.1(c和(d)分别为405/Q245R表2.1试验母材的化学成分（wt%）母材CMnPSSiCrNiFe304L0.040.870.0220.0080.5318.6210.21余量SA516GR700.251.030.0320.0320.32--余量4050.071.080.0380.0280.8713.80-余量Q245R0.180.830.0210.0120.32--余量表2.2试验母材的力学及物理性能母材抗拉强度屈服强度延伸率线膨胀系数导热系数σb/MPaσs/MPaδ/%（20℃）（W/m℃）304L≥520≥205≥401.68×10-516.3SA516Gr70485~620≥260≥401.00×10-559.4405≥450≥305≥311.08×10-524.2Q245R340~460≥245≥261.28×10-553.0覆层304L (b)基层SA516Gr7015(c)覆层405 (d)基层Q245R图2.1不锈钢复合板母材的金相组织工艺方案确定焊接方法的选择不锈钢复合板的基层与覆层在分别焊接时，由于属于同种金属焊接，原则上各种焊接方法均可以采用。而接头过渡层属于奥氏体不锈钢/铁素体不锈钢与具有铁素体+珠光体组织的低碳钢异种金属焊接。异种金属焊接时，为了尽可能降低焊接过程对过渡层焊缝金属的稀释程度，避免焊接裂纹的产生，因此在焊接过程中应采用较小的熔合比[51]。结合企业现有的实际条件，综合考虑降低生产成本和提高焊接生产率，控制焊接接头的组织和性能，以获得高质量的焊接接头，本文拟采用钨极氩弧焊（GTAW）和焊条电弧焊（SMAW）两种方法对不锈钢复合板进行焊接。焊接材料的选择由于焊接接头的组织和性能与焊接材料的选用关系十分密切，为了得到高质量的焊接接头，首先应选择合适的焊接材料，正确选用焊接材料是不锈钢复合板焊接的关键。在焊接不锈钢复合板时，应能够保证焊接接头的熔合区组织均匀且稳定，减小焊接过程中基层焊缝对过渡层焊缝的稀释作用并形成致密的焊缝。理论上应该选择三种不同的焊接材料来分别焊接基层、覆层以及过渡层。但是这样一来会加大（或焊丝混用。因此，在实际生产中，覆层与过渡层可以使用同一种焊接材料，遵守过渡层焊接材料的选择原则。由于过渡层焊接时，不锈钢焊缝易于被基层碳钢焊缝稀释。当基层材料与覆层材料按同等比例充分混合时，根据Schaefler组织图（图22（2-）和（2-2）可分别求得两种不锈钢复合板的基层与覆层充分混合后组织的铬当量与镍当量：16CrMo1.5Si0.5NbNieqNi30C0.5Mn

（2-1）（2-2）经计算，304L/SA516Gr70不锈钢复合板的铬当量和镍当量分别为：Creq=9.95、Nieq=8.63；405/Q245R不锈钢复合板的铬当量和镍当量分别为：Creq=7.4、Nieq=4.2。由Schaeffler组织图可推断出这两个点的组织均为马氏体组织，马氏体组织的形成会在很大程度上降低过渡层焊缝的力学性能及耐腐蚀性能。因此，在实际焊接时，为避免接头中出现马氏体组织，应当添加含Cr、Ni等元素含量较高的焊接材料。基层焊接材料的选择一般遵循强度匹配原则。405/Q245RCr量的铁素体焊丝或者含Cr、NiCr100~200CrNi量较高的接头的塑性和韧性。9L（Φ24ER316（Φ2、A302（Φ5mm）E5015（Φ4mm）焊接2.3。图2.2舍夫勒组织图17表2.3填充材料的化学成分（wt%）合金元素CMnPSSiCrNiMoFeER309L0.031.890.0150.0120.6223.3813.35-余量ER316L0.0281.520.0250.0110.4118.2312.402.4余量A3020.0151.630.0210.0020.6222.8013.52-余量E50150.1130.900.0370.0290.06---余量焊接工艺参数的确定ZX7-315S/T型逆变式手弧/2.3所示。2.3ZX7-315S/T型逆变式手弧/氩弧焊机X型2.4（a）所示；为了进一步降低异种金属的熔合比，在保证焊接质X18（a）X型坡口 （b）X型开槽坡图2.4焊接坡口形式示意图焊接前需用丙酮、酒精将焊接区清洗干净。焊接时，不进行预热、且不摆动焊枪、快速焊接，为了保证能够获得高质量的焊接接头，每次焊完一层焊缝时都将其彻底清理且打磨干净，再焊接下一层焊缝，具体的焊接次序如图2.5所示。由于过高的层间温度会导致接头过热而影响接头的组织与性能，焊接时要求层间温度不高于150℃。钨极氩弧焊（GTAW）所用保护气体为纯度99.99%Ar。覆层7覆层74962185 3 基层7 946521

过渡层 3 （a）X型坡口 （b）X型开槽坡图2.5焊接次序示意图工艺试验时，首先针对304L/SA516Gr70不锈钢复合板、以及405/Q245R不锈钢复合板进行304L/SA516Gr70405/Q245R不锈钢复合板的焊接工艺实验方案分别见表2.4和表2.5，具体的焊接工艺参数见表2.6。19表2.4 304L/SA516Gr70不锈钢复合板焊接试验方案接头编号 坡口形式 焊接方法 焊接材料基层：焊条电弧焊 E5015（Φ4mm）A1 XX型开槽

过渡层及覆层焊条电弧焊 A302（Φ5mm）基层：焊条电弧焊 A2坡口 过渡层及覆层焊条电弧焊 基层：焊条电弧焊 A3 XA4 X

过渡层及覆层钨极氩弧焊 ER309L（Φ2.4mm）基层：焊条电弧焊 E5015（Φ4mm）过渡层及覆层钨极氩弧焊 ER316L（Φ2.4mm）表2.5 405/Q245R不锈钢复合板焊接试验方案接头编号 坡口形式 焊接方法 焊接材料基层：焊条电弧焊 E5015（Φ4mm）B1 XB2 X

过渡层及覆层钨极氩弧焊 4基层：焊条电弧焊 E5015（Φ4mm）过渡层及覆层焊条电弧焊 A302（Φ5mm）表2.6接头焊接工艺参数接头焊缝 焊接方法 填充材料 焊接电流焊接电压焊接速度气体流量/A/V/cm·min-1/L·min-1基层SMAWE501517022~2815~20-GTAWER309L13012~1810~158~12过渡层及覆层ER316L11012~1810~158~12SMAWA30215017~2010~15-焊接接头宏观形貌304L/SA516Gr70405/Q245R不锈钢复合26、图2726（（b）为接头2、接头3的焊缝正面形貌，图7（d为接头B1B220图2.6304L/SA516Gr70复合板接头A2、A3的焊缝宏观照片图2.7405/245R复合板接头B1、B2的焊缝宏观照片焊后试验分析接头拉伸强度GB/T228-2002GB/T2651-2008《焊接接A1~A4、B1~B2焊缝横截面上截取拉伸试样（焊缝位于试样中心20mm13mm10mm3型万能电子试验机上进8mm/min10kN。按照试样拉伸前后的标距长度，根据公式（2-3）计算接头的延伸率：l1l0100%l0

（2-3）式中：δ—延伸率；l1—试验后标距长度；l0—试验前标距长度。显微硬度测试HXS-1000A100g15s，具体21属区的显微硬度，每个位置均测3次，然后取其平均值。测试点的位置示意如图2.8所示。图2.8接头显微硬度测试点位置示意金相组织观察MM6304L奥氏体不锈钢母材、405铁素体不锈钢、过渡层焊缝及覆层焊缝使用王水（HCl:HNO3=3:1）作为腐蚀剂，SA516Gr70母材、Q245R4%硝酸酒精溶液进行侵蚀。断口扫描观察及能谱分析采用Quanta200型扫描电镜对接头拉伸断口进行扫描观察，分析其断裂特征，采用能谱仪CrNi5．X射线衍射物相分析D8X射线衍射仪（XRD）对接头过渡层焊缝进行物相分析，确定焊缝金属的相结构组成，以及检测接头中是否存在有害相的析出等。透射电镜亚结构观察20mm×20mm×0.5mm的薄片，然后采用不Φ3mmTENPOL型75V5%的高氯酸酒精溶液，温度为-30~-20Ieni2接头耐腐蚀性能评价分别采用失重法和电化学腐蚀法测定接头过渡层焊缝金属的耐腐蚀性能。计算出腐蚀速率，并进行分析对比。电化学腐蚀法：采用三电极体系测量法对在各种工艺条件下所获接头的过渡层焊缝进行标准腐蚀介质中的抗点蚀性能评价，包括极化曲线测定、以及采用交流阻抗谱测试试样表面钝化22膜的阻抗，并将测试结果进行分析对比，以寻求试验条件下具有最佳耐蚀性能的接头。23第三章 304L/SA516Gr70不锈钢复合板接头组织与性能分析焊接时，由于受到焊接热循环和焊接冶金过程的影响，焊接结构的使用性能往往有所降低，因此，有必要对焊接接头的微观组织结构以及力学性能、耐腐蚀性能等进行分析研究。基于此，304L/SA516Gr70不锈钢复合板接头的力学性能进行测试分析，研究不同焊接工艺对接头抗拉强度、显微硬度的影响规律；采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜等测试手段和方法，对焊接接头各特征区域的微观组织结构进行分析，研究不同焊接工艺对焊接区组织的影响；采用极化曲线测试、化学浸泡法对接头过渡层焊缝进行点蚀实验，评定焊接接头的耐蚀性能。304L/SA516Gr70接头力学性能测试及分析接头拉伸性能试验的平均值。表3.1304L/SA516Gr70接头拉伸测试结果试样抗拉强度/MPa延伸率/%断裂位置母材577.819.7母材接头A1574.717.8母材接头A2576.217.4母材接头A3573.418.6母材接头A4568.617.2母材由表3.1中可知，几种工艺条件下焊接接头的抗拉强度分别为574.7MPa、576.2MPa、573.4MPa、568.6MPa577.8MPa较为接近，观察各接头拉伸试样的3.124304L/SA516Gr70不锈钢复合板基层材料在使用条件下的最小抗拉强度（具体数值可参见表22头质量良好，可以满足实际工程应用对接头的强度要求。图3.1焊接接头拉伸断裂位置[52]，不锈钢复合板的抗拉强度b还应满足如下关系式：b1t1b2t2

（3-1）b tt1 2式中，b1、b2t1、t2304L不锈钢的抗拉强度为b≥520MPaSA516Gr70碳钢的抗拉强度为b≥45MP（3-134L/A516Gr0不锈钢复合板的抗拉强度为b≥489.6MPa头A2的抗拉强度值最高，接头A3的延伸率最大。3c1、4拉伸试样断口基层（（14拉伸试样断口基层A1的界面结A4基层-A4断口A4的抗拉强度以及延伸率有所降低的原因。对图3.2中（ab进行观察发现，保证不锈钢复合板接头力学性能的基层拉伸断口中25的应力状态由单向转变为三向应力状态，且中心轴向应力最大。在中心三向拉应力的作用下塑性变形难以进行，致使接头焊缝中的第二相质点或夹杂物与基体界面脱离而形成微孔。与此同时，由剧烈塑性变形形成的滑移带、晶界、亚晶界等也可能会产生微孔。这些微孔在横向和纵向均不断聚集长大，最后相互连接直至断裂，结果在断裂表面上就形成了一些形状、大小及深浅不同的韧窝。如果断裂表面的微孔尺寸较大、较深，材料的塑性韧性较好。对基层断口的观察分析表明，所获得接头具有良好的塑韧性，能够满足实际使用要求。（ac分别为接头1、4（b（d分别为接头1、43.2A1、A4拉伸断口扫描照片接头显微硬度测试焊接接头的显微硬度是许多构件在制造过程中的一个重要考核指标。由于显微硬度测试操作方便、设备简单，同时可以反映出金属材料的化学成分、组织结构和力学性能的不均匀性，因此，硬度测试在生产和科学研究中得到了广泛应用，应用于检测金属材料的力学性能、热加工工艺质量或者金属显微组织的变化。一般来说，随着材料的硬度提高，强度也随之提高，塑性韧性下降。通过测定焊接接头的硬度分布可以评定接头的力学性能。本实验中分别测定了接26头过渡层焊缝/覆层母材界面（WM-SS）处的硬度分布、过渡层焊缝/基层母材界面（WM-CS）2.9SA516Gr70100µm，接头区域显微硬度分布3.33.4所示。图3.3304L/SA516Gr70接头304L-WM界面显微硬度分布曲线（注：WM—焊缝金属；HAZ—热影响区）3.3304L/SA516Gr70304L-WM影响区发生一定程度的软化。266.8HV265.8HVA4过渡层焊3.5（过渡层组织照片27接头微观组织结构分析发现，接头A4过渡层焊缝中的铁素体含量要低于其它几种接头过渡层焊缝的铁素体含量，因此其硬度值较低。3.4为接头过渡层焊缝/元素向基层母材中扩散所致。图3.4304L/SA516Gr70接头SA516Gr70-WM界面显微硬度分布曲线304L/SA516Gr70接头微观组织结构分析组织结构，可以对接头力学性能的变化原因及接头形成机理进行分析和解释。在304L/SA516Gr70有合理的微观组织就显得非常重要。过渡层焊缝金相组织观察3.528（1）以δ铁素体完成F模式；（2）δ铁素体为初生相，依次发生包晶和共晶反应L+δL+δ+γ-FAγL+γ→L+δ+γ→δ+γ，凝固模式为奥氏体-AF模式；（4）γ相完成整个凝AA1~A4A1~A4（δ1573~1073K范围δδ→γδ铁素体以骨骼状或者蠕虫状存在于奥氏体基体中[53]。接头A1 (b)接头A2(c)接头A3 (d)接头A43.5四种工艺下所获接头过渡层焊缝的显微组织奥氏体不锈钢焊缝冷却结晶时的凝固模式主要取决于其化学成分及凝固条件，许多研究29[54-57]发现，通过计算奥氏体不锈钢中的铬当量和镍当量的比值可以对凝固模式进行预测，其中比较适合的铬当量、镍当量计算公式仍为本文第二章中的式（2-1）（2-2。Creq/Nieq<1.25A1.25≤Creq/Nieq≤1.48AF模式；1.48≤Creq/Nieq≤1.95Creq/Nieq>1.95F模式。利（2-（2-2Cq/Niq分别1.601.661.53A1~A4过渡层焊缝的凝固模式模式，与通过组织形态观察到的凝固模式相同。A1~A3A4A4中的铁素体含量要明显少于其它几种工艺获得的接头。究其原因，这可能是由于焊丝ER316L的Creq/Nieq比值要小于其它几种焊接材料，导致其铁素体含量要低于其它几种接头。过渡层焊缝金属的物相分析在焊接过程中，由于接头焊接区受到了复杂的焊接热循环作用，当过渡层焊缝冷却至450~850℃温度区间时，CCr原子的扩散速度，另外由于奥氏体晶粒晶界部位的不完整性，CM23C6等有害相δσM23C6等有害相的析出，将导致奥氏体XRD物相分析。A130A4图3.6接头过渡层焊缝X射线衍射曲线3.6A1、A4X射线衍射分析曲线。从图中可以看出，两种接αγM23C6相、σ相等有害相析出，说明所采用工艺获得的接头过渡层焊缝质量良好，能够满足实际使用要求。WM-CS界面金相组织观察如图3.7所示，分别为四种工艺条件下获得接头的WM-CS母材界面附近微观组织形貌。由4%硝酸酒精溶液对基层母材侧进行单独侵蚀。图中右侧为碳钢母材的显微组织（BM，由白色的铁素体+黑色的珠光体组缝金属一侧以碳化物的形式析出，从而导致了脱碳层的形成[58]。文献[59,60]研究表明，碳元素从碳钢侧向不锈钢焊缝侧迁移属于上坡扩散，其扩散驱动力为ii 碳钢与不锈钢之间的化学势梯度。化学势梯度主要取决于体系中的扩散元素i的活度在母材a母a元素i以表示元素i=fiCifiχfxii 31i lgfxexx% （i exC和Cra母ai C C向焊缝扩散；但当a母a缝，则铬从焊缝向母材熔合区扩散。通过对比观察四种接头的Cr CrWM-CS母材界面附近微观组织形貌发现，接头A1和A2的脱碳程度要小于接头A3和接头A4。32（c（e（g分别为接头1、2、3、4的S整体形貌；（b（（（h）Z放大形貌3.7WM-CS界面处的微观组织进一步对图a（（egWM-CS界面处脱碳层靠近30~50μmA1[61-63]研究表明，进行奥氏体不锈钢与碳钢异种金属焊接时，在奥氏体焊缝与珠光体母材之间有可能形成一个类马氏体过渡区，该区主要由细小的板条马氏体、孪晶马氏体、贝氏体和碳化物组成的一个混合组织区。该区域的形成机理是，由于该区位于焊接熔池边缘，液态金属的温度相对较低，流动性不强且在高温停留时间短，受到的机械搅拌作用较弱，使熔化母材和填充金属之间不能充分混合，在该处基层材料与填充材料的比例要要大于熔池内部，造成从碳钢母材到焊3.8所示为接头的凝固过渡层的SEM照片，从图中可以看出，在凝固过渡层内存在大量的板条状组织。一般认为，异种钢焊接接头中碳迁移过程主要集中在类马氏体层中，碳元素与其中的铬、M23C6碳化物，当原来固溶在类马氏体层中的铬元素与碳元素充分结合，析出的碳化3.4WM-CS界面硬度分布曲线发现，该区是一个高硬度区，韧性较低，是导致构件失效的薄弱区域，会降低焊接结构的可靠性。对比分析四种不同焊接工艺获得的接头WM-CS界面过渡层发现，接头A4的过渡层宽度约为25μmA1A2A3A4的焊缝填充材料中虽然含有2.4%MoCr元素对碳元素活动能力的影MoA4焊缝中的活度要低于在其它几种填充材料中的A4中碳元素的迁移能力弱于其它几种接头。33图3.7b（d（h）AZ放大形貌，从图中可以看出，基层热工艺措施适当加以控制。图3.8接头A1中WM-CS界面处的SEM照片WM-CS界面合金元素线扫描及能谱分析接时合金元素发生迁移容易出现偏聚，降低焊接接头的质量，因此对接头A1和接头A4的WM-CS3.93.10所示。3.10WM-CSCrNi元素均存在明显的浓度梯度，CrNiCrCrNi等合金Cr、NiCr、Ni元素在熔合区两侧具3.10Cr、NiWM-CS界面CrNi3.7CrNi元素含量的不断升高，在靠近母材的熔合区内逐渐形成类马氏体组织和碳化物，正是这些类马氏体组织和碳化物组成了凝固过渡层。34图3.9WM-CS界面元素线扫描示意图接头A1 （b）接头A43.10A1、A4WM-CS界面处元素线扫描曲线A1A4WM-CSNi元素在基层母材和焊缝金属中分布均匀，并未发现有明显的元素偏聚现象，使得过渡层焊缝组织也较为均匀。304L/SA516Gr70不锈钢复合板接头过渡层焊缝中，由于焊接时A1A4EDS能谱分析，分析测试结果分别如3.2所示。35A1A4图3.11接头A1、A4过渡层焊缝局部微区的能谱分析表3.2接头焊缝金属局部微区的化学成分焊接接头 Cr Mn Fe Ni Si MoA1 Wt% 22.601.5762.5212.330.98–At%23.781.5761.2611.491.90–A4 Wt%18.431.1266.0111.190.972.27At%19.631.1365.4610.561.921.31从两种接头过渡层焊缝金属局部微区的化学成分分析可以看出，焊接时接头A1、A4的过渡层焊缝金属并未被基层焊缝过度稀释，焊缝中的铬、镍含量均较高，且铬元素的含量（wt%）3612.5%WM-SS界面金相组织观察3.12WM-SS界面处的微观组织图。从图中可以看出，在接头热影响区和焊缝区之间存在一个微观组织与焊缝金属和热影响区均不相同的区域，称为为熔合区。理论分析可知，焊接过程的非均衡热作用和非平衡冷却会导致在接头中形成所谓的特征区域，与具有复杂相变过程的低合金钢相比，奥氏体不锈钢的焊接特征区域一般较为简单，可简单划分为焊缝金属区和热影响区。实践表明[64]，接头热影响区裂纹大多起源于焊接时液相与固相相交的熔合区处，此外，应力腐蚀裂纹也往往首先产生于熔合区中的未混合区，在实际使用时接头中的裂纹扩展也与熔合区的组织形态密切相关。因此，熔合区内显微37c（e（g分别为接头1、2、3、4的S界面整体形貌；（（（h）1、2、3、4的S界面放大形3.12WM-SS界面处的微观组织观察发现，熔合区微观组织结构为细小的铁素体呈不连续且无方向性地分布在奥氏体基体上，与焊缝金属和热影响区的组织有所不同。这是由于在焊接过程中，选用的填充金属与不锈钢母材的化学成分有一定差异，并且在靠近不锈钢母材的熔池边缘区，过热度与焊缝中心部位相比较低，液态停留时间短，冷却速度快，因此，在焊接熔合区边缘会不可避免地形成化学成分介于母材基体金属和焊缝填充金属之间的过渡区，图中几种接头的熔合区宽度约为30μm。熔合区宽度虽然较小，但其组织和成分均发生了较大变化，是焊接接头中公认的最不均匀和最薄弱区域，焊接时其受热循环作用的影响和形成机理与焊缝金属区和热影响区有所不同。一般认为，细小的铁素体是加热过程中局部熔化金属在重新凝固结晶过程中生成，如沿晶界或沿轧制方向形成的铁素体，通常认为它的形成机理是：该区与焊缝区相比，由于过热度较低，在液态停留时间短，冷却速度快，且该区中Cr、Ni元素含量较焊缝区低，使形成的铁素体组织较细小，与焊缝区组织之间存在明显边界。38过渡层焊缝金属的透射电镜观察A3TEM3.133.13度上提高焊接接头的强度、硬度和韧性。位错列 (b)位错(c)位错缠结图3.13接头A3的TEM微观结构39304L/SA516Gr70接头耐点蚀试验不锈钢复合板作为一种新型的结构材料，兼有不锈钢优良的耐腐蚀性能和碳钢的高强度，以及具有低成本等特点，广泛应用于制造高温、高压、具有较强腐蚀性介质环境中的压力容器等。这些具有强腐蚀性的环境介质要求不锈钢复合板接头具有较高的耐蚀性能，特别是对其耐点蚀性能提出了较高要求。在焊接过程中，由于存在合金元素的烧损、焊缝稀释、焊缝组织分布不均匀等问题，会大大降低覆层和过渡层焊缝的耐腐蚀性能，严重降低构件的使用寿命。本以评价焊接接头的耐点蚀性能。点蚀的形成机制金属材料在某些环境介质中使用一段时间之后，在金属表面的局部区域将出现腐蚀小孔，且这些腐蚀小孔随着时间的推移不断向纵深方向发展，而在其余部位不发生腐蚀或者腐蚀很轻微，这种腐蚀形态称为点蚀。点蚀的形成与金属的不均匀性、微观缺陷、钝化膜修护缓慢、局部酸度过高、破坏性阴离子的吸附、温度以及介质流速等许多因素有关。一般认为从化学和物理方面考虑金属表面是不均匀的，总是存在各种缺陷，例如第二相沉淀、空穴、氧化膜中的裂缝、非金属夹杂等，离子容易从这些区域中透过氧化膜，且在这些区域中离子从周围介质中吸附各种物质比其它部位容易。点蚀发生的第一步是在钝化膜表面局部吸附侵蚀性阴离子、阳离子的释放以及阴离子向缺陷部位迁移都会形成由于水解作用而产生的侵蚀性环境，这些地方存一旦在金属表面形成蚀孔之后，蚀孔内部腐蚀会不断向金属深处发展，并使再钝化过程受Cl-（蚀孔外表面），孔内氧浓度下降而孔外富氧形成氧浓度差电池。由于蚀孔内金属阳离子增加，蚀孔外的Cl-为维持电中性而不断迁入，这样Cl-不断向蚀孔内迁移，孔内的Cl-浓度不断升高。同时孔内PH[65]，这种效应会促使蚀孔进一步生长。图3.24为点蚀形成机理示意图。40IO2 2HO+O+4e=4OH-

H2I隔模Cl-

O24OH-+4e+O2=2H2O2 2阴极

Cl-

钝化膜浓缩酸性蚀坑溶液

H+ Fe+2H+=Fe2++H2I阳极 Fe2++2H2O=Fe(OH)2+2H+IFe=Fe2++2e图3.14点蚀形成机理示意图化学浸泡法评价接头耐点蚀性能评价金属材料耐点蚀性能的实验方法可以概括为两大类，即化学浸泡法和电化学测量法。化学浸泡法是将试样在天然或者加速的腐蚀环境中浸泡一定时间后，通过测定单位面积上的重量损失、蚀孔数目、蚀孔大小和蚀孔深度等来评价材料的耐点蚀性能，或者通过测定临界点蚀温度、点蚀形核所需的最低氯离子浓度来确定材料对点蚀的敏感性。采用化学浸泡法时，阴、阳极反应均在同一个试样上进行，有较大的阴极面积，蚀孔不是在试样表面上发展而是沿纵深方向发展，与电化学测试方