1、水電站不銹鋼復合鋼板焊接及耐腐蝕技術研究1【摘要】本文介紹了水電站用不銹鋼復合鋼板的焊接特點和耐蝕性要求。怎樣選擇焊接材料和焊接方法來避免出現焊接裂紋和焊接接頭的耐蝕性，以及對不銹鋼覆層根據水質情況，來選擇不銹鋼覆層材料，通過本篇論文的介紹和研究說明，希給予廣大相關人員提供一定的參考實用價值。【關鍵詞】 不銹鋼復合鋼板、焊接、過渡層、焊接裂紋、耐蝕性21.引言不銹鋼復合鋼板，是以低碳鋼或低合金鋼為基層，采用爆炸法、軋制法、爆炸軋制法、釬焊軋制法或其他方法，在其一面或兩面整體地連續包覆一定厚度不銹鋼覆層的復合材料，覆層厚度通常只占復合鋼板總厚度的1020。水電站使用的不銹鋼復合鋼板，通常只在低碳

2、鋼或低合金鋼基層的一面有不銹鋼覆層。水電站所使用的不銹鋼復合鋼板主要是利用其不銹鋼覆層的耐蝕性和抗磨性。但不銹鋼復合鋼板的焊接性比較復雜，若覆層材質選用不當或焊接工藝不正確，前者會導致其耐蝕性降低，后者會導致焊接裂紋和焊縫的耐蝕性下降。為此本篇論文將從焊接技術問題和不銹鋼覆層選材問題給予一定論述，以供同行參考。32.不銹鋼復合鋼板的特點分析不銹鋼復合鋼板通常是由較厚的珠光體鋼（如低碳鋼或低合金鋼）做基層和較薄的奧氏體不銹鋼（如0Cr19Ni9、00Cr19Ni11、1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2和00Cr17Ni14Mo2）、奧氏體鐵素體雙相不銹鋼（如00Cr22Ni5Mo3N

3、、Cr25Ni5Mo2）、鐵素體不銹鋼(如0Cr13、1Cr17Ti、1Cr25Ti、1Cr28)、半鐵素體（即馬氏體鐵素體）不銹鋼（如1Cr13、1Cr17、1Cr17Ni2）、馬氏體不銹鋼（如2Cr13、0Cr13Ni5Mo）以及沉淀硬化型不銹鋼（如0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al）等復合而成。覆層為奧氏體不銹鋼、奧氏體鐵素體雙相不銹鋼、鐵素體不銹鋼具有比較高的耐蝕性。 4當水中含有氯離子時，這類鋼比馬氏體型不銹鋼抗點腐蝕能力較好，雙相的不銹鋼的點腐蝕傾向比純奧氏體不銹鋼大，這是因為兩種組織電位不同所致。鉻（Cr）、鉬（Mo）含量較高的不銹鋼耐蝕性較好，這些元素既加強了鈍化

4、膜，又抑止產生點蝕，特別是鉬元素是抑止點蝕溶解的合金元素。鐵素體不銹鋼抗應力腐蝕能力強于奧氏體不銹鋼。而奧氏體不銹鋼在水工金屬結構中使用最為廣泛。覆層為馬氏體不銹鋼、半鐵素體不銹鋼以及沉淀硬化型不銹鋼，主要用于硬度、強度要求高，具有耐磨性要求的地方，但是水中含有氯離子（會引起點蝕，見圖2）或水中的PH值偏小（會導致氫致裂紋）的水域審用。5圖2 覆層為馬氏體不銹鋼復合鋼板（Q345B基層20mm+0Cr13Ni5Mo覆層4mm）點蝕形貌照片（掏除了點蝕孔內腐蝕組分后拍攝）6不銹鋼覆層較珠光體鋼基層具有不同的金相組織、低的熱導率、高的電阻和較大的熱膨脹系數等，還存在熔點、比熱容、電磁性的差異。由于

5、不銹鋼復合鋼板覆層和基層存在交界線，所以焊接時存在基層、過渡層和覆層等焊接特點之分，針對不同的層采用不同的焊接方法、焊接熱輸入、焊接材料等。而不銹鋼在做焊后消應熱處理時，要注意避開不銹鋼的晶間腐蝕（晶間腐蝕的原因是在一定溫度下會有碳化鉻Cr23C6沿晶界析出，使晶界出現貧鉻區）“危險區溫度”對鐵素體不銹鋼或馬氏體不銹鋼危險溫度為400600，而奧氏體系不銹鋼則為450850。所以要盡量避開危險區溫度加熱或不能在該區段停留時間過長。且采用比珠光體類鋼要小的焊接熱輸入焊接，盡量減小不銹鋼熱影響區的過熱。73.不銹鋼復合鋼板焊前準備 不銹鋼復合鋼板的下料和焊接坡口加工優先選用機械加工方法，如刨邊機、

6、銑邊機、單臂刨、剪板機等下料和加工焊接坡口。當采用等離子弧切割、氧熔劑氣割或碳弧氣刨等熱加工時，則必須去除覆層下料坡口表面的氧化層、過熱層和滲碳層。其比較好的焊接坡口型式見下圖3所示。這樣的坡口型式其目的是在焊接過程中，當采用碳弧氣刨清根時，可以防止碳筋棒電極對不銹鋼覆層滲碳，導致該處高碳馬氏體組織的產生，從而防止裂紋的出現。當結構型式等不可避免出現圖3之外的其他坡口型式時，又要采用碳弧氣刨對焊縫清根，此時必須采用砂輪打磨等機械方法去除滲碳層后才能施焊。8（a）對接（b）對接（c）角接(e) 去掉覆層不銹鋼的復合鋼板焊接坡口圖3 不銹鋼復合鋼板焊接坡口推薦型式（d）角接9 焊接前應采用機械方法

7、及有機溶劑（如丙酮、酒精、香蕉水等），清除焊絲表面和焊接坡口及坡口兩側20mm以上范圍內的油污、水漬、銹跡、氧化膜及其它污物。多層多道焊時，必須清除前道焊縫表面的熔渣和缺欠等。104.不銹鋼復合鋼板焊接特性 不銹鋼復合鋼板焊接材料選用：對基層珠光體鋼（b600MN/m2）采用等強原則選取。覆層不銹鋼采用等耐蝕性原則選取，且宜為低碳、超低碳以及含有鈦（Ti）、鉬（Mo）元素的焊接材料。譬如，單相奧氏體不銹鋼0Cr19Ni9焊接覆層時應選用Cr18Ni8型焊接材料，這樣可以保證焊接接頭的耐蝕性要求。過渡層焊接應選用Cr25Ni13型或Cr25Ni20型焊接材料，即可用不銹鋼覆層母材的鉻當量和鎳當量

8、通過Schaeffler（舍夫勒）組織圖（見圖4.1）等預測焊縫金相組織來選取焊接材料，這樣可防止基層焊縫對覆層的稀釋，使過渡層出現馬氏體組織，從而引起過渡層脆化而產生裂紋。11圖4.1 Schaeffler組織圖12珠光體鋼基層焊接推薦采用焊條電弧焊、埋弧焊和CO2氣體保護焊。不銹鋼覆層和過渡層，推薦采用氬弧焊、焊條電弧焊或埋弧焊。不銹鋼覆層不應有電弧或硬物擊傷。前者會導致不銹鋼金相組織改變，后者會引起冷加工硬化，兩者都會使擊傷處的腐蝕電位升高，使該處腐蝕加速，耐蝕性降低。在施焊時，為了防止對母材電弧擊傷，導致腐蝕電位升高，所以焊接電纜、焊槍等必須絕緣良好。在用珠光體類即低碳低合金鋼焊條定位

9、焊時，注意不要熔敷到不銹鋼覆層，不然將對覆層內的鉻、鎳含量導致稀釋，由Schaeffler組織圖知道，將會出現馬氏體組織，加之若使用碳弧氣刨清除定位焊和焊縫背縫清根時，將會對覆層及其稀釋層滲碳從而出現高碳馬氏體而使焊縫產生裂紋，對此，應采用砂輪打磨等機械方法把稀釋層和滲碳層清除，才能繼續焊接。13不銹鋼復合鋼板的焊接一般應先焊基層，待基層施焊到離基層和覆層交界線23mms時停止焊接，經清根及規定的質量檢驗項目檢驗合格后，再焊過渡層(該過渡層厚度不小于5mm)，最后焊接覆層。當施焊位置不允許時，亦可先焊覆層，再焊過渡層，最后焊基層，但在這種焊接順序下，基層的焊接，須用與過渡層焊接相同的不銹鋼焊接

10、材料，即Cr25Ni13型焊接材料；亦可在過渡層上焊接純鐵素體不銹鋼焊接材料，即Cr25Ni20型焊接材料過渡，該過渡層厚度應不小于5mm后，才能用低碳鋼或低合金鋼焊條或焊絲焊接。雙相不銹鋼的耐蝕性和力學性能除受化學成分的影響，主要取決于其合理的高溫鐵素體相和奧氏體相之比。水工金屬結構一般耐蝕性要求/的比值控制在5左右。因此，焊縫能否保持這種合理的相組織比值是焊接雙相不銹鋼的關鍵問題。根據FeCrNi三元合金相圖，即圖4.2知道，雙相不銹鋼在剛凝固結束時的組織為單相鐵素體。奧氏體相是在隨后的冷卻速度過程14 中溫度低于1300后由相晶粒邊界形核和生長，即發生相相的轉變形成的。它的形態和數量除與

11、化學成分有關外，主要取決于冷卻速度。隨著冷卻速度的增加，相的含量減少。當焊縫成分與母材相同時，冷卻后焊縫組織中相的含量較少，而相的含量可能會超過80。過高的相含量會導致焊縫韌性下降，氫脆敏感性增加。因此，為了得到合適的/比值的焊縫組織，可以根據Schaeffler（舍夫勒）組織圖、Delong diagram（德龍）圖及美國焊接研究會公布的WRC1992組織圖，通過鉻當量和鎳當量預測焊縫的室溫組織。15圖4.2 FeCrNi三元合金相圖165.不銹鋼復合鋼板焊接去應力處理 不銹鋼復合鋼板通常不做焊接后去應力處理。若采用焊后去應力熱處理，應在焊接基層之后、在焊接過渡層和覆層之前進行。這樣可以減小由于覆層和基層的熱膨脹系數不同而導致新的應力產生，也防止其熱膨脹系數不同導致覆層和基層的熱處理分層。同時，在進行焊后熱處理時，應避開鐵素體不銹鋼或馬氏體不銹鋼脆化溫度區間400600和奧氏體系不銹鋼脆化溫度區間450850，可采用低溫熱處理或高溫熱處理時在脆化區間范圍內激冷，如水韌處理。而采用焊后爆炸去應力處理時，也應在焊接過渡層和覆層之前進行。焊后爆炸去應力處理是通過材料的塑性變形原理來削平焊接殘余應力峰值，相當于給焊件一個預拉伸，雖然應力下降了，但同時材料的脆性傾向也增加了。由于基層和覆層的材質不同，也就是兩者的塑性變形情況也不一樣。若采用爆炸去