水電站不銹鋼復(fù)合鋼板焊接及耐腐蝕技術(shù)研究

1、水電站不銹鋼復(fù)合鋼板焊接及耐腐蝕技術(shù)研究1【摘要】本文介紹了水電站用不銹鋼復(fù)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(xiàn)焊接裂紋和焊接接頭的耐蝕性，以及對不銹鋼覆層根據(jù)水質(zhì)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(guān)人員提供一定的參考實用價值?！娟P(guān)鍵詞】 不銹鋼復(fù)合鋼板、焊接、過渡層、焊接裂紋、耐蝕性21.引言不銹鋼復(fù)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(xù)包覆一定厚度不銹鋼覆層的復(fù)合材料，覆層厚度通常只占復(fù)合鋼板總厚度的1020。水電站使用的不銹鋼復(fù)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(fù)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(fù)合鋼板的焊接性比較復(fù)雜，若覆層材質(zhì)選用不當(dāng)或焊接工藝不正確，前者會導(dǎo)致其耐蝕性降低，后者會導(dǎo)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(shù)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(fù)合鋼板的特點分析不銹鋼復(fù)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(fù)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(dāng)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(chǎn)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(yīng)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(jié)構(gòu)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?。〞?dǎo)致氫致裂紋）的水域?qū)徲谩?圖2 覆層為馬氏體不銹鋼復(fù)合鋼板（Q345B基層20mm+0Cr13Ni5Mo覆層4mm）點蝕形貌照片（掏除了點蝕孔內(nèi)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(dǎo)率、高的電阻和較大的熱膨脹系數(shù)等，還存在熔點、比熱容、電磁性的差異。由于

5、不銹鋼復(fù)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(yīng)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(xiàn)貧鉻區(qū)）“危險區(qū)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(qū)溫度加熱或不能在該區(qū)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(qū)的過熱。73.不銹鋼復(fù)合鋼板焊前準(zhǔn)備 不銹鋼復(fù)合鋼板的下料和焊接坡口加工優(yōu)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)致該處高碳馬氏體組織的產(chǎn)生，從而防止裂紋的出現(xiàn)。當(dāng)結(jié)構(gòu)型式等不可避免出現(xiàn)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(fù)合鋼板焊接坡口圖3 不銹鋼復(fù)合鋼板焊接坡口推薦型式（d）角接9 焊接前應(yīng)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(cè)20mm以上范圍內(nèi)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(fù)合鋼板焊接特性 不銹鋼復(fù)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(yīng)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(yīng)選用Cr25Ni13型或Cr25Ni20型焊接材料，即可用不銹鋼覆層母材的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量

8、通過Schaeffler（舍夫勒）組織圖（見圖4.1）等預(yù)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(xiàn)馬氏體組織，從而引起過渡層脆化而產(chǎn)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(hù)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(yīng)有電弧或硬物擊傷。前者會導(dǎo)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(dǎo)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(nèi)的鉻、鎳含量導(dǎo)致稀釋，由Schaeffler組織圖知道，將會出現(xiàn)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(xiàn)高碳馬氏體而使焊縫產(chǎn)生裂紋，對此，應(yīng)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(xù)焊接。13不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接一般應(yīng)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(jīng)清根及規(guī)定的質(zhì)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(dāng)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(yīng)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(xué)性能除受化學(xué)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵問題。根據(jù)FeCrNi三元合金相圖，即圖4.2知道，雙相不銹鋼在剛凝固結(jié)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(fā)生相相的轉(zhuǎn)變形成的。它的形態(tài)和數(shù)量除與

11、化學(xué)成分有關(guān)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(dāng)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(dǎo)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(jù)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(dāng)量和鎳當(dāng)量預(yù)測焊縫的室溫組織。15圖4.2 FeCrNi三元合金相圖165.不銹鋼復(fù)合鋼板焊接去應(yīng)力處理 不銹鋼復(fù)合鋼板通常不做焊接后去應(yīng)力處理。若采用焊后去應(yīng)力熱處理，應(yīng)在焊接基層之后、在焊接過渡層和覆層之前進(jìn)行。這樣可以減小由于覆層和基層的熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致新的應(yīng)力產(chǎn)生，也防止其熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致覆層和基層的熱處理分層。同時，在進(jìn)行焊后熱處理時，應(yīng)避開鐵素體不銹鋼或馬氏體不銹鋼脆化溫度區(qū)間400600和奧氏體系不銹鋼脆化溫度區(qū)間450850，可采用低溫?zé)崽幚砘蚋邷責(zé)崽幚頃r在脆化區(qū)間范圍內(nèi)激冷，如水韌處理。而采用焊后爆炸去應(yīng)力處理時，也應(yīng)在焊接過渡層和覆層之前進(jìn)行。焊后爆炸去應(yīng)力處理是通過材料的塑性變形原理來削平焊接殘余應(yīng)力峰值，相當(dāng)于給焊件一個預(yù)拉伸，雖然應(yīng)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(zhì)不同，也就是兩者的塑性變形情況也不一樣。若采用爆炸去