不锈钢复合板焊接的特点及难点分析-苏州安嘉

不锈钢复合板是覆层（不锈钢）与基层（碳钢、低合金钢等）经复合轧制或爆炸复合而成的双金属。 熔覆层保证了耐腐蚀性，强度主要由基层获得，中间有所增加。 过渡层仅需焊接工艺，可节省大量不锈钢。 具有良好的综合性能和价格优势，广泛应用于石油化工、食品工业等领域。

不锈钢复合板的焊接不同于不锈钢、碳钢或低合金钢，有其自身的特点和难点。 为了保证不锈钢焊接接头满足相关的力学性能和保持复合钢板的综合性能，并防止焊缝金属、基层和堆焊层的耐蚀性和抗裂性降低需要单独焊接。 除基层和熔覆层的焊接外，过渡层的焊接是不锈钢复合板焊接的主要特点，也是不锈钢复合板焊接的关键。

我公司生产的循环水换热器由一组板芯、两块压板和四个侧管箱A、B、C、D组装焊接而成（图1）。 四边管箱结构包括两个端板、盖板、拉杆、水平/纵向挡板、吊耳、铭牌、管口及附件。 本设备不锈钢复合板的焊接可分为两部分：一是四个边管箱A、B、C、D的端板与盖板之间的焊接； 另一种是装配过程中上下压板与各侧管箱之间的焊接、盖板的焊接以及各侧管箱端板之间的焊接。

图1 循环水热交换器

A、B侧管箱端板与盖板焊接

A、B侧管箱端板与盖板的焊接为厚度分别为（30+3）mm和（20+3mm）的两块复合钢板的角焊缝，如图2所示。

图2 A、B面管箱端板和盖板焊接细节

覆层侧基层的焊接

基层SA-516 Gr.70N是压力容器常用的钢材。 具有良好的焊接性能，采用成熟的焊接工艺，既能保证焊接质量，又能满足复合钢板的强度、韧性等力学性能要求。

焊接从堆焊侧基层开始，采用80%Ar+20%CO2混合气体，GMAW（实芯焊丝）焊接方法。 气体流量为20～25L/min。 焊接材料及工艺参数见表1（基层和填充层）。 为了避免基体碳钢焊接时对堆焊表面产生电弧划伤和焊接飞溅污染，降低其耐腐蚀性能，焊前应在焊缝两侧涂敷不少于50mm的防飞溅涂层。

为防止焊接热输入过多对复合金属产生影响，焊接线能量控制在≤23kJ/cm。 采用多层焊，在保证熔合良好的同时，加快焊接速度并减少焊缝厚度，使坡口两侧熔合良好，防止气孔、未熔合等缺陷。道间温度控制是

过渡层焊接

过渡层是奥氏体钢和非奥氏体钢的典型异种钢焊接。 两种钢的物理性能有很大不同。 不锈钢层的导热系数比低合金钢低，线膨胀系数和电阻率也比基层低。 大得多，从而在焊接过渡层时引起更大的焊接应力和变形。 加之焊缝与母材界面处熔合区结构不均匀，过渡层容易产生焊接裂纹。 因此，需要控制和调整异种钢接头组织的不均匀性，降低焊接应力，防止过渡层脆化和开裂，保证过渡层具有优良的塑性和韧性。

采用98%Ar+2%CO2混合气体和GMAW焊接方法。 气体流量为18～23L/min。 焊接材料及工艺参数见表1（过渡层）。严格控制焊接热输入≤18kJ/cm，道间温度控制为

表1 焊接材料及工艺参数

图3 过渡层焊接示意图

多层焊接

堆焊层为奥氏体不锈钢，具有良好的焊接性能。 选择98%Ar+2%CO2混合气体，采用GMAW焊接方法。 焊接材料及工艺参数见表1（堆焊）。 严格控制线能量≤18kJ/cm，采用一层多道次排列焊道，焊接速度宜快不宜慢，保证熔合良好，防止咬边缺陷，使焊缝成型良好，过渡光滑，焊缝钢筋2～2.5mm为宜。层间温度控制为

外基层焊接

采用GMAW焊接方法，焊接材料及工艺参数见表1（填充层F、F1、F2）。

C、D侧管箱端板与盖板焊接

C、D侧管箱端板与盖板之间的焊接为厚度为（12+3）mm的复合钢板与厚度为36mm的奥氏体不锈钢的角焊缝，如图所示如图 4 所示。

图4 C、D侧管箱端板和盖板焊接细节

过渡层焊接

奥氏体与非奥氏体钢异种钢焊接的焊接要点和工艺与A、B侧管箱过渡层的焊接相同。 清理沟槽20mm以内的表面及两侧，清除表面的油污、铁锈、金属屑、氧化膜等污垢。 覆层距凹槽100mm范围内应涂防溅漆。 采用GMAW焊接方法。 过渡层焊接的焊接材料及工艺参数见表1。

多层焊接

对于奥氏体不锈钢的焊接，其焊接要点和工艺与A、B侧管箱堆焊的焊接相同。 详细参数请参见表1。

上下压板及两侧管箱盖焊接

上下压板与两侧管箱盖的焊接为8mm不锈钢板芯、50mm碳钢压板、厚度为（20+3）的复合板组成的角焊缝。 )mm和(12+3)mm，如图5、图6所示。

图5 A、B面管箱盖板与压板焊接细节

图6 C、D侧管箱盖板与压板焊接细节

与单一材料的焊接相比，复合板的焊接更为复杂，主要是由于焊缝金属易稀释，过渡区发生碳迁移，熔合中易发展脆硬组织区，接头处存在较大的残余应力。

在过渡层中，由于两种钢的化学成分和物理性能差异较大，碳钢基层和不锈钢熔覆层以及焊接填充金属之间存在相互熔化问题。 这是一个复杂的合金化过程。 当焊接从熔覆层开始时，碳钢焊缝金属熔化在过渡层上，形成合金焊缝。 硬化区约2.5mm，最大硬度值>460HV。 容易产生焊接裂纹。 在这种焊接顺序的情况下，考虑到镍基焊接材料的成本太高，基层的焊接必须使用与过渡层相同的不锈钢焊接材料。 由于焊缝厚度较大，为了提高生产效率和减轻工人劳动强度，采用GMAW焊接方法。 首先对焊接坡口表面进行预堆焊，即在整个坡口表面堆焊不锈钢层。 堆焊时，采用合金含量较高的过渡层材料堆焊过渡层，然后采用合金含量较低的不锈钢材料堆焊。 1～3层，使基层碳钢表面形成隔离层。 最后使用不锈钢并使用GMAW焊接整个焊缝。

管箱两侧端板之间的焊接

两侧管箱端板之间的焊接为（30+3）mm厚的复合钢板与36mm厚的奥氏体不锈钢的角焊缝，如图7所示。焊接特点及注意事项与C、D侧管箱端板与盖板焊接相同。 焊接方法、焊接材料及工艺参数见表1。

图7 侧管箱端板间焊接详图

结论

该不锈钢复合板设备已按照ASME锅炉和压力容器规范第V卷进行焊接并通过无损检测，焊缝质量良好，证明了工艺方案的可行性。 同时吸取了不锈钢复合板焊接的许多宝贵经验：严格执行焊接工艺，控制焊缝能量和熔合比，确保关键层的焊接质量； 在只能先焊堆焊层，再焊过渡层和基层的情况下，可采用过渡层焊接材料在坡口表面堆砌隔离层。 焊接，然后采用合金含量较低的不锈钢材料进行焊接，保证焊缝的外观和质量。

——摘自《钣金与生产》2020年第6期