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)械制造專業(yè)

不銹鋼/碳鋼復(fù)合板的焊接工藝及接頭組織性能研究摘 要金屬復(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，在焊接過程中容易出因此在工業(yè)生產(chǎn)中，為了減少焊接過程對(duì)焊縫金屬的稀釋作用，將基層與覆層分開焊接在之間以保證復(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)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。Cr、NiER309L焊絲、ER316焊絲、A302焊條作XX型開槽兩種坡口型式對(duì)不銹鋼/碳鋼復(fù)合板進(jìn)行對(duì)接焊。通過對(duì)在不同工藝條件下所獲接頭進(jìn)行力學(xué)性能測試、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)。/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/SA516Gr70X型開槽坡口、SMAWA2的抗拉強(qiáng)度最高；而在405/Q245RSMAWB2B1的高。利用光學(xué)顯微鏡（M、掃描電鏡（M（TEM）及X（D）對(duì)不銹鋼/碳鋼復(fù)合板接頭的過渡層焊縫（M、覆層不銹鋼與過渡層焊縫熔合區(qū)（S）WM-CS界面處，兩種不銹鋼304L/SA516Gr70WM-CS界面處還存30~50μmCr、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)測試方法評(píng)價(jià)接頭過渡層焊縫的耐點(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，過渡層，力學(xué)性能，微觀組織，耐蝕性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 錄第一章緒論 金屬復(fù)合板概述 金屬復(fù)合板的特點(diǎn)及發(fā)展 金屬復(fù)合板的應(yīng)用現(xiàn)狀 不銹鋼復(fù)合板簡介 奧氏體不銹鋼復(fù)合板的性能特點(diǎn)及應(yīng)用 鐵素體不銹鋼復(fù)合板的性能特點(diǎn)及應(yīng)用 不銹鋼復(fù)合板的焊接性特點(diǎn)及分析 不銹鋼復(fù)合板的焊接特點(diǎn)及接頭區(qū)域分布 過渡層焊縫的焊接性分析 不銹鋼復(fù)合板常用焊接方法 10不銹鋼復(fù)合板的焊接研究現(xiàn)狀 本課題的主要研究內(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焊接試驗(yàn)?zāi)覆?15工藝方案確定 16焊接方法的選擇 16焊接材料的選擇 16焊接工藝參數(shù)的確定 18焊接接頭宏觀形貌 20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 24304L/SA516Gr70接頭力學(xué)性能測試及分析 24接頭拉伸性能 24接頭顯微硬度測試 26304L/SA516Gr70接頭微觀組織結(jié)構(gòu)分析 28過渡層焊縫金相組織觀察 28過渡層焊縫金屬的物相分析 30WM-CS界面金相組織觀察 31VWM-CS界面合金元素線掃描及能譜分析 34WM-SS界面金相組織觀察 37過渡層焊縫金屬的透射電鏡觀察 39304L/SA516Gr70接頭耐點(diǎn)蝕試驗(yàn) 40點(diǎn)蝕的形成機(jī)制 40化學(xué)浸泡法評(píng)價(jià)接頭耐點(diǎn)蝕性能 41電化學(xué)測試接頭的耐點(diǎn)蝕性能 44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 51405/Q245R接頭力學(xué)性能測試及分析 51接頭拉伸性能 51接頭顯微硬度測試 53405/Q245R接頭微觀組織結(jié)構(gòu)分析 54過渡層焊縫金相組織觀察 54過渡層焊縫金屬的物相分析 55WM-Q245R界面微觀組織 56WM-Q245R界面合金元素線掃描及能譜分析 58WM-405界面微觀組織 60過渡層焊縫金屬的透射電鏡觀察 61405/Q245R焊接接頭耐點(diǎn)蝕試驗(yàn) 61化學(xué)浸泡法評(píng)價(jià)接頭的耐點(diǎn)蝕性能 62電化學(xué)測試接頭的耐點(diǎn)蝕性能 63本章小結(jié) 66第五章結(jié)論 68參考文獻(xiàn) 70VI圖、表清單圖1.1不同金屬復(fù)合后的性能 1圖1.2金屬復(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2.3ZX7-315S/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2.6304L/SA516Gr70復(fù)合板接頭試樣A2、A3的焊縫宏觀照片 21圖2.7405/245R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3.3304L/SA516Gr70接頭304L-WM界面顯微硬度分布曲線 27圖3.4304L/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渡層焊縫的顯微組織 29圖3.6接頭過渡層焊縫X射線衍射曲線 31圖3.7四種工藝下獲得接頭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3.9WM-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 44VII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4.3405/Q245R接頭過渡層焊縫/覆層母材界面硬度分布 53圖4.4405/Q245R接頭過渡層焊縫/基層母材界面硬度分布 54圖4.5接頭過渡層焊縫顯微組織 55圖4.6接頭過渡層焊縫X射線衍射圖譜 56圖4.7過渡層焊縫/基層母材側(cè)界面顯微組織 58圖4.8WM-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過渡層焊縫金屬局部微區(qū)的能譜分析 59圖4.11過渡層焊縫/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4.13405/Q245母材及接頭點(diǎn)蝕形貌 63圖4.14接頭及母材在3.5%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常見金屬復(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2.4304L/SA516Gr70不銹鋼復(fù)合板焊接試驗(yàn)方案 20表2.5405/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3.1304L/SA516Gr70接頭拉伸測試結(jié)果 24表3.2接頭焊縫金屬局部微區(qū)的化學(xué)成分 36VIII表3.3接頭過渡層焊縫耐點(diǎn)蝕速率(g·m-2·h-1) 43表3.4極化曲線測試結(jié)果 46表3.5交流阻抗等效電路電化學(xué)參數(shù) 49表4.1405/Q245R焊接接頭拉伸測試結(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接頭過渡層焊縫耐點(diǎn)蝕速率(g·m-2·h-1) 62表4.4極化曲線測試結(jié)果 64表4.5交流阻抗等效電路電化學(xué)參數(shù) 66IX第一章緒論金屬復(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)合形成一類新材料。這種通過采用復(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復(fù)合板[1,2]。金屬復(fù)合板的特點(diǎn)及發(fā)展1.1最大限度地發(fā)揮復(fù)合板的性能優(yōu)勢。金屬復(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，由于金屬復(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不同金屬復(fù)合后的性能1在實(shí)際生產(chǎn)中，一般通過合理選擇各層金屬，正確設(shè)計(jì)覆層結(jié)構(gòu)，采用良好的復(fù)合工藝，使制備出的金屬復(fù)合板能滿足如下要求：用對(duì)材料提出韌性和硬度的綜合性能要求。用作在各種腐蝕環(huán)境下工作的結(jié)構(gòu)材料。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。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?fù)合板具有如上所述的這些特點(diǎn)和優(yōu)勢，因此世界各國都先后進(jìn)行了金屬復(fù)合-噴射沉積軋制法等多種復(fù)合方法[3-9]1956年率先提出的，這三步工藝分別為：表面處理—軋制復(fù)合—退火強(qiáng)化處理，金屬復(fù)合板在室溫下[10]-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。2060年代初，迄今為止，國內(nèi)對(duì)金屬復(fù)合板層狀復(fù)合但與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍然差距明顯。目前國內(nèi)金屬復(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)合方法制造金屬復(fù)合板時(shí)還存在許多2技術(shù)問題：一方面，生產(chǎn)設(shè)備比較落后，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)金屬復(fù)合板的研究工作比較滯后，有關(guān)復(fù)合理論和雙金屬復(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。由于這類復(fù)合板具有非常廣闊的市場應(yīng)用前景[12]。因此，國內(nèi)對(duì)金屬復(fù)合板的研究工作還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。金屬復(fù)合板的應(yīng)用現(xiàn)狀/////1.1為常見金屬復(fù)合板的主要特性及應(yīng)用。表1.1常見金屬復(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、電解鋁銅耐蝕性、質(zhì)量輕、導(dǎo)電性好槽、軸瓦等遮雨板、門窗框架、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，金屬復(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]：石化設(shè)備的應(yīng)用石油化工設(shè)備在使用過程中往往會(huì)遇到一些具有很強(qiáng)腐蝕性的液體或者氣體，用于制作這些物質(zhì)的生產(chǎn)容器、輸運(yùn)管道等。這是由于金屬復(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，因此這類設(shè)備常采用金屬復(fù)合板來制造。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)備中較為常見的一類，在制造時(shí)金屬復(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)和冷卻過程，因此要求所用金屬復(fù)合板除應(yīng)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。建筑行業(yè)的應(yīng)用/是建筑行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的金屬復(fù)合板之一[20]35%/鋁合金復(fù)合板的裝飾面積約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)品的市場競爭力。在/1/10能更加優(yōu)良。不銹鋼/10%~15%，在建筑行業(yè)中常被用房屋的外墻裝飾、室內(nèi)裝飾、欄桿等。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、抗疲勞將不銹鋼/15%/碳鋼復(fù)合板制造化學(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。日用品行業(yè)的應(yīng)用目前市場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)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/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1.2為金屬復(fù)合板在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的一些具體實(shí)例。 熱交換器 石油管道(c)復(fù)合接頭 炊具圖1.2金屬復(fù)合板在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用5不銹鋼復(fù)合板簡介不銹鋼復(fù)合板是金屬復(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。奧氏體不銹鋼復(fù)合板的性能特點(diǎn)及應(yīng)用Fe-Cr-Ni三元相圖分析可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0.1%C18%CrNi18-8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、釩等元素為鐵素體穩(wěn)定元素。奧氏體不銹鋼具有無磁性、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MoCu[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1.2為石化行業(yè)中奧氏體不銹鋼復(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16MnR1Cr18Ni9Ti減壓塔克拉瑪依煉油廠SB421Cr18Ni9Ti減壓塔濟(jì)南煉油廠Q245R304不銹鋼溶劑罐遼陽煉油廠16MnR304不銹鋼蒸發(fā)罐平頂山鹽場Q245R316L不銹鋼6鐵素體不銹鋼復(fù)合板的性能特點(diǎn)及應(yīng)用11%~30%，這類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4個(gè)等級(jí)：W(C+N)≥0.03%0Cr；W(C+N)≤0.03%00Cr；W(C+N)≤0.02%000Cr；W(C+N)≤0.01%超純鐵素體不銹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、廚房設(shè)備等制品中的產(chǎn)量和消費(fèi)量還有超過奧氏體不銹鋼的趨勢，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。不銹鋼復(fù)合板的焊接性特點(diǎn)及分析鐵素體等不銹鋼覆層來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。不銹鋼復(fù)合板的焊接特點(diǎn)及接頭區(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[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)：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。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中的往往會(huì)形成裂紋，導(dǎo)致接頭的性能惡化?？紤]到不銹鋼復(fù)合板的焊接性特點(diǎn)，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程對(duì)焊縫金屬的稀釋作用，在基層與覆層之間添加過渡層焊縫。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1.43個(gè)區(qū)域。其中接頭的過渡層焊縫區(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)合板焊接難度較大的區(qū)域。8熔合區(qū)熱影響區(qū)熔合區(qū)熱影響區(qū)覆層焊縫 過渡層焊縫圖1.4復(fù)合板焊接接頭型式示意圖過渡層焊縫的焊接性分析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渡層焊接的關(guān)鍵。因此有必要對(duì)過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、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。一般來說，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：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)性的差異主要是指晶格類型晶格參數(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“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，這類接頭在液相時(shí)不能互溶，在焊接熔化、凝固過程中極易產(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。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。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。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-的焊接方法。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)，要避免使用過高的焊接線能量，過高的焊接線能量會(huì)使接頭焊縫金屬區(qū)和熱影響區(qū)晶粒粗大，導(dǎo)致接（、熔化極氬弧焊（MIG）和焊條電弧焊等。（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，在電弧周圍形成保護(hù)層以防止周圍空氣對(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。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)，在某除焊接鋁、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)于不同種類的焊接方法的主要優(yōu)點(diǎn)是適宜焊接的材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。焊接過程中，電弧在保護(hù)氣體屏蔽下在電流載體金屬絲和工件之間燃燒。焊接時(shí)，保護(hù)氣體氬氣通過焊槍噴嘴連續(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圍空氣的有害作用。焊絲不斷熔化以熔滴形式過渡到熔池中，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。不銹鋼復(fù)合板的焊接研究現(xiàn)狀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]41Cr18Ni9Ti/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1mol/LNaCl中覆層的抗電化學(xué)腐蝕性能與母材相近，且無晶間腐蝕現(xiàn)象。呂世雄[33]316L/20GER316L焊絲ER309LER55-G焊絲作為填充材料焊接基層，并對(duì)接頭進(jìn)行了拉伸、彎曲、沖擊等力學(xué)性能測試，以及對(duì)接頭微觀組織、主要合金元素的擴(kuò)散進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，獲得接頭的力學(xué)性能良好，覆層焊縫中合金元素并未被基層焊縫稀釋。文獻(xiàn)[34-36]王能利[37]20/0Cr18Ni9復(fù)合鋼管的焊接工藝及獲得接頭的性能，文中采用鎢極TGS-309CHS-062焊條作為覆層以及過渡層填充70°V0Cr18Ni9母α＋γ查玉輝等人[38]16MnR+405復(fù)合鋼板的焊接進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于基層焊縫對(duì)覆25-134%~12%的鐵素體。紀(jì)永杰[39]0Cr18Ni9/Q235ChuaiphanW等人[40]3041020309L308L316L焊絲獲得的309LJ[41]α＋γ雙相組織，但組織中的鐵素體含量各不相同，其中以激光焊焊縫中的鐵素體含量最高，而鎢極氬弧焊焊縫中的鐵素體含量最低。LiGF[42]等人的研究結(jié)果表明，A508-309L/308L接頭過渡區(qū)可以繼續(xù)分為三個(gè)不同區(qū)域，1.5Ⅱboundary)，并把第二類邊界線與熔合線之間的部分12+是異種金屬焊接接頭的主要失效部位。該區(qū)域的寬度與很多因素有關(guān)，在焊接過程中，應(yīng)采取一定的工藝措施盡量減小該區(qū)域的寬度。圖1.5奧氏體不銹鋼/碳鋼界面凝固過渡層潘春旭、劉中青[47,48]等人對(duì)母材中含碳量對(duì)接頭熔合區(qū)凝固過渡層寬度的影響進(jìn)行了研究，文中分別選用含碳量為0.20%、0.40%、0.65%、0.80%的碳素鋼作為母材，用A302焊條作為填充材料，在相同工藝條件下對(duì)各試驗(yàn)?zāi)覆倪M(jìn)行焊接。結(jié)果表明，凝固過渡層的寬度主要取決于靠近焊縫處的溫度梯度和母材中溶質(zhì)原子的偏析程度。當(dāng)母材中的含碳量較高時(shí)，液態(tài)金屬的流動(dòng)性也隨母材中含碳量的升高而增加，焊縫邊緣處的熔化母材與焊接材料完全混合，從而使類馬氏體組織消失。田勁松[49]等人采用TIG自熔焊對(duì)409L和410L冷軋板進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，并對(duì)獲得接頭進(jìn)行了拉伸和晶間腐蝕試驗(yàn)。結(jié)果表明，410L接頭塑性下降較多的主要原因在于焊縫金屬中的C、NCr409L接頭未產(chǎn)生晶間腐蝕傾向的主要原因在于焊縫金屬中CN（HAZ）的粗晶傾向、析出物及斷口形貌進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，鐵素體不銹鋼焊接熱影響區(qū)的晶粒粗大和TiN、TiC等化合物的析出是導(dǎo)致接頭脆化的主要原因。本課題的主要研究內(nèi)容及具體方案由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對(duì)工作條件的要求越來越高，不銹鋼以其具有良好的耐腐蝕性及抗氧化13性能等得到廣泛應(yīng)用。但是，由于不銹鋼的價(jià)格相對(duì)比較昂貴，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性較差。不銹鋼復(fù)合板以其具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和良好的耐腐蝕性能脫穎而出，更重要的是其生產(chǎn)成本更加低廉，適合于大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。焊接是不銹鋼復(fù)合板在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的主要加工手段之一，由于不銹鋼復(fù)合板的基層金屬與覆層金屬在物理及化學(xué)性能等方面差異很大，在焊接過程中經(jīng)常會(huì)遇到一些技術(shù)問題。目前，雖然目前國內(nèi)外對(duì)不銹鋼復(fù)合板的焊接開展了一些研究工作，但大都局限于焊接工藝評(píng)定，對(duì)焊接接頭的組織與性能、以及焊接機(jī)理的研究缺乏系統(tǒng)報(bào)道。本課題以工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛應(yīng)用前景的304L/SA516Gr70奧氏體不銹鋼復(fù)合板、405/Q245R鐵素體不銹鋼復(fù)合板作為研究對(duì)象，采用目前大多數(shù)企業(yè)常見的焊接方法：鎢極氬弧焊、焊條電弧焊對(duì)這兩種不銹鋼復(fù)合板進(jìn)行焊接，通過選擇合適的焊接材料以及坡口形式，保證覆層焊縫的合金元素含量，使覆層焊縫具有與覆層母材相近的耐腐蝕性；（2）以期為實(shí)際焊接生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。本課題的研究目標(biāo)是以企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，焊接方法和焊接工藝的選擇應(yīng)在保證焊接接頭質(zhì)量的前提下，盡可能降低生產(chǎn)成本，節(jié)約能源，同時(shí)兼顧生產(chǎn)效率，以給工業(yè)生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。本課題的主要研究內(nèi)容及具體實(shí)驗(yàn)方案如下：405/Q245R鐵素體不銹鋼復(fù)合板的焊接工藝研到高質(zhì)量的不銹鋼復(fù)合板接頭。（M描電鏡（M（、X射線衍射儀（）和透射電鏡（TEM）的焊接工藝及參數(shù)。采用化學(xué)浸泡法和三電極體系電化學(xué)測試方法對(duì)過渡層焊縫進(jìn)行耐腐蝕性能測試。14第二章不銹鋼/碳鋼復(fù)合板焊接工藝試驗(yàn)焊接試驗(yàn)?zāi)覆谋菊n題中的試驗(yàn)?zāi)覆臑榻?jīng)爆炸焊復(fù)合形成的304L/SA516Gr70不銹鋼復(fù)合板以及405/Q245R2.12.2。不銹鋼復(fù)合板母材的2.12.1(a)和(b)304L/SA516Gr70不銹鋼復(fù)合板的覆層和基層組織，分別為塊狀?yuàn)W氏體晶粒和典型的鐵素體加珠光體低碳鋼組織，2.1(c和(d)分別為405/Q245R表2.1試驗(yàn)?zāi)覆牡幕瘜W(xué)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試驗(yàn)?zāi)覆牡牧W(xué)及物理性能母材抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度延伸率線膨脹系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)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覆層304L (b)基層SA516Gr7015(c)覆層405 (d)基層Q245R圖2.1不銹鋼復(fù)合板母材的金相組織工藝方案確定焊接方法的選擇不銹鋼復(fù)合板的基層與覆層在分別焊接時(shí)，由于屬于同種金屬焊接，原則上各種焊接方法均可以采用。而接頭過渡層屬于奧氏體不銹鋼/鐵素體不銹鋼與具有鐵素體+珠光體組織的低碳鋼異種金屬焊接。異種金屬焊接時(shí)，為了盡可能降低焊接過程對(duì)過渡層焊縫金屬的稀釋程度，避免焊接裂紋的產(chǎn)生，因此在焊接過程中應(yīng)采用較小的熔合比[51]。結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有的實(shí)際條件，綜合考慮降低生產(chǎn)成本和提高焊接生產(chǎn)率，控制焊接接頭的組織和性能，以獲得高質(zhì)量的焊接接頭，本文擬采用鎢極氬弧焊（GTAW）和焊條電弧焊（SMAW）兩種方法對(duì)不銹鋼復(fù)合板進(jìn)行焊接。焊接材料的選擇由于焊接接頭的組織和性能與焊接材料的選用關(guān)系十分密切，為了得到高質(zhì)量的焊接接頭，首先應(yīng)選擇合適的焊接材料，正確選用焊接材料是不銹鋼復(fù)合板焊接的關(guān)鍵。在焊接不銹鋼復(fù)合板時(shí)，應(yīng)能夠保證焊接接頭的熔合區(qū)組織均勻且穩(wěn)定，減小焊接過程中基層焊縫對(duì)過渡層焊縫的稀釋作用并形成致密的焊縫。理論上應(yīng)該選擇三種不同的焊接材料來分別焊接基層、覆層以及過渡層。但是這樣一來會(huì)加大（或焊絲混用。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，覆層與過渡層可以使用同一種焊接材料，遵守過渡層焊接材料的選擇原則。由于過渡層焊接時(shí)，不銹鋼焊縫易于被基層碳鋼焊縫稀釋。當(dāng)基層材料與覆層材料按同等比例充分混合時(shí)，根據(jù)Schaefler組織圖（圖22（2-）和（2-2）可分別求得兩種不銹鋼復(fù)合板的基層與覆層充分混合后組織的鉻當(dāng)量與鎳當(dāng)量：16CrMo1.5Si0.5NbNieqNi30C0.5Mn

（2-1）（2-2）經(jīng)計(jì)算，304L/SA516Gr70不銹鋼復(fù)合板的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量分別為：Creq=9.95、Nieq=8.63；405/Q245R不銹鋼復(fù)合板的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量分別為：Creq=7.4、Nieq=4.2。由Schaeffler組織圖可推斷出這兩個(gè)點(diǎn)的組織均為馬氏體組織，馬氏體組織的形成會(huì)在很大程度上降低過渡層焊縫的力學(xué)性能及耐腐蝕性能。因此，在實(shí)際焊接時(shí)，為避免接頭中出現(xiàn)馬氏體組織，應(yīng)當(dāng)添加含Cr、Ni等元素含量較高的焊接材料?；鶎雍附硬牧系倪x擇一般遵循強(qiáng)度匹配原則。405/Q245RCr量的鐵素體焊絲或者含Cr、NiCr100~200CrNi量較高的接頭的塑性和韌性。9L（Φ24ER316（Φ2、A302（Φ5mm）E5015（Φ4mm）焊接2.3。圖2.2舍夫勒組織圖17表2.3填充材料的化學(xué)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---余量焊接工藝參數(shù)的確定ZX7-315S/T型逆變式手弧/2.3所示。2.3ZX7-315S/T型逆變式手弧/氬弧焊機(jī)X型2.4（a）所示；為了進(jìn)一步降低異種金屬的熔合比，在保證焊接質(zhì)X18（a）X型坡口 （b）X型開槽坡圖2.4焊接坡口形式示意圖焊接前需用丙酮、酒精將焊接區(qū)清洗干凈。焊接時(shí)，不進(jìn)行預(yù)熱、且不擺動(dòng)焊槍、快速焊接，為了保證能夠獲得高質(zhì)量的焊接接頭，每次焊完一層焊縫時(shí)都將其徹底清理且打磨干凈，再焊接下一層焊縫，具體的焊接次序如圖2.5所示。由于過高的層間溫度會(huì)導(dǎo)致接頭過熱而影響接頭的組織與性能，焊接時(shí)要求層間溫度不高于150℃。鎢極氬弧焊（GTAW）所用保護(hù)氣體為純度99.99%Ar。覆層7覆層74962185 3 基層7 946521

過渡層 3 （a）X型坡口 （b）X型開槽坡圖2.5焊接次序示意圖工藝試驗(yàn)時(shí)，首先針對(duì)304L/SA516Gr70不銹鋼復(fù)合板、以及405/Q245R不銹鋼復(fù)合板進(jìn)行304L/SA516Gr70405/Q245R不銹鋼復(fù)合板的焊接工藝實(shí)驗(yàn)方案分別見表2.4和表2.5，具體的焊接工藝參數(shù)見表2.6。19表2.4 304L/SA516Gr70不銹鋼復(fù)合板焊接試驗(yàn)方案接頭編號(hào) 坡口形式 焊接方法 焊接材料基層：焊條電弧焊 E5015（Φ4mm）A1 XX型開槽

過渡層及覆層焊條電弧焊 A302（Φ5mm）基層：焊條電弧焊 A2坡口 過渡層及覆層焊條電弧焊 基層：焊條電弧焊 A3 XA4 X

過渡層及覆層鎢極氬弧焊 ER309L（Φ2.4mm）基層：焊條電弧焊 E5015（Φ4mm）過渡層及覆層鎢極氬弧焊 ER316L（Φ2.4mm）表2.5 405/Q245R不銹鋼復(fù)合板焊接試驗(yàn)方案接頭編號(hào) 坡口形式 焊接方法 焊接材料基層：焊條電弧焊 E5015（Φ4mm）B1 XB2 X

過渡層及覆層鎢極氬弧焊 4基層：焊條電弧焊 E5015（Φ4mm）過渡層及覆層焊條電弧焊 A302（Φ5mm）表2.6接頭焊接工藝參數(shù)接頭焊縫 焊接方法 填充材料 焊接電流焊接電壓焊接速度氣體流量/A/V/cm·min-1/L·min-1基層SMAWE501517022~2815~20-GTAWER309L13012~1810~158~12過渡層及覆層ER316L11012~1810~158~12SMAWA30215017~2010~15-焊接接頭宏觀形貌304L/SA516Gr70405/Q245R不銹鋼復(fù)合26、圖2726（（b）為接頭2、接頭3的焊縫正面形貌，圖7（d為接頭B1B220圖2.6304L/SA516Gr70復(fù)合板接頭A2、A3的焊縫宏觀照片圖2.7405/245R復(fù)合板接頭B1、B2的焊縫宏觀照片焊后試驗(yàn)分析接頭拉伸強(qiáng)度GB/T228-2002GB/T2651-2008《焊接接A1~A4、B1~B2焊縫橫截面上截取拉伸試樣（焊縫位于試樣中心20mm13mm10mm3型萬能電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)8mm/min10kN。按照試樣拉伸前后的標(biāo)距長度，根據(jù)公式（2-3）計(jì)算接頭的延伸率：l1l0100%l0

（2-3）式中：δ—延伸率；l1—試驗(yàn)后標(biāo)距長度；l0—試驗(yàn)前標(biāo)距長度。顯微硬度測試HXS-1000A100g15s，具體21屬區(qū)的顯微硬度，每個(gè)位置均測3次，然后取其平均值。測試點(diǎn)的位置示意如圖2.8所示。圖2.8接頭顯微硬度測試點(diǎn)位置示意金相組織觀察MM6304L奧氏體不銹鋼母材、405鐵素體不銹鋼、過渡層焊縫及覆層焊縫使用王水（HCl:HNO3=3:1）作為腐蝕劑，SA516Gr70母材、Q245R4%硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕。斷口掃描觀察及能譜分析采用Quanta200型掃描電鏡對(duì)接頭拉伸斷口進(jìn)行掃描觀察，分析其斷裂特征，采用能譜儀CrNi5．X射線衍射物相分析D8X射線衍射儀（XRD）對(duì)接頭過渡層焊縫進(jìn)行物相分析，確定焊縫金屬的相結(jié)構(gòu)組成，以及檢測接頭中是否存在有害相的析出等。透射電鏡亞結(jié)構(gòu)觀察20mm×20mm×0.5mm的薄片，然后采用不Φ3mmTENPOL型75V5%的高氯酸酒精溶液，溫度為-30~-20Ieni2接頭耐腐蝕性能評(píng)價(jià)分別采用失重法和電化學(xué)腐蝕法測定接頭過渡層焊縫金屬的耐腐蝕性能。計(jì)算出腐蝕速率，并進(jìn)行分析對(duì)比。電化學(xué)腐蝕法：采用三電極體系測量法對(duì)在各種工藝條件下所獲接頭的過渡層焊縫進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)腐蝕介質(zhì)中的抗點(diǎn)蝕性能評(píng)價(jià)，包括極化曲線測定、以及采用交流阻抗譜測試試樣表面鈍化22膜的阻抗，并將測試結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，以尋求試驗(yàn)條件下具有最佳耐蝕性能的接頭。23第三章 304L/SA516Gr70不銹鋼復(fù)合板接頭組織與性能分析焊接時(shí)，由于受到焊接熱循環(huán)和焊接冶金過程的影響，焊接結(jié)構(gòu)的使用性能往往有所降低，因此，有必要對(duì)焊接接頭的微觀組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能、耐腐蝕性能等進(jìn)行分析研究?；诖?，304L/SA516Gr70不銹鋼復(fù)合板接頭的力學(xué)性能進(jìn)行測試分析，研究不同焊接工藝對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度、顯微硬度的影響規(guī)律；采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、透射電子顯微鏡等測試手段和方法，對(duì)焊接接頭各特征區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究不同焊接工藝對(duì)焊接區(qū)組織的影響；采用極化曲線測試、化學(xué)浸泡法對(duì)接頭過渡層焊縫進(jìn)行點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn)，評(píng)定焊接接頭的耐蝕性能。304L/SA516Gr70接頭力學(xué)性能測試及分析接頭拉伸性能試驗(yàn)的平均值。表3.1304L/SA516Gr70接頭拉伸測試結(jié)果試樣抗拉強(qiáng)度/MPa延伸率/%斷裂位置母材577.819.7母材接頭A1574.717.8母材接頭A2576.217.4母材接頭A3573.418.6母材接頭A4568.617.2母材由表3.1中可知，幾種工藝條件下焊接接頭的抗拉強(qiáng)度分別為574.7MPa、576.2MPa、573.4MPa、568.6MPa577.8MPa較為接近，觀察各接頭拉伸試樣的3.124304L/SA516Gr70不銹鋼復(fù)合板基層材料在使用條件下的最小抗拉強(qiáng)度（具體數(shù)值可參見表22頭質(zhì)量良好，可以滿足實(shí)際工程應(yīng)用對(duì)接頭的強(qiáng)度要求。圖3.1焊接接頭拉伸斷裂位置[52]，不銹鋼復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度b還應(yīng)滿足如下關(guān)系式：b1t1b2t2

（3-1）b tt1 2式中，b1、b2t1、t2304L不銹鋼的抗拉強(qiáng)度為b≥520MPaSA516Gr70碳鋼的抗拉強(qiáng)度為b≥45MP（3-134L/A516Gr0不銹鋼復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度為b≥489.6MPa頭A2的抗拉強(qiáng)度值最高，接頭A3的延伸率最大。3c1、4拉伸試樣斷口基層（（14拉伸試樣斷口基層A1的界面結(jié)A4基層-A4斷口A4的抗拉強(qiáng)度以及延伸率有所降低的原因。對(duì)圖3.2中（ab進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，保證不銹鋼復(fù)合板接頭力學(xué)性能的基層拉伸斷口中25的應(yīng)力狀態(tài)由單向轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，且中心軸向應(yīng)力最大。在中心三向拉應(yīng)力的作用下塑性變形難以進(jìn)行，致使接頭焊縫中的第二相質(zhì)點(diǎn)或夾雜物與基體界面脫離而形成微孔。與此同時(shí)，由劇烈塑性變形形成的滑移帶、晶界、亞晶界等也可能會(huì)產(chǎn)生微孔。這些微孔在橫向和縱向均不斷聚集長大，最后相互連接直至斷裂，結(jié)果在斷裂表面上就形成了一些形狀、大小及深淺不同的韌窩。如果斷裂表面的微孔尺寸較大、較深，材料的塑性韌性較好。對(duì)基層斷口的觀察分析表明，所獲得接頭具有良好的塑韌性，能夠滿足實(shí)際使用要求。（ac分別為接頭1、4（b（d分別為接頭1、43.2A1、A4拉伸斷口掃描照片接頭顯微硬度測試焊接接頭的顯微硬度是許多構(gòu)件在制造過程中的一個(gè)重要考核指標(biāo)。由于顯微硬度測試操作方便、設(shè)備簡單，同時(shí)可以反映出金屬材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的不均勻性，因此，硬度測試在生產(chǎn)和科學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用，應(yīng)用于檢測金屬材料的力學(xué)性能、熱加工工藝質(zhì)量或者金屬顯微組織的變化。一般來說，隨著材料的硬度提高，強(qiáng)度也隨之提高，塑性韌性下降。通過測定焊接接頭的硬度分布可以評(píng)定接頭的力學(xué)性能。本實(shí)驗(yàn)中分別測定了接26頭過渡層焊縫/覆層母材界面（WM-SS）處的硬度分布、過渡層焊縫/基層母材界面（WM-CS）2.9SA516Gr70100μm，接頭區(qū)域顯微硬度分布3.33.4所示。圖3.3304L/SA516Gr70接頭304L-WM界面顯微硬度分布曲線（注：WM—焊縫金屬；HAZ—熱影響區(qū)）3.3304L/SA516Gr70304L-WM影響區(qū)發(fā)生一定程度的軟化。266.8HV265.8HVA4過渡層焊3.5（過渡層組織照片27接頭微觀組織結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，接頭A4過渡層焊縫中的鐵素體含量要低于其它幾種接頭過渡層焊縫的鐵素體含量，因此其硬度值較低。3.4為接頭過渡層焊縫/元素向基層母材中擴(kuò)散所致。圖3.4304L/SA516Gr70接頭SA516Gr70-WM界面顯微硬度分布曲線304L/SA516Gr70接頭微觀組織結(jié)構(gòu)分析組織結(jié)構(gòu)，可以對(duì)接頭力學(xué)性能的變化原因及接頭形成機(jī)理進(jìn)行分析和解釋。在304L/SA516Gr70有合理的微觀組織就顯得非常重要。過渡層焊縫金相組織觀察3.528（1）以δ鐵素體完成F模式；（2）δ鐵素體為初生相，依次發(fā)生包晶和共晶反應(yīng)L+δL+δ+γ-FAγL+γ→L+δ+γ→δ+γ，凝固模式為奧氏體-AF模式；（4）γ相完成整個(gè)凝AA1~A4A1~A4（δ1573~1073K范圍δδ→γδ鐵素體以骨骼狀或者蠕蟲狀存在于奧氏體基體中[53]。接頭A1 (b)接頭A2(c)接頭A3 (d)接頭A43.5四種工藝下所獲接頭過渡層焊縫的顯微組織奧氏體不銹鋼焊縫冷卻結(jié)晶時(shí)的凝固模式主要取決于其化學(xué)成分及凝固條件，許多研究29[54-57]發(fā)現(xiàn)，通過計(jì)算奧氏體不銹鋼中的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的比值可以對(duì)凝固模式進(jìn)行預(yù)測，其中比較適合的鉻當(dāng)量、鎳當(dāng)量計(jì)算公式仍為本文第二章中的式（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分別1.601.661.53A1~A4過渡層焊縫的凝固模式模式，與通過組織形態(tài)觀察到的凝固模式相同。A1~A3A4A4中的鐵素體含量要明顯少于其它幾種工藝獲得的接頭。究其原因，這可能是由于焊絲ER316L的Creq/Nieq比值要小于其它幾種焊接材料，導(dǎo)致其鐵素體含量要低于其它幾種接頭。過渡層焊縫金屬的物相分析在焊接過程中，由于接頭焊接區(qū)受到了復(fù)雜的焊接熱循環(huán)作用，當(dāng)過渡層焊縫冷卻至450~850℃溫度區(qū)間時(shí)，CCr原子的擴(kuò)散速度，另外由于奧氏體晶粒晶界部位的不完整性，CM23C6等有害相δσM23C6等有害相的析出，將導(dǎo)致奧氏體XRD物相分析。A130A4圖3.6接頭過渡層焊縫X射線衍射曲線3.6A1、A4X射線衍射分析曲線。從圖中可以看出，兩種接αγM23C6相、σ相等有害相析出，說明所采用工藝獲得的接頭過渡層焊縫質(zhì)量良好，能夠滿足實(shí)際使用要求。WM-CS界面金相組織觀察如圖3.7所示，分別為四種工藝條件下獲得接頭的WM-CS母材界面附近微觀組織形貌。由4%硝酸酒精溶液對(duì)基層母材側(cè)進(jìn)行單獨(dú)侵蝕。圖中右側(cè)為碳鋼母材的顯微組織（BM，由白色的鐵素體+黑色的珠光體組縫金屬一側(cè)以碳化物的形式析出，從而導(dǎo)致了脫碳層的形成[58]。文獻(xiàn)[59,60]研究表明，碳元素從碳鋼側(cè)向不銹鋼焊縫側(cè)遷移屬于上坡擴(kuò)散，其擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力為ii 碳鋼與不銹鋼之間的化學(xué)勢梯度。化學(xué)勢梯度主要取決于體系中的擴(kuò)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向焊縫擴(kuò)散；但當(dāng)a母a縫，則鉻從焊縫向母材熔合區(qū)擴(kuò)散。通過對(duì)比觀察四種接頭的Cr CrWM-CS母材界面附近微觀組織形貌發(fā)現(xiàn)，接頭A1和A2的脫碳程度要小于接頭A3和接頭A4。32（c（e（g分別為接頭1、2、3、4的S整體形貌；（b（（（h）Z放大形貌3.7WM-CS界面處的微觀組織進(jìn)一步對(duì)圖a（（egWM-CS界面處脫碳層靠近30~50μmA1[61-63]研究表明，進(jìn)行奧氏體不銹鋼與碳鋼異種金屬焊接時(shí)，在奧氏體焊縫與珠光體母材之間有可能形成一個(gè)類馬氏體過渡區(qū)，該區(qū)主要由細(xì)小的板條馬氏體、孿晶馬氏體、貝氏體和碳化物組成的一個(gè)混合組織區(qū)。該區(qū)域的形成機(jī)理是，由于該區(qū)位于焊接熔池邊緣，液態(tài)金屬的溫度相對(duì)較低，流動(dòng)性不強(qiáng)且在高溫停留時(shí)間短，受到的機(jī)械攪拌作用較弱，使熔化母材和填充金屬之間不能充分混合，在該處基層材料與填充材料的比例要要大于熔池內(nèi)部，造成從碳鋼母材到焊3.8所示為接頭的凝固過渡層的SEM照片，從圖中可以看出，在凝固過渡層內(nèi)存在大量的板條狀組織。一般認(rèn)為，異種鋼焊接接頭中碳遷移過程主要集中在類馬氏體層中，碳元素與其中的鉻、M23C6碳化物，當(dāng)原來固溶在類馬氏體層中的鉻元素與碳元素充分結(jié)合，析出的碳化3.4WM-CS界面硬度分布曲線發(fā)現(xiàn)，該區(qū)是一個(gè)高硬度區(qū)，韌性較低，是導(dǎo)致構(gòu)件失效的薄弱區(qū)域，會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。對(duì)比分析四種不同焊接工藝獲得的接頭WM-CS界面過渡層發(fā)現(xiàn)，接頭A4的過渡層寬度約為25μmA1A2A3A4的焊縫填充材料中雖然含有2.4%MoCr元素對(duì)碳元素活動(dòng)能力的影MoA4焊縫中的活度要低于在其它幾種填充材料中的A4中碳元素的遷移能力弱于其它幾種接頭。33圖3.7b（d（h）AZ放大形貌，從圖中可以看出，基層熱工藝措施適當(dāng)加以控制。圖3.8接頭A1中WM-CS界面處的SEM照片WM-CS界面合金元素線掃描及能譜分析接時(shí)合金元素發(fā)生遷移容易出現(xiàn)偏聚，降低焊接接頭的質(zhì)量，因此對(duì)接頭A1和接頭A4的WM-CS3.93.10所示。3.10WM-CSCrNi元素均存在明顯的濃度梯度，CrNiCrCrNi等合金Cr、NiCr、Ni元素在熔合區(qū)兩側(cè)具3.10Cr、NiWM-CS界面CrNi3.7CrNi元素含量的不斷升高，在靠近母材的熔合區(qū)內(nèi)逐漸形成類馬氏體組織和碳化物，正是這些類馬氏體組織和碳化物組成了凝固過渡層。34圖3.9WM-CS界面元素線掃描示意圖接頭A1 （b）接頭A43.10A1、A4WM-CS界面處元素線掃描曲線A1A4WM-CSNi元素在基層母材和焊縫金屬中分布均勻，并未發(fā)現(xiàn)有明顯的元素偏聚現(xiàn)象，使得過渡層焊縫組織也較為均勻。304L/SA516Gr70不銹鋼復(fù)合板接頭過渡層焊縫中，由于焊接時(shí)A1A4EDS能譜分析，分析測試結(jié)果分別如3.2所示。35A1A4圖3.11接頭A1、A4過渡層焊縫局部微區(qū)的能譜分析表3.2接頭焊縫金屬局部微區(qū)的化學(xué)成分焊接接頭 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從兩種接頭過渡層焊縫金屬局部微區(qū)的化學(xué)成分分析可以看出，焊接時(shí)接頭A1、A4的過渡層焊縫金屬并未被基層焊縫過度稀釋，焊縫中的鉻、鎳含量均較高，且鉻元素的含量（wt%）3612.5%WM-SS界面金相組織觀察3.12WM-SS界面處的微觀組織圖。從圖中可以看出，在接頭熱影響區(qū)和焊縫區(qū)之間存在一個(gè)微觀組織與焊縫金屬和熱影響區(qū)均不相同的區(qū)域，稱為為熔合區(qū)。理論分析可知，焊接過程的非均衡熱作用和非平衡冷卻會(huì)導(dǎo)致在接頭中形成所謂的特征區(qū)域，與具有復(fù)雜相變過程的低合金鋼相比，奧氏體不銹鋼的焊接特征區(qū)域一般較為簡單，可簡單劃分為焊縫金屬區(qū)和熱影響區(qū)。實(shí)踐表明[64]，接頭熱影響區(qū)裂紋大多起源于焊接時(shí)液相與固相相交的熔合區(qū)處，此外，應(yīng)力腐蝕裂紋也往往首先產(chǎn)生于熔合區(qū)中的未混合區(qū)，在實(shí)際使用時(shí)接頭中的裂紋擴(kuò)展也與熔合區(qū)的組織形態(tài)密切相關(guān)。因此，熔合區(qū)內(nèi)顯微37c（e（g分別為接頭1、2、3、4的S界面整體形貌；（（（h）1、2、3、4的S界面放大形3.12WM-SS界面處的微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)，熔合區(qū)微觀組織結(jié)構(gòu)為細(xì)小的鐵素體呈不連續(xù)且無方向性地分布在奧氏體基體上，與焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織有所不同。這是由于在焊接過程中，選用的填充金屬與不銹鋼母材的化學(xué)成分有一定差異，并且在靠近不銹鋼母材的熔池邊緣區(qū)，過熱度與焊縫中心部位相比較低，液態(tài)停留時(shí)間短，冷卻速度快，因此，在焊接熔合區(qū)邊緣會(huì)不可避免地形成化學(xué)成分介于母材基體金屬和焊縫填充金屬之間的過渡區(qū)，圖中幾種接頭的熔合區(qū)寬度約為30μm。熔合區(qū)寬度雖然較小，但其組織和成分均發(fā)生了較大變化，是焊接接頭中公認(rèn)的最不均勻和最薄弱區(qū)域，焊接時(shí)其受熱循環(huán)作用的影響和形成機(jī)理與焊縫金屬區(qū)和熱影響區(qū)有所不同。一般認(rèn)為，細(xì)小的鐵素體是加熱過程中局部熔化金屬在重新凝固結(jié)晶過程中生成，如沿晶界或沿軋制方向形成的鐵素體，通常認(rèn)為它的形成機(jī)理是：該區(qū)與焊縫區(qū)相比，由于過熱度較低，在液態(tài)停留時(shí)間短，冷卻速度快，且該區(qū)中Cr、Ni元素含量較焊縫區(qū)低，使形成的鐵素體組織較細(xì)小，與焊縫區(qū)組織之間存在明顯邊界。38過渡層焊縫金屬的透射電鏡觀察A3TEM3.133.13度上提高焊接接頭的強(qiáng)度、硬度和韌性。位錯(cuò)列 (b)位錯(cuò)(c)位錯(cuò)纏結(jié)圖3.13接頭A3的TEM微觀結(jié)構(gòu)39304L/SA516Gr70接頭耐點(diǎn)蝕試驗(yàn)不銹鋼復(fù)合板作為一種新型的結(jié)構(gòu)材料，兼有不銹鋼優(yōu)良的耐腐蝕性能和碳鋼的高強(qiáng)度，以及具有低成本等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于制造高溫、高壓、具有較強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中的壓力容器等。這些具有強(qiáng)腐蝕性的環(huán)境介質(zhì)要求不銹鋼復(fù)合板接頭具有較高的耐蝕性能，特別是對(duì)其耐點(diǎn)蝕性能提出了較高要求。在焊接過程中，由于存在合金元素的燒損、焊縫稀釋、焊縫組織分布不均勻等問題，會(huì)大大降低覆層和過渡層焊縫的耐腐蝕性能，嚴(yán)重降低構(gòu)件的使用壽命。本以評(píng)價(jià)焊接接頭的耐點(diǎn)蝕性能。點(diǎn)蝕的形成機(jī)制金屬材料在某些環(huán)境介質(zhì)中使用一段時(shí)間之后，在金屬表面的局部區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)腐蝕小孔，且這些腐蝕小孔隨著時(shí)間的推移不斷向縱深方向發(fā)展，而在其余部位不發(fā)生腐蝕或者腐蝕很輕微，這種腐蝕形態(tài)稱為點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕的形成與金屬的不均勻性、微觀缺陷、鈍化膜修護(hù)緩慢、局部酸度過高、破壞性陰離子的吸附、溫度以及介質(zhì)流速等許多因素有關(guān)。一般認(rèn)為從化學(xué)和物理方面考慮金屬表面是不均勻的，總是存在各種缺陷，例如第二相沉淀、空穴、氧化膜中的裂縫、非金屬夾雜等，離子容易從這些區(qū)域中透過氧化膜，且在這些區(qū)域中離子從周圍介質(zhì)中吸附各種物質(zhì)比其它部位容易。點(diǎn)蝕發(fā)生的第一步是在鈍化膜表面局部吸附侵蝕性陰離子、陽離子的釋放以及陰離子向缺陷部位遷移都會(huì)形成由于水解作用而產(chǎn)生的侵蝕性環(huán)境，這些地方存一旦在金屬表面形成蝕孔之后，蝕孔內(nèi)部腐蝕會(huì)不斷向金屬深處發(fā)展，并使再鈍化過程受Cl-（蝕孔外表面），孔內(nèi)氧濃度下降而孔外富氧形成氧濃度差電池。由于蝕孔內(nèi)金屬陽離子增加，蝕孔外的Cl-為維持電中性而不斷遷入，這樣Cl-不斷向蝕孔內(nèi)遷移，孔內(nèi)的Cl-濃度不斷升高。同時(shí)孔內(nèi)PH[65]，這種效應(yīng)會(huì)促使蝕孔進(jìn)一步生長。圖3.24為點(diǎn)蝕形成機(jī)理示意圖。40IO2 2HO+O+4e=4OH-

H2I隔模Cl-

O24OH-+4e+O2=2H2O2 2陰極

Cl-

鈍化膜濃縮酸性蝕坑溶液

H+ Fe+2H+=Fe2++H2I陽極 Fe2++2H2O=Fe(OH)2+2H+IFe=Fe2++2e圖3.14點(diǎn)蝕形成機(jī)理示意圖化學(xué)浸泡法評(píng)價(jià)接頭耐點(diǎn)蝕性能評(píng)價(jià)金屬材料耐點(diǎn)蝕性能的實(shí)驗(yàn)方法可以概括為兩大類，即化學(xué)浸泡法和電化學(xué)測量法?；瘜W(xué)浸泡法是將試樣在天然或者加速的腐蝕環(huán)境中浸泡一定時(shí)間后，通過測定單位面積上的重量損失、蝕孔數(shù)目、蝕孔大小和蝕孔深度等來評(píng)價(jià)材料的耐點(diǎn)蝕性能，或者通過測定臨界點(diǎn)蝕溫度、點(diǎn)蝕形核所需的最低氯離子濃度來確定材料對(duì)點(diǎn)蝕的敏感性。采用化學(xué)浸泡法時(shí)，陰、陽極反應(yīng)均在同一個(gè)試樣上進(jìn)行，有較大的陰極面積，蝕孔不是在試樣表面上發(fā)展而是沿縱深方向發(fā)展，與電化學(xué)測試方