不銹鋼碳鋼復(fù)合板的焊接工藝及接頭組織性能研究機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)

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1、 不銹鋼/碳鋼復(fù)合板的焊接工藝及接頭組織性能研究 摘 要 金屬?gòu)?fù)合板以其優(yōu)良的綜合性能被廣泛地應(yīng)用于石油化工、建筑、交通運(yùn)輸及日用品等許多領(lǐng)域中。但是由于其基層與覆層之間的化學(xué)成分及理化性能差異較大，在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)覆層焊縫被稀釋、產(chǎn)生成分偏析或者出現(xiàn)其它焊接缺陷等，導(dǎo)致難以獲得高質(zhì)量的焊接接頭。因此在工業(yè)生產(chǎn)中，為了減少焊接過(guò)程對(duì)焊縫金屬的稀釋作用，將基層與覆層分開(kāi)焊接在之間添加過(guò)渡層焊縫。因此，對(duì)接頭過(guò)渡層焊縫的工藝控制是順利實(shí)現(xiàn)金屬?gòu)?fù)合板焊接的關(guān)鍵所在， 以保證復(fù)合板接頭的焊接質(zhì)量，基于此，本文對(duì) 304L/SA516Gr70 奧氏體不銹鋼復(fù)

2、合板、405/Q245R 鐵素體不銹鋼復(fù)合板這兩種不銹鋼/碳鋼復(fù)合板的焊接工藝及焊接性進(jìn)行研究。 針對(duì)不銹鋼復(fù)合板的焊接特點(diǎn)，文中分別采用鎢極氬弧焊（GTAW）和焊條電弧焊（SMAW） 兩種焊接方法，并分別采用 Cr、Ni 元素含量較高的 ER309L 焊絲、ER316 焊絲、A302 焊條作為填充金屬，選用 X 型和 X 型開(kāi)槽兩種坡口型式對(duì)不銹鋼/碳鋼復(fù)合板進(jìn)行對(duì)接焊。通過(guò)對(duì)在不同工藝條件下所獲接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試、微觀組織分析及耐蝕性能評(píng)價(jià)等，確定試驗(yàn)條件下的最佳焊接工藝及參數(shù)。 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，兩種不銹鋼/碳鋼復(fù)合板接頭的抗拉強(qiáng)度與其母材本身的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，且均斷在遠(yuǎn)離熔合線

3、的母材處，完全能夠滿足實(shí)際工程結(jié)構(gòu)對(duì)接頭的強(qiáng)度要求。在304L/SA516Gr70 接頭中，采用 X 型開(kāi)槽坡口、SMAW 焊獲得接頭 A2 的抗拉強(qiáng)度最高；而在 405/Q245R 接頭中，采用 SMAW 焊獲得接頭 B2 的抗拉強(qiáng)度比 GTAW 焊獲得接頭 B1 的高。利用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）及 X 射線衍射儀（XRD） 對(duì)不銹鋼/碳鋼復(fù)合板接頭的過(guò)渡層焊縫（WM）、覆層不銹鋼與過(guò)渡層焊縫熔合區(qū)（WM-SS）及基層碳鋼與過(guò)渡層焊縫熔合區(qū)（WM-CS）進(jìn)行組織觀察、成分分析及相結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明， 接頭過(guò)渡層焊縫的微觀組織均為鐵素體分布在奧氏體基體上

4、。在 WM-CS 界面處，兩種不銹鋼復(fù)合板接頭均存在不同程度的碳遷移現(xiàn)象，其中 304L/SA516Gr70 接頭在 WM-CS 界面處還存在一個(gè)寬度為 30~50μm 凝固過(guò)渡層。對(duì)該界面進(jìn)行元素線掃描及能譜分析，發(fā)現(xiàn) Cr、Ni 等合金元素濃度在該區(qū)域呈梯度分布，但是并未發(fā)現(xiàn)合金元素偏聚現(xiàn)象及有害相析出。 采用化學(xué)浸泡法及電化學(xué)測(cè)試方法評(píng)價(jià)接頭過(guò)渡層焊縫的耐點(diǎn)蝕性能，結(jié)果表明，對(duì)于 304L/SA516Gr70 接頭，采用 ER316L 焊絲的鎢極氬弧焊接頭 A4 的耐腐蝕性能最好；對(duì)于 405/Q245R 接頭，采用焊條電弧焊獲得接頭 B2 的耐腐蝕性能要優(yōu)于鎢極氬弧焊接頭

5、B1。 綜上所述，在本文中試驗(yàn)條件下，采用所選擇的焊接工藝均可在一定程度上實(shí)現(xiàn)不銹鋼/ 碳鋼復(fù)合板的高質(zhì)量焊接。 關(guān)鍵詞：不銹鋼復(fù)合板，焊接工藝，過(guò)渡層，力學(xué)性能，微觀組織，耐蝕性 I ABSTRACT The metal composite plates have excellent comprehensive properties, and they are widely used in many industry fields such as petrochemical, construction industry, transportation a

6、nd daily products, etc. Due to the great difference of chemical composition and physical and chemical properties between the cladding plate and the base plate, it can easily result in the weld dilution, composition segregation and the occurrence of other weld defects during welding, thus it is diffi

7、cult to obtain a welded joint with good quality. In the practical application, when the composite plate is welded, the cladding plate and the base plate of composite plate are often welded respectively, and a transition layer is adopted between the base plate and the cladding plate, so as to decreas

8、e the weld dilution during welding. In order to get welded joint with good quality, the technology control of welding for the transition layer is of great concern. Based on these, the welding technology and weldability of 304L/SA516Gr70 、 405/Q245R stainless steel composite plate are investigated re

9、spectively in the current work.. According to the welding characteristics of the stainless steel composite plates, the stainless steel/carbon steel composite plates are welded by tungsten inert gas arc welding (GTAW) and shielded metal arc welding (SMAW) respectively, and the filler metals such as

10、welding wire ER309L, welding wire ER316L and electrode A302 which contain high contents of Cr and Ni elements are adopted, and the groove pattern of welded joint are X-groove and slotted X-groove respectively. In order to optimize the welding technology and get the most suitable joint, the mechanica

11、l properties, microstructure and corrosion resistance of welded joints under different condition are evaluated respectively. Reasults of mechanical properties tests show that the tensile strength of both of the two composite plates welded joints are similar with the tensile strength of base metal,

12、and all the tensile samples broke at the position of base material distant from fusion line. Consequenly, it can meet the requirement of tensile strength for practical engineering structure. The tensile strength of slotted X-groove joint A2 weled by SMAW is the highest among all of the 304L/SA516Gr7

13、0 joints, while in the 405/Q245R joints, the tensile strength of joint B2 weled by SMAW is higher than that of joint B1 weled by GTAW. Joint microstructure analyses including the transition layer weld metal, the interface between cladding layer stainless steel and weld metal (WM-SS), the interface

14、between base layer carbon steel II and weld steel (WM-CS), and chemical compositions and phase constitution of stainless steel/carbon steel composite plate joints are conducted by means of optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM),

15、 together with X-ray diffraction (XRD) respectively. Results show that the microtructure of weld metal is that the ferrite distributes in the austenite matrix. In the WM-CS interface, both of the two stainless steel composite plate joints exist the migration of carbon element to a certain extent. In

16、 addition, the 304L/SA516Gr70 joint still has a solidification transition region which its width is 30~50μm. The analyses of element line scanning and energy spectrum indicate that the variations of Cr, Ni contents obviously present the characteristic of gradient distribution, but there is not eleme

17、nt segregation and precipitation of deteriorative phases in the interface. Chemical immersion method and electrochemical test are used respectively to evaluate the pitting corrosion resistance of joint transition layer. Reasults show that the pitting corrosion resistance of joint A4 weled by GTAW w

18、ith welding wire ER316L is better than that of the other 304L/SA516Gr70 joints, and the pitting corrosion resistance of joint B2 weled by SMAW is better than that of the joint B1 weled by GTAW. In a word, under such experiment conditions, the welded joint of stainless steel/carbon steel composite p

19、lates can be successfully welded to a certain extent. Key words: stainless steel composite plate; welding technology; transition layer; mechanical properties; microstructure; corrosion resistance III 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 金屬?gòu)?fù)合板概述 1 1.1.1 金屬?gòu)?fù)合板的特

20、點(diǎn)及發(fā)展 1 1.1.2 金屬?gòu)?fù)合板的應(yīng)用現(xiàn)狀 3 1.2 不銹鋼復(fù)合板簡(jiǎn)介 6 1.2.1 奧氏體不銹鋼復(fù)合板的性能特點(diǎn)及應(yīng)用 6 1.2.2 鐵素體不銹鋼復(fù)合板的性能特點(diǎn)及應(yīng)用 7 1.3 不銹鋼復(fù)合板的焊接性特點(diǎn)及分析 7 1.3.1 不銹鋼復(fù)合板的焊接特點(diǎn)及接頭區(qū)域分布 7 1.3.2 過(guò)渡層焊縫的焊接性分析 9 1.3.3 不銹鋼復(fù)合板常用焊接方法 10 1.4 不銹鋼復(fù)合板的焊接研究現(xiàn)狀 11 1.5 本課題的主要研究?jī)?nèi)容及具體方案 13 第二章 不銹鋼/碳鋼復(fù)合板焊接工藝試驗(yàn) 15 2.1 焊接試驗(yàn)?zāi)覆?15 2.2 工藝方案確定 16 2.2.1 焊

21、接方法的選擇 16 2.2.2 焊接材料的選擇 16 2.2.3 焊接工藝參數(shù)的確定 18 2.3 焊接接頭宏觀形貌 20 2.4 焊后試驗(yàn)分析 21 第三章 304L/SA516Gr70 不銹鋼復(fù)合板接頭組織與性能分析 24 3.1 304L/SA516Gr70 接頭力學(xué)性能測(cè)試及分析 24 3.1.1 接頭拉伸性能 24 3.1.2 接頭顯微硬度測(cè)試 26 3.2 304L/SA516Gr70 接頭微觀組織結(jié)構(gòu)分析 28 3.2.1 過(guò)渡層焊縫金相組織觀察 28 3.2.2 過(guò)渡層焊縫金屬的物相分析 30 3.2.3 WM-CS 界面金相組織觀察 31 V 3.

22、2.4 WM-CS 界面合金元素線掃描及能譜分析 34 3.2.5 WM-SS 界面金相組織觀察 37 3.2.6 過(guò)渡層焊縫金屬的透射電鏡觀察 39 3.3 304L/SA516Gr70 接頭耐點(diǎn)蝕試驗(yàn) 40 3.3.1 點(diǎn)蝕的形成機(jī)制 40 3.3.2 化學(xué)浸泡法評(píng)價(jià)接頭耐點(diǎn)蝕性能 41 3.3.3 電化學(xué)測(cè)試接頭的耐點(diǎn)蝕性能 44 3.4 本章小結(jié) 49 第四章 405/Q245R 不銹鋼復(fù)合板接頭組織與性能分析 51 4.1 405/Q245R 接頭力學(xué)性能測(cè)試及分析 51 4.1.1 接頭拉伸性能 51 4.1.2 接頭顯微硬度測(cè)試 53 4.2 405/Q2

23、45R 接頭微觀組織結(jié)構(gòu)分析 54 4.2.1 過(guò)渡層焊縫金相組織觀察 54 4.2.2 過(guò)渡層焊縫金屬的物相分析 55 4.2.3 WM-Q245R 界面微觀組織 56 4.2.4 WM-Q245R 界面合金元素線掃描及能譜分析 58 4.2.5 WM-405 界面微觀組織 60 4.2.6 過(guò)渡層焊縫金屬的透射電鏡觀察 61 4.3 405/Q245R 焊接接頭耐點(diǎn)蝕試驗(yàn) 61 4.3.1 化學(xué)浸泡法評(píng)價(jià)接頭的耐點(diǎn)蝕性能 62 4.3.2 電化學(xué)測(cè)試接頭的耐點(diǎn)蝕性能 63 4.4 本章小結(jié) 66 第五章 結(jié)論 68 參考文獻(xiàn) 70

24、 VI 圖、表清單 圖 1.1 不同金屬?gòu)?fù)合后的性能 1 圖 1.2 金屬?gòu)?fù)合板在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 5 圖 1.3 不銹鋼復(fù)合板焊接順序示意圖 8 圖 1.4 復(fù)合板焊接接頭型式示意圖 9 圖 1.5 奧氏體不銹鋼/碳鋼界面凝固過(guò)渡層 13 圖 2.1 不銹鋼復(fù)合板母材的金相組織 16 圖 2.2 舍夫勒組織圖 17 圖 2.3 ZX7-315S/T 型逆變式手弧/氬弧焊機(jī) 18 圖 2.4 焊接坡口形式示意圖 19 圖 2.5 焊接次序示意圖 19 圖 2.6 304L/SA516Gr70 復(fù)合板接頭試樣 A2、A3 的焊縫

25、宏觀照片 21 圖 2.7 405/245R 復(fù)合板接頭試樣 B1、B2 的焊縫宏觀照片 21 圖 2.8 接頭顯微硬度測(cè)試點(diǎn)位置示意 22 圖 3.1 焊接接頭拉伸斷裂位置 25 圖 3.2 接頭 A1、A4 拉伸斷口掃描照片 26 圖 3.3 304L/SA516Gr70 接頭 304L-WM 界面顯微硬度分布曲線 27 圖 3.4 304L/SA516Gr70 接頭 SA516Gr70-WM 界面顯微硬度分布曲線 28 圖 3.5 四種工藝下所獲接頭過(guò)渡層焊縫的顯微組織 29 圖 3.6 接頭過(guò)渡層焊縫 X 射線衍射曲線 31 圖 3.7 四種工藝下獲得接頭

26、 WM-CS 界面處的微觀組織 33 圖 3.8 接頭 A1 中 WM-CS 界面處的 SEM 照片 34 圖 3.9 WM-CS 界面元素線掃描示意圖 35 圖 3.10 接頭 A1、A4 的WM-CS 界面處元素線掃描曲線 35 圖 3.11 接頭 A1、A4 過(guò)渡層焊縫局部微區(qū)的能譜分析 36 圖 3.12 幾種工藝下獲得接頭 WM-SS 界面處的微觀組織 38 圖 3.13 接頭 A3 的 TEM 微觀結(jié)構(gòu) 39 圖 3.14 點(diǎn)蝕形成機(jī)理示意圖 41 圖 3.15 腐蝕試樣取樣位置示意圖 42 圖 3.16 接頭及母材試樣點(diǎn)蝕形貌 44 VII

27、 圖 3.17 電化學(xué)腐蝕試樣示意圖 44 圖 3.18 接頭及母材在 3.5%NaCl 溶液中的極化曲線 46 圖 3.19 四種工藝接頭及母材試樣在 3.5%NaCl 溶液中的 Nyquist 圖 47 圖 3.20 四種工藝接頭及母材試樣在 3.5%NaCl 溶液中的 Bode 圖 48 圖 3.21 接頭及母材電化學(xué)阻抗等效電路 48 圖 4.1 焊接接頭拉伸斷裂位置 51 圖 4.2 接頭B1、B2 拉伸斷口掃描照片 52 圖 4.3 405/Q245R 接頭過(guò)渡層焊縫/覆層母材界面硬度分布 53 圖 4.4 405/Q245R 接頭過(guò)渡層焊縫/基層母材

28、界面硬度分布 54 圖 4.5 接頭過(guò)渡層焊縫顯微組織 55 圖 4.6 接頭過(guò)渡層焊縫 X 射線衍射圖譜 56 圖 4.7 過(guò)渡層焊縫/基層母材側(cè)界面顯微組織 58 圖 4.8 WM-CS 界面元素線掃描示意圖 58 圖 4.9 接頭B1、B2 的 WM-CS 界面處元素線掃描曲線 58 圖 4.10 接頭B1、B2 過(guò)渡層焊縫金屬局部微區(qū)的能譜分析 59 圖 4.11 過(guò)渡層焊縫/覆層母材側(cè)界面顯微組織 60 圖 4.12 接頭B1 的 TEM 微觀結(jié)構(gòu) 61 圖 4.13 405/Q245 母材及接頭點(diǎn)蝕形貌 63 圖 4.14 接頭及母材在 3.5%

29、NaCl 溶液中的極化曲線 64 圖 4.15 兩種工藝接頭及母材試樣在 3.5%NaCl 溶液中的 Nyquist 圖 65 圖 4.16 兩種工藝接頭及母材試樣在 3.5%NaCl 溶液中的 Bode 圖 65 表 1.1 常見(jiàn)金屬?gòu)?fù)合板的主要特性及其應(yīng)用 3 表 1.2 石化行業(yè)中奧氏體不銹鋼復(fù)合板的使用情況 6 表 1.3 各種焊接方法的熔合比范圍 10 表 2.1 試驗(yàn)?zāi)覆牡幕瘜W(xué)成分（wt%） 15 表 2.2 試驗(yàn)?zāi)覆牡牧W(xué)及物理性能 15 表 2.3 填充材料的化學(xué)成分（wt%） 17 表 2.4 304L/SA516Gr70 不銹鋼復(fù)合板焊接試驗(yàn)方案

30、20 表 2.5 405/Q245R 不銹鋼復(fù)合板焊接試驗(yàn)方案 20 表 2.6 接頭焊接工藝參數(shù) 20 表 3.1 304L/SA516Gr70 接頭拉伸測(cè)試結(jié)果 24 表 3.2 接頭焊縫金屬局部微區(qū)的化學(xué)成分 36 VIII 表 3.3 接頭過(guò)渡層焊縫耐點(diǎn)蝕速率(gm-2h-1) 43 表 3.4 極化曲線測(cè)試結(jié)果 46 表 3.5 交流阻抗等效電路電化學(xué)參數(shù) 49 表 4.1 405/Q245R 焊接接頭拉伸測(cè)試結(jié)果 51 表 4.2 接頭焊縫金屬局部微區(qū)的化學(xué)成分 60 表 4.3 接頭過(guò)渡層焊縫耐點(diǎn)蝕速率(gm-2h-1) 62 表 4.4

31、 極化曲線測(cè)試結(jié)果 64 表 4.5 交流阻抗等效電路電化學(xué)參數(shù) 66 IX 第一章 緒論 1.1 金屬?gòu)?fù)合板概述 隨著現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種技術(shù)需求也隨之誕生。例如許多新型結(jié)構(gòu)及設(shè)備中對(duì)材料的強(qiáng)度、耐腐蝕性、高低溫性能等性能要求在不斷提高，與此同時(shí)，對(duì)材料的使用壽命和生產(chǎn)成本也提出了更高要求。在許多場(chǎng)合下，由于采用單一材料已經(jīng)很難同時(shí)滿足對(duì)其性能及成本要求，因此，制備出

32、一種能同時(shí)滿足各方面要求的整體新材料就成為當(dāng)務(wù)之急，即將幾種滿足不同要求的材料采用一定的工藝措施將其復(fù)合形成一類(lèi)新材料。這種通過(guò)采用復(fù)合技術(shù)使兩種或兩種以上物理、化學(xué)、力學(xué)性能不同的金屬在界面上實(shí)現(xiàn)牢固冶金結(jié)合而制成的材料稱為金屬?gòu)?fù)合板[1, 2]。 1.1.1 金屬?gòu)?fù)合板的特點(diǎn)及發(fā)展 研制金屬?gòu)?fù)合板的目的是為了綜合幾種不同材料的特殊性能以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，在設(shè)計(jì)制備這類(lèi)材料時(shí)不僅要保持各層金屬的原有特性，而且經(jīng)復(fù)合形成的新材料的綜合性能要比單一金屬更加優(yōu)越。在制備過(guò)程中，進(jìn)行材料選擇時(shí)可能出現(xiàn)如圖 1.1 所示的幾種情況，因此， 制備金屬?gòu)?fù)合板時(shí)，必須通過(guò)對(duì)基層、覆層材料進(jìn)行合理選

33、擇，以及具有良好的工藝條件作保證等，以達(dá)到原有金屬的優(yōu)點(diǎn)能互相補(bǔ)充，同時(shí)利用金屬?gòu)?fù)合板的復(fù)合效應(yīng)使之具有新的性能， 最大限度地發(fā)揮復(fù)合板的性能優(yōu)勢(shì)。金屬?gòu)?fù)合板的各種組成金屬在性能上起協(xié)同作用，使材料的綜合性能得到了較大提高，為實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的合理選材和降低制造成本提供了良好的前提條件。不過(guò)，由于金屬?gòu)?fù)合板各層金屬在物理、化學(xué)性能等方面存在較大差異，導(dǎo)致在復(fù)合之后各層金屬之間具有明顯的界限。 圖 1. 1 不同金屬?gòu)?fù)合后的性能 1 在實(shí)際生產(chǎn)中，一般通過(guò)合理選擇各層金屬，正確設(shè)計(jì)覆層結(jié)構(gòu)，采用良好的復(fù)合工藝， 使制備出

34、的金屬?gòu)?fù)合板能滿足如下要求： （1） 性能互補(bǔ) 將高韌性的金屬材料與高硬度的金屬材料復(fù)合后制成性能互補(bǔ)的復(fù)合板。采用韌性較好的材料作金屬?gòu)?fù)合板的基層，而采用高硬度金屬作覆層，使復(fù)合材料既具有優(yōu)良的韌性，又能通過(guò)高硬度的覆層使整個(gè)金屬層狀復(fù)合材料獲得較高的硬度，可同時(shí)滿足工業(yè)應(yīng)用對(duì)材料提出韌性和硬度的綜合性能要求。 （2） 表面保護(hù)作用 在高溫、高壓、具有強(qiáng)烈腐蝕性介質(zhì)等使用環(huán)境中，通過(guò)復(fù)合技術(shù)將耐熱、耐磨、耐蝕的材料作為復(fù)合板的覆層，這樣可以對(duì)結(jié)構(gòu)和設(shè)備起到良好保護(hù)作用。例如為了增加碳鋼的耐腐蝕性，可在碳鋼表面復(fù)合一層鋁或者不銹鋼，復(fù)合之后的碳鋼復(fù)合板可以用作在各種腐蝕環(huán)境下工作的結(jié)構(gòu)材料

35、。 （3） 降低成本 以廉價(jià)金屬作為基體，在基體上復(fù)合一層較薄的貴金屬，或者包覆一層可以起到貴金屬作用的金屬。這樣制成的復(fù)合材料可大大降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，如 Ag/Cu、Pd/Cu 等復(fù)合材料。 （4） 裝飾作用 以廉價(jià)金屬為基體，表面復(fù)合金、銀、鎳等貴金屬，可以用作各種裝飾品。正因?yàn)榻饘購(gòu)?fù)合板具有如上所述的這些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，因此世界各國(guó)都先后進(jìn)行了金屬?gòu)?fù)合 板的研究與開(kāi)發(fā)，金屬?gòu)?fù)合板的制備技術(shù)包括爆炸復(fù)合法、軋制法、爆炸-軋制法、反向凝固法、噴射沉積軋制法等多種復(fù)合方法[3-9]。金屬?gòu)?fù)合板層壓復(fù)合方法的三步工藝是由美國(guó)于 1956 年率先提出的，這三步工藝分別為：表面處理—軋制

36、復(fù)合—退火強(qiáng)化處理，金屬?gòu)?fù)合板在室溫下實(shí)現(xiàn)固相復(fù)合，由于這項(xiàng)技術(shù)一經(jīng)提出便得到了較快發(fā)展[10]。世界上許多國(guó)家自此之后相繼開(kāi)始了金屬?gòu)?fù)合板的研究工作。前蘇聯(lián)很早就開(kāi)始對(duì)金屬?gòu)?fù)合板進(jìn)行研究，尤其在冷軋復(fù)合方面進(jìn)行的研究較為深入，主要采用軋制法、擠壓法、爆炸-軋制法等復(fù)合方法生產(chǎn)鋼、鋁、鈦等材料與合金的復(fù)合材料。英、法、德等歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料的研究達(dá)到了較高水平，其中英國(guó)伯明翰大學(xué)從上世紀(jì)五、六十年代開(kāi)始對(duì)金屬固相復(fù)合進(jìn)行了系統(tǒng)研究，陸續(xù)取得了較多研究成果[11]。亞洲國(guó)家也先后開(kāi)展了金屬?gòu)?fù)合板的研究，日本在復(fù)合材料的研究方面雖然起步比西方國(guó)家要晚，但其發(fā)展十分迅速，目前已成為對(duì)金屬?gòu)?fù)合

37、板材料研究最為廣泛和深入的國(guó)家之一。特別是在 1990 年以后，日本對(duì)鋁/不銹鋼的復(fù)合技術(shù)研究更是取得了很大進(jìn)展，研究成果已申請(qǐng)了多項(xiàng)專(zhuān)利，其中以采用惰性隔離顆粒層的爆炸復(fù)合多層金屬板的制造技術(shù)為杰出代表。 國(guó)內(nèi)對(duì)金屬?gòu)?fù)合板的研究始于 20 世紀(jì) 60 年代初，迄今為止，國(guó)內(nèi)對(duì)金屬?gòu)?fù)合板層狀復(fù)合方面進(jìn)行了大量的研究工作，并且在復(fù)合機(jī)理、復(fù)合工藝以及復(fù)合設(shè)備等方面取得了較大進(jìn)展， 但與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然差距明顯。目前國(guó)內(nèi)金屬?gòu)?fù)合板的生產(chǎn)方式主要有爆炸復(fù)合法、爆炸+軋制（熱軋和冷軋）復(fù)合法。實(shí)踐表明，采用這些復(fù)合方法制造金屬?gòu)?fù)合板時(shí)還存在許多 2 技術(shù)問(wèn)題：一方面，生產(chǎn)設(shè)備比較

38、落后，生產(chǎn)工藝方法還不夠完善，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量還有待進(jìn)一步提高；另一方面，對(duì)金屬?gòu)?fù)合板的研究工作比較滯后，有關(guān)復(fù)合理論和雙金屬?gòu)?fù)合機(jī)理的研究不夠深入，尤其是對(duì)物理特性相差懸殊的金屬材料之間的復(fù)合機(jī)理研究更少，例如對(duì)高熔點(diǎn)、高硬度金屬與低熔點(diǎn)、低硬度金屬進(jìn)行復(fù)合等。由于這類(lèi)復(fù)合板具有非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景[12]。因此，國(guó)內(nèi)對(duì)金屬?gòu)?fù)合板的研究工作還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。 1.1.2 金屬?gòu)?fù)合板的應(yīng)用現(xiàn)狀 金屬?gòu)?fù)合材料的性能特點(diǎn)在于，能夠通過(guò)對(duì)各組成材料進(jìn)行合理選擇和采取適當(dāng)?shù)某尚凸に嚕侠砝煤统浞职l(fā)揮幾種不同金屬特定的物理化學(xué)性能、力學(xué)性能等，制備出可以滿足不同性能要求的金屬?gòu)?fù)合材料。目前在工

39、業(yè)生產(chǎn)、以及試驗(yàn)研究中使用較多的金屬?gòu)?fù)合板有：鎳/ 鋼復(fù)合板、鋯/鋼復(fù)合板、鈦/鋼復(fù)合板、鈦/鋁復(fù)合板、鋁/鋼復(fù)合板、不銹鋼/碳鋼復(fù)合板等，這些復(fù)合板在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中都應(yīng)用廣泛。表 1.1 為常見(jiàn)金屬?gòu)?fù)合板的主要特性及應(yīng)用。 表 1. 1 常見(jiàn)金屬?gòu)?fù)合板的主要特性及其應(yīng)用 基層金屬 復(fù)層金屬 主要特性 應(yīng)用范圍 強(qiáng)度高、可加工性、耐蝕性、 壓力容器、船舶、石油化 碳鋼 不銹鋼 經(jīng)濟(jì)性 工等 化工、醫(yī)療、裝飾、餐廚 鋁 不銹鋼 耐蝕性、質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性好 用具等 航空航天、微電子、電解 鋁 銅

40、耐蝕性、質(zhì)量輕、導(dǎo)電性好 槽、軸瓦等 遮雨板、門(mén)窗框架、排水 銅 不銹鋼 焊接性、熱交換性、經(jīng)濟(jì)性 系統(tǒng)、電力行業(yè)等 耐蝕性、強(qiáng)度高、密度小、經(jīng) 真空制鹽設(shè)備、石化、煙 鋼 鈦 濟(jì)性 氣脫硫、環(huán)保設(shè)備等 銅 銀 高溫抗氧化性、導(dǎo)電性 高溫線圈、高頻導(dǎo)體等 銅 金 化學(xué)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性 化工裝置、鐘表元件等 歸納起來(lái)，金屬?gòu)?fù)合板的具體應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下幾個(gè)方面[13-19]： （1） 石化設(shè)備的應(yīng)用 石油化工設(shè)備在使用過(guò)程中往往會(huì)遇到一些具有很強(qiáng)腐蝕性的液體或者氣體，用于制作這些

41、物質(zhì)的生產(chǎn)容器、輸運(yùn)管道等。這是由于金屬?gòu)?fù)合板除了具有較高的強(qiáng)度和剛度之外，還具有良好的耐腐蝕性能。由于采用全不銹鋼或者其它單一金屬制造的容器價(jià)格比普通碳鋼容器高 3 出數(shù)倍，導(dǎo)致生產(chǎn)成本大大提高，因此這類(lèi)設(shè)備常采用金屬?gòu)?fù)合板來(lái)制造。復(fù)合板的基層通常采用碳鋼、低合金鋼或者具有一定耐腐蝕性能的耐蝕鋼，而覆層則根據(jù)腐蝕介質(zhì)的不同可選用不銹鋼、銅及其合金以及鈦、鈮等金屬。 熱交換器是石化設(shè)備中較為常見(jiàn)的一類(lèi)，在制造時(shí)金屬?gòu)?fù)合板的選取與其它石化設(shè)備有所不同。這是由于其中通過(guò)的工業(yè)氣體具有很強(qiáng)的腐蝕性，工作時(shí)在熱交換器中的金屬管板內(nèi)進(jìn)行著高溫流體的流動(dòng)和冷卻過(guò)程，因此要求所用金屬?gòu)?fù)合板除應(yīng)

42、具有一定強(qiáng)度和耐腐蝕性外， 還應(yīng)具有良好的熱傳導(dǎo)性能。為了滿足這一要求，有生產(chǎn)廠家采用具有優(yōu)良耐蝕性能的UNSN08800 鎳基合金作為覆層，以低合金鋼 13CrMo44 作為基層制備的復(fù)合板。 （2） 建筑行業(yè)的應(yīng)用 作為建筑材料和裝飾材料，采用金屬?gòu)?fù)合板具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。目前不銹鋼/鋁合金復(fù)合板是建筑行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的金屬?gòu)?fù)合板之一[20]。不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，表面光亮度高且其表面極少需要維護(hù)，其維護(hù)費(fèi)用相比其它材料要低很多；另一方面，鋁合金材質(zhì)較輕，容易加工，且其表面可以通過(guò)氧化著色來(lái)進(jìn)行修飾。將這兩種材料復(fù)合制成金屬?gòu)?fù)合板，例如將原本單一不銹鋼材料的一半厚度換成鋁合金，其總

43、質(zhì)量與單一不銹鋼相比將下降 35%，若使用相同質(zhì)量、相同厚度的復(fù)合板和單一不銹鋼材料進(jìn)行裝飾，不銹鋼/鋁合金復(fù)合板的裝飾面積約為單一不銹鋼的 1.5 倍，可大大降低裝飾成本以及產(chǎn)品重量，從而提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在建筑領(lǐng)域，另一種應(yīng)用廣泛的金屬?gòu)?fù)合板是不銹鋼/銅雙面復(fù)合板，其中銅覆層的厚度僅為金屬?gòu)?fù)合板厚度的 1/10 左右，銅覆層與不銹鋼基層的兩面均形成冶金結(jié)合。這種復(fù)合板具有單一銅板的外表美觀、成型性能和延展性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，與單一銅板相比，其重量更輕、力學(xué)性能更加優(yōu)良。不銹鋼/銅雙面復(fù)合板的價(jià)格比單一銅板要便宜 10%~15%，在建筑行業(yè)中常被用作屋頂材料、墻壁鑲板、遮雨板、排水系統(tǒng)以

44、及門(mén)窗的框架等。此外，金屬?gòu)?fù)合板還可應(yīng)用于房屋的外墻裝飾、室內(nèi)裝飾、欄桿等。 （3） 交通運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用 在交通運(yùn)輸行業(yè)，要求使用的結(jié)構(gòu)材料必須具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能優(yōu)良等特點(diǎn)。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家利用不銹鋼的強(qiáng)度高、表面光亮度高和鋁的質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)， 將不銹鋼/鋁復(fù)合板廣泛地應(yīng)用于地鐵、高速列車(chē)的生產(chǎn)制造中。在汽車(chē)制造領(lǐng)域中，如將原有的不銹鋼結(jié)構(gòu)件全部更新為不銹鋼/鋁復(fù)合板，汽車(chē)的整體重量將至少下降 15%。金屬?gòu)?fù)合板的大量使用將使交通工具進(jìn)一步輕量化，有力推動(dòng)該類(lèi)材料在交通運(yùn)輸行業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展。在船舶制造過(guò)程中，金屬?gòu)?fù)合板的應(yīng)用也十分廣泛。如采用不銹鋼/碳鋼復(fù)合板制造

45、化學(xué)品船的船艙，可大大降低生產(chǎn)成本。此外，在遇到需要焊接鋁和鋼兩種不同材料的異種結(jié)構(gòu)件時(shí)，可以采用鋼/鋁復(fù)合板作為焊接過(guò)渡件，這樣就可采用一般的焊接方法分別將鋁構(gòu)件與復(fù)合板的鋁側(cè)、鋼構(gòu)件與鋼側(cè)進(jìn)行焊接。實(shí)踐證明，鋼-鋁過(guò)渡件的應(yīng)用對(duì)船舶結(jié)構(gòu)焊接十分有利。目前， 4 這種材料在船舶制造業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。 （4） 日用品行業(yè)的應(yīng)用 目前市場(chǎng)上廣泛使用的炊具大多采用不銹鋼或者鋁合金作為原材料，但這兩種材料各具有其優(yōu)缺點(diǎn)。不銹鋼制品炊具具有外觀精美、易清洗、對(duì)人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。但是其價(jià)格相對(duì)較昂貴，導(dǎo)熱系數(shù)小，在加熱過(guò)程中會(huì)造成一定的能源浪費(fèi)。鋁制品炊具雖然具有導(dǎo)

46、熱系數(shù)大、靈巧方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是鋁易與酸堿等發(fā)生反應(yīng)，若長(zhǎng)時(shí)間使用，易引起老年癡呆，對(duì)人體造成一定傷害。由于受到原材料的物理、化學(xué)性能等方面的限制，使用單一材料來(lái)制造炊具，將難以充分發(fā)揮其所要求的綜合性能。為了改善以上不足，使用不銹鋼/ 鋁復(fù)合板作為原材料制造炊具將成為未來(lái)的發(fā)展方向?？墒褂幂^薄的不銹鋼覆層作為炊具內(nèi)襯， 而鋁作為炊具的基層，這樣就可以綜合外觀精美、易清洗、熱導(dǎo)率高的優(yōu)點(diǎn)，全面提高炊具的綜合性能。使用復(fù)合板制造的炊具比單一材料制作的炊具成本要低，質(zhì)量也輕很多，將大大提高產(chǎn)品的檔次。圖 1.2 為金屬?gòu)?fù)合板在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的一些具體實(shí)例。 (a) 熱交換器 (b)

47、石油管道 (c)復(fù)合接頭 (d)炊具 圖 1. 2 金屬?gòu)?fù)合板在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 5 1.2 不銹鋼復(fù)合板簡(jiǎn)介 不銹鋼復(fù)合板是金屬?gòu)?fù)合板中應(yīng)用最為廣泛的一種，它是將具有耐腐蝕、耐熱、耐磨的不銹鋼作為覆層，而采用強(qiáng)度相對(duì)較高、塑性韌性較好的碳鋼或低合金鋼作為基層，因此不銹鋼復(fù)合板以其具有良好的成型加工性能、力學(xué)性能和耐腐蝕性能被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。不銹鋼復(fù)合板根據(jù)覆層不銹鋼材料的不同可分為奧氏體不銹鋼復(fù)合板、鐵素體不銹鋼復(fù)合板、雙相不銹鋼復(fù)合板、馬氏體不銹鋼復(fù)合板等。其中奧氏體不銹鋼復(fù)合板和鐵素體不銹鋼復(fù)合板由于具有良好的耐腐蝕性能和價(jià)格低廉而獲得了廣泛應(yīng)用。

48、1.2.1 奧氏體不銹鋼復(fù)合板的性能特點(diǎn)及應(yīng)用 奧氏體不銹鋼是指在常溫下具有單相奧氏體組織的不銹鋼，依據(jù) Fe-Cr-Ni 三元相圖分析可知，當(dāng)鋼中含 70%Fe、18%Cr、10%Ni 時(shí)，在室溫下為單相奧氏體組織。由于奧氏體不銹鋼含有較高含量的鉻元素，鉻在不銹鋼表面可以形成致密的氧化膜，使奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。鎳是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)并穩(wěn)定奧氏體組織的合金元素，當(dāng)鋼中含有 0.1%C 和 18%Cr 時(shí)，為了保證在室溫下合金具有單一的奧氏體組織，鋼中所需的 Ni 含量最少為 8%，這即為 18-8 型奧氏體不銹鋼的基本成分。實(shí)踐表明，碳、氮、鈷、鋁、銅等元素為奧氏體穩(wěn)定元素，鋁

49、、釩等元素為鐵素體穩(wěn)定元素。奧氏體不銹鋼具有無(wú)磁性、較高的塑性和韌性、加工成型性能良好等特點(diǎn)，而且此類(lèi)鋼在氧化性酸等腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性能優(yōu)良，如果在鋼中添加一定量的Mo、Cu 等合金元素，還能進(jìn)一步提高其耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等介質(zhì)的腐蝕[20,21]。將奧氏體不銹鋼與碳鋼或低合金鋼復(fù)合后形成的奧氏體不銹鋼復(fù)合板，完全繼承了奧氏體不銹鋼在耐腐蝕方面的優(yōu)點(diǎn)，而基層碳鋼或低合金鋼使復(fù)合板具有較高的強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能。奧氏體不銹鋼復(fù)合板可以應(yīng)用于除鹽酸外其它所有的酸性介質(zhì)中，在石油精煉、造紙、合成樹(shù)脂、能源、食品工業(yè)以及醫(yī)療等領(lǐng)域中都具有重要應(yīng)用前景。表 1.2 為石化行業(yè)中奧氏體不銹鋼

50、復(fù)合板的使用情況[22-25]。 表 1. 2 石化行業(yè)中奧氏體不銹鋼復(fù)合板的使用情況 設(shè)備名稱 用戶名稱 基層 覆層 熱交換器管板 天津中和化工廠 16MnR 1Cr18Ni9Ti 減壓塔 克拉瑪依煉油廠 SB42 1Cr18Ni9Ti 減壓塔 濟(jì)南煉油廠 Q245R 304 不銹鋼 溶劑罐 遼陽(yáng)煉油廠 16MnR 304 不銹鋼 蒸發(fā)罐 平頂山鹽場(chǎng) Q245R 316L 不銹鋼 使用材料 6 1.2.2 鐵素體不銹鋼復(fù)合板的性能特點(diǎn)及應(yīng)用 我國(guó)是一個(gè)不銹

51、鋼資源相對(duì)貧乏的國(guó)家，鉻、鎳等資源較為缺少，目前世界各國(guó)對(duì)爭(zhēng)奪鉻、鎳資源開(kāi)發(fā)控制權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，這已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)不銹鋼發(fā)展應(yīng)用的重要影響因素。鐵素體不銹鋼中的鉻含量一般為 11%~30%，這類(lèi)不銹鋼中一般不含鎳元素或者只含有極少量的鎳元素，與奧氏體不銹鋼相比價(jià)格低許多，是一種節(jié)鎳經(jīng)濟(jì)型不銹鋼。早期開(kāi)發(fā)的鐵素體不銹鋼在性能上存在一些缺點(diǎn)和不足，如韌性差、對(duì)晶間腐蝕較為敏感等，隨著各種結(jié)構(gòu)中使用的鐵素體不銹鋼的截面積不斷增加，使這些缺陷對(duì)鐵素體不銹鋼應(yīng)用的不利影響越來(lái)越明顯。近年來(lái)， 隨著對(duì)不銹鋼進(jìn)行深入研究，不銹鋼的生產(chǎn)技術(shù)不斷完善，鐵素體不銹鋼所具有的一些缺點(diǎn)和不足在很大程度上得到了改進(jìn)。通常

52、，鐵素體不銹鋼按照鋼中的碳、氮含量可分為 4 個(gè)等級(jí)： W(C+N)≥0.03%為常規(guī)鐵素體不銹鋼，表示為 0Cr；W(C+N)≤0.03%為超低碳鐵素體不銹鋼，表示為 00Cr；W(C+N)≤0.02%為高純鐵素體不銹鋼，表示為 000Cr；W(C+N)≤0.01%超純鐵素體不銹鋼，表示為 0000Cr。 目前，鐵素體不銹鋼的應(yīng)用范圍幾乎遍及與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的各個(gè)領(lǐng)域，如廚房設(shè)備、家用電器、交通運(yùn)輸、建筑裝飾等方面[26,27]。其中在汽車(chē)、廚房設(shè)備等制品中的產(chǎn)量和消費(fèi)量還有超過(guò)奧氏體不銹鋼的趨勢(shì)，顯示出鐵素體不銹鋼復(fù)合板廣泛的應(yīng)用前景。在壓力容器制造行業(yè)，部分設(shè)備所用不銹鋼復(fù)合板的

53、覆層材料也由最初的奧氏體不銹鋼慢慢發(fā)展為選用鐵素體不銹鋼。如錦州煉油廠的反應(yīng)釜就選用了 0Cr13/Q245R 鐵素體不銹鋼復(fù)合板制造。 1.3 不銹鋼復(fù)合板的焊接性特點(diǎn)及分析 不銹鋼復(fù)合板作為一種新型的工程材料，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。在實(shí)際使用中，不可避免地會(huì)遇到許多需要連接的構(gòu)件，因此可靠的焊接和連接技術(shù)是進(jìn)一步拓展其應(yīng)用的先決條件。由于不銹鋼復(fù)合板是由碳鋼或者低合金鋼來(lái)滿足材料的強(qiáng)度、剛度和韌性要求，由奧氏體、鐵素體等不銹鋼覆層來(lái)滿足其耐腐蝕等性能，因此，如何保證不銹鋼復(fù)合板焊接后接頭具有良好的綜合性能成為不銹鋼復(fù)合板結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。 1.3.1 不銹鋼復(fù)合板的焊接特點(diǎn)及接頭

54、區(qū)域分布 不銹鋼復(fù)合板通常是采用較薄的不銹鋼與較厚的碳鋼或者低合金鋼通過(guò)爆炸焊等方法復(fù)合制成。由于基層碳鋼或者低合金鋼與覆層不銹鋼在化學(xué)成分、顯微組織、物理性能等方面存在較大差異，使得熔化焊接時(shí)會(huì)遇到較大困難，如果工藝控制不當(dāng)，在焊縫中容易出現(xiàn)成分偏析或者其它焊接缺陷，導(dǎo)致接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能下降，難以滿足工程結(jié)構(gòu)的使用要求[28]。 不銹鋼復(fù)合板焊接時(shí)，由于基層、覆層在物理化學(xué)性能方面的差異較大，與普通的同種金屬焊接不同，屬于異種金屬的焊接范疇。不銹鋼復(fù)合板的焊接具有以下一些特點(diǎn)： （1） 異種金屬焊接時(shí)的熱應(yīng)力 由于不銹鋼復(fù)合板的基層與覆層的導(dǎo)熱系數(shù)以及熱膨脹系 7

55、 數(shù)等具有較大差異，不銹鋼覆層的導(dǎo)熱系數(shù)低，熱膨脹系數(shù)大，因此在焊接加熱時(shí)覆層的膨脹變形量較基層的大，使得焊接接頭在焊后冷卻時(shí)，覆層的收縮量大于基層，造成接頭受到較大的熱應(yīng)力作用。 （2） 焊縫稀釋 由于基層與覆層的化學(xué)成分差異較大，在焊接不銹鋼復(fù)合板時(shí)，基層焊縫對(duì)覆層焊縫會(huì)產(chǎn)生一定程度的稀釋。覆層焊縫被基層焊縫稀釋之后，焊縫中的合金元素含量下降，Cr 等元素的含量下降達(dá)到一定程度時(shí)，覆層的耐腐蝕性能將隨之降低?；鶎雍缚p中的 Cr 等合金元素含量增加之后，易于在焊縫中形成硬脆相，這些硬脆相在焊縫中受到熱應(yīng)力作用， 往往會(huì)形成裂紋，導(dǎo)致接頭的性能惡化。 考慮到不銹鋼復(fù)合板的焊接性特點(diǎn)，

56、在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)不銹鋼復(fù)合板進(jìn)行焊接時(shí)，一般將其基層與覆層分別進(jìn)行焊接，為了防止或減少焊接過(guò)程對(duì)焊縫金屬的稀釋作用，在基層與覆層之間添加過(guò)渡層焊縫。不銹鋼復(fù)合板的焊接順序如圖 1.3 所示。 圖 1. 3 不銹鋼復(fù)合板焊接順序示意圖 不銹鋼復(fù)合板焊接后形成的接頭與普通焊接接頭一樣，也是由焊縫金屬、熔合區(qū)、熱影響區(qū)三部分組成，如圖 1.4 所示。但與普通接頭焊縫有所不同的是，不銹鋼復(fù)合板接頭中的焊縫、 熔合區(qū)、熱影響區(qū)分別有基層、過(guò)渡層、覆層 3 個(gè)區(qū)域。其中接頭的過(guò)渡層焊縫區(qū)屬于不銹鋼 —碳鋼異種金屬焊接區(qū)，是決定焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵部位，也是復(fù)合

57、板焊接難度較大的區(qū)域。 8 基層焊縫 覆層焊縫 過(guò)渡層焊縫 圖 1. 4 復(fù)合板焊接接頭型式示意圖 1.3.2 過(guò)渡層焊縫的焊接性分析 不銹鋼復(fù)合板在焊接時(shí)一般將基層與覆層分別進(jìn)行焊接，并在基層與覆層之間添加過(guò)渡層。由于基層與覆層材料在化學(xué)成分、物理化學(xué)性能等方面存在較大差異，因此過(guò)渡層焊縫的焊接屬于異種金屬焊接，具有較大難度，在焊完后如何既保證基層的力學(xué)性能以及覆層的耐腐蝕性能成為過(guò)渡層焊接的關(guān)鍵。因此有必要對(duì)過(guò)渡層焊縫異種金屬的焊接性進(jìn)行分析。所謂材料的焊接性是指材料是否能夠適應(yīng)焊接加工而形成完整的、

58、具備一定使用性能的焊接接頭的特性。金屬焊接性通常包括以下兩方面內(nèi)容：首先是金屬在焊接過(guò)程中是否容易出現(xiàn)缺陷；其次是焊接接頭在成型之后在一定的使用條件下是否可以安全可靠運(yùn)行。即金屬焊接性包括結(jié)合性能以及結(jié)合后的使用性能兩個(gè)方面[29]。 異種金屬的焊接是指化學(xué)成分、微觀組織、物理化學(xué)性能差異較大的兩種金屬之間的焊接。異種金屬焊接由于上述差異使得它比同種金屬之間的焊接難度要大得多。一般來(lái)說(shuō)，兩種被焊材料之間的物理、化學(xué)性能、成分差別越大，其焊接性就越差。異種金屬焊接時(shí)具有以下一些特殊性： （1） 異種金屬焊接特有的困難 異種金屬的不同組合有時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶化學(xué)性能的差異。所謂結(jié)晶化學(xué)性的差異主要是

59、指晶格類(lèi)型、晶格參數(shù)、原子半徑、原子的外層電子結(jié)構(gòu)的差異等， 這些差異通常也稱為“冶金學(xué)上的不相容性”[30]。如果兩種被焊金屬在冶金學(xué)上不相容，則難以形成金屬間化合物，如鎂-鐵異種金屬焊接接頭，這類(lèi)接頭在液相時(shí)不能互溶，在焊接熔化、凝固過(guò)程中極易產(chǎn)生分層脫離導(dǎo)致難以順利焊接。只有在液態(tài)和固態(tài)下都具有良好互溶性的異種金屬才能形成成形良好的焊接接頭。 （2） 焊接區(qū)成分與組織的不均勻性 異種金屬焊接過(guò)程中另外一個(gè)突出的問(wèn)題是，異種金屬焊接接頭的化學(xué)成分不均勻性以及由此導(dǎo)致的接頭組織和力學(xué)性能的不均勻性。在異種金屬焊接過(guò)程中，焊縫金屬、兩種母材的化學(xué)成分可能各不相同，焊縫與母材界面處過(guò)渡區(qū)的成分

60、 9 也往往不同于母材和焊縫金屬。此外，即使焊縫金屬的化學(xué)成分相同，但是焊縫各處的成分分布也可能不均勻。這種不均勻性對(duì)異種金屬焊接接頭的綜合性能具有重要影響。 （3） 界面組織的不穩(wěn)定性 在異種金屬焊接接頭中，由于被焊材料與焊縫填充金屬之間的化學(xué)成分存在差異，因此在母材與焊縫金屬之間存在一個(gè)熔合區(qū)。熔合區(qū)是母材向焊縫金屬的過(guò)渡區(qū)，微觀組織以及化學(xué)成分、力學(xué)性能不均勻是該區(qū)的最大特征。正是由于這種不均勻性， 會(huì)對(duì)焊接接頭的綜合性能如力學(xué)性能、耐腐蝕性能等造成較大的不利影響，是焊接接頭最為薄弱的區(qū)域[31]。因此，采取一定的工藝措施控制好異種金屬接頭的熔合區(qū)是保證接頭質(zhì)量的關(guān)鍵。

61、通常在焊接時(shí)熔合比越大，焊縫金屬的稀釋率也就越高，結(jié)果造成過(guò)渡區(qū)的范圍擴(kuò)大，微觀組織的不均勻性也更為明顯，因此，在異種焊接時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格控制熔合比。在焊接過(guò)程中，熔合比與采用的焊接方法、焊接工藝、坡口形式等多方面因素有關(guān)。表 1.3 為各種焊接方法的熔合比范圍。 表 1. 3 各種焊接方法的熔合比范圍 焊接方法 熔合比 /% 堿性焊條電弧焊 20~30 酸性焊條電弧焊 15~25 熔化極氬弧焊 20~30 埋弧焊 30~60 鎢極氬弧焊 10~100 （4） 異種金屬的焊接方法選擇具有較大制約 與同種金屬的焊接相比，異種金屬的焊接在焊接方法的選擇上具有較大的局限性。因

62、為部分異種金屬在選擇特定的焊接方法進(jìn)行焊接時(shí)， 其焊接性很差，基本上難以實(shí)現(xiàn)兩種材料的連接。如鋁-銅異種金屬的焊接，如果采用普通的熔焊方法進(jìn)行焊接，在焊縫區(qū)容易形成脆性的金屬間化合物，嚴(yán)重影響焊接接頭的質(zhì)量。但是如果選用壓焊或者攪拌摩擦焊等固相焊接方法就容易得多。因此，異種金屬焊接時(shí)必須選取合適的焊接方法。 1.3.3 不銹鋼復(fù)合板常用焊接方法 選擇合適的焊接方法對(duì)不銹鋼復(fù)合板接頭質(zhì)量具有重要影響。在選擇焊接方法時(shí)，要避免使用過(guò)高的焊接線能量，過(guò)高的焊接線能量會(huì)使接頭焊縫金屬區(qū)和熱影響區(qū)晶粒粗大，導(dǎo)致接頭的使用性能大幅下降。在實(shí)際應(yīng)用中，不銹鋼復(fù)合板常用的焊接方法有鎢極氬弧焊（GTAW

63、）、熔化極氬弧焊（MIG）和焊條電弧焊（SMAW）等。 （1）鎢極氬弧焊（GTAW） 鎢極氬弧焊是目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的焊接方法之一，它是在惰性氣體的保護(hù)下， 10 利用鎢極與工件之間產(chǎn)生的電弧熔化母材和填充金屬的一種焊接方法。在焊接時(shí)保護(hù)氣體從噴嘴中連續(xù)噴出，在電弧周?chē)纬杀Ｗo(hù)層以防止周?chē)諝鈱?duì)焊縫、熱影響區(qū)以及鎢極產(chǎn)生有害影響，從而獲得優(yōu)質(zhì)接頭。焊接時(shí)的保護(hù)氣體主要有氬氣、氦氣和氬氦混合氣體等，用氬氣作為保護(hù)氣體最為常見(jiàn)。鎢極氬弧焊在工藝上具有電弧穩(wěn)定、熱輸入易調(diào)節(jié)、焊縫成形美觀、容易實(shí)現(xiàn)全位置自動(dòng)化焊接等。鎢極氬弧焊在焊接時(shí)焊絲既可以手工送進(jìn)，也可以機(jī)械送進(jìn)

64、，在某些特定場(chǎng)合不需要送入焊絲。被焊材料的特性決定了是采用直流電還是交流電。采用直流電時(shí)， 除焊接鋁、鎂及其合金外，鎢極一般設(shè)定為正極，此時(shí)具有很深的焊透能力，對(duì)于不同種類(lèi)的鋼都適合，不需要對(duì)焊縫熔池產(chǎn)生“清潔作用”。GTAW 焊接方法的主要優(yōu)點(diǎn)是適宜焊接的材料范圍廣，包括厚度在 0.6mm 及其以上的工件，主要應(yīng)用領(lǐng)域是焊接薄的和中等厚度的工件， 在焊接較厚的截面時(shí)作為根部焊道使用。 （2）熔化極氬弧焊（MIG） 熔化極氬弧焊一種自動(dòng)氣體保護(hù)電弧焊接方法，它采用惰性氣體作為保護(hù)氣，焊絲作為熔化電極，保護(hù)氣通常是氬氣、氦氣或它們的混合氣體。焊接過(guò)程中，電弧在保護(hù)氣體屏蔽下在電流載體金屬絲和

65、工件之間燃燒。焊接時(shí)，保護(hù)氣體氬氣通過(guò)焊槍噴嘴連續(xù)輸送到焊接區(qū)，使電弧、熔池及其附近的母材金屬免受周?chē)諝獾挠泻ψ饔?。焊絲不斷熔化以熔滴形式過(guò)渡到熔池中，與熔化的母材金屬熔合、冷凝后形成焊縫。 （3）焊條電弧焊（SMAW） 焊條電弧焊是熔化焊中最簡(jiǎn)單、最常用的焊接方法，它是利用焊條和工件之間產(chǎn)生的電弧將焊條和工件局部加熱到熔化狀態(tài)，焊條端部熔化后形成的熔滴與局部熔化母材熔合在一起形成熔池，隨著電弧不斷往前移動(dòng)，熔池逐步冷卻結(jié)晶形成焊縫。 1.4 不銹鋼復(fù)合板的焊接研究現(xiàn)狀 隨著不銹鋼復(fù)合板在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛，目前對(duì)不銹鋼復(fù)合板的焊接研究也越來(lái)越多。對(duì)不銹鋼復(fù)合板的焊接工藝進(jìn)行研

66、究，主要是為了獲得具有優(yōu)異力學(xué)性能和耐腐蝕性能的不銹鋼復(fù)合板接頭。但是由于不銹鋼復(fù)合板的基層與覆層化學(xué)成分、物理化學(xué)性能差異較大， 因此要保證不銹鋼復(fù)合板接頭具有良好的綜合性能具有一定難度。依據(jù)文獻(xiàn)查詢和實(shí)際調(diào)研， 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)覆層奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的焊接性研究相對(duì)較多，工藝上相對(duì)成熟，對(duì)于不銹鋼復(fù)合板的焊接工藝評(píng)定以及異種金屬的焊接性研究也已有一些文獻(xiàn)報(bào)道。 王文先[32]等人采用 4 種不同工藝對(duì) 1Cr18Ni9Ti/Q235 復(fù)合板的對(duì)接焊工藝進(jìn)行研究，并對(duì)焊接接頭的顯微組織、力學(xué)性能以及覆層耐腐蝕性能進(jìn)行了分析。研究表明，采用鎢極氬弧焊焊接覆層和基層，覆層焊縫的顯微組織為奧氏體加少量鐵素體，基層為較高韌性的板條馬氏體， 接頭力學(xué)性能良好。而采用埋弧焊焊接基層時(shí)焊縫組織為粗大的柱狀晶，韌性較差。鎢極氬弧焊接頭在濃度為 1mol/L NaCl 中覆層的抗電化學(xué)腐蝕性能與母材相近，且無(wú)晶間腐蝕現(xiàn)象。呂 11 世雄[33]等人采用鎢極氬弧焊對(duì) 316L/20G 雙金屬?gòu)?fù)合管進(jìn)行對(duì)接焊，實(shí)驗(yàn)中采用 ER316L 焊絲焊接覆層，采用 ER309L 焊絲焊接過(guò)