不锈钢复合板焊接特点及关键：过渡层焊接的重要性

不锈钢复合板是由复合层（不锈钢）与基层（碳钢、低合金钢等）通过复合轧制或爆炸复合而成的双金属材料。耐腐蚀性能由复合层保证，强度主要由基层获得。中间增加的过渡层仅需通过焊接工艺即可。这样可以节省大量的不锈钢，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、碳钢或低合金钢等，有其自身的特点和难点。为保证不锈钢焊接接头满足所要求的力学性能和保持复合钢板的综合性能，防止焊缝金属的耐腐蚀性能和抗裂性能下降，需要对基层和复合层分别进行焊接。除基层和复合层的焊接外，过渡层的焊接是不锈钢复合板焊接的主要特征，也是不锈钢复合板焊接的关键。

我公司生产的循环水热交换器由一组板芯、两块压板和A、B、C、D四个侧管箱组装焊接而成（图1）。四个侧管箱结构包括两块端板、一块盖板、拉杆、横/纵挡板、吊耳、铭牌、管口及附件等。本设备不锈钢复合板的焊接可分为两部分：一是A、B、C、D四个侧管箱的端板与盖板之间的焊接；二是组装过程中各侧管箱上下压板与盖板之间的焊接，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侧管箱端板与盖板之间的焊接为两块厚度分别为（30+3）mm、（20+3）mm的复合钢板的角焊缝接头，如图2所示。

图2 A、B侧管箱端板及盖板焊接详图

复合材料侧板焊接

基层SA-516 Gr.70N是压力容器常用钢材，具有良好的焊接性能，成熟的焊接工艺不仅能保证焊接质量，还能满足复合钢板对强度、韧性等力学性能的要求。

焊接从复合层侧的基层开始，采用80%Ar+20%CO2混合气体，GMAW(实心焊丝)焊接方法，气体流量为20～25L/min，焊接材料及工艺参数见表1(基层及填充层)。为避免基层碳钢焊接时电弧划伤、焊接飞溅污染复合层表面，降低其耐腐蚀性能，焊前在焊缝两侧不少于50mm处涂刷防飞溅涂层。

为防止焊接热输入过大对复合金属的影响，控制焊接线能量≤23kJ/cm。采用多层焊，在保证熔合良好的条件下，提高焊接速度，减小焊缝厚度，保证坡口两侧熔合良好，防止产生气孔、未熔合等缺陷。控制道间温度以

过渡层焊接

过渡层是典型的奥氏体与非奥氏体钢的异种钢焊接，两种钢的物理性能有很大差异，不锈钢层的导热系数比低合金钢低，线膨胀系数和电阻率比基体层大得多，因此在焊接过渡层时会引起较大的焊接应力和变形。加之焊缝与母材交界处熔合区的不均匀性，使过渡层极易产生焊接裂纹。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，保证过渡层具有良好的塑性和韧性。

采用98%Ar+2%CO2混合气体，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，层间温度控制

表1 焊接材料及工艺参数

图3 过渡层焊接示意图

复合层焊接

复合层为奥氏体不锈钢，焊接性能良好。选用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（复合层）。严格控制线能量≤18kJ/cm，采用一层多道布置。焊接速度宜快不宜慢，以保证良好的熔合，防止咬边缺陷，使焊缝成形良好，过渡圆滑。焊缝余高以2～2.5mm为宜。层间温度控制为

外底座焊接

采用GMAW焊接方法，焊接材料及工艺参数如表1所示（填充层F、F1、F2）。

C、D侧管箱端板与盖板焊接

C、D侧管箱端板与盖板的焊接为厚度（12+3）mm复合钢板与厚度36mm奥氏体不锈钢的角焊缝接头，如图4所示。

图4 C、D侧管箱端板及盖板焊接详图

过渡层焊接

奥氏体和非奥氏体异种钢焊接的焊接要点及工艺与A、B侧管箱过渡层焊接相同。清理坡口表面及两侧20mm范围内的区域，清除表面的油污、铁锈、金属屑、氧化膜等污物。坡口100mm范围内应涂防飞溅涂层。采用GMAW焊接方法。过渡层焊接所用焊接材料及工艺参数见表1。

复合层焊接

奥氏体不锈钢焊接要点及工艺与A、B侧管箱覆层相同，详见表1参数。

上下压板及侧管箱盖焊接

上、下压板与侧管箱盖板之间的焊接均为8mm不锈钢板芯、50mm碳钢压板、厚度为（20+3）mm和（12+3）mm的复合板构成的角焊缝接头，如图5、图6所示。

图5 A、B侧管箱盖与压板焊接详图

图6 C、D侧管箱盖与压板焊接详图

与单一材料的焊接相比，复合板的焊接更加复杂，主要表现在焊缝金属易稀释、过渡区发生碳迁移、熔合区易产生脆硬组织，接头存在较大的残余应力等。

过渡层两种钢种的化学成分和物理性能差别很大，而且存在碳钢基层与不锈钢复层及焊接填充金属间的互熔问题，这是一个复杂的合金化过程。当从复层开始焊接时，碳钢焊缝金属熔化在过渡层上，形成合金焊缝，其硬化区约为2.5mm，最大硬度值>460HV，极易产生焊接裂纹。在此焊接顺序中，考虑到镍基焊材成本太高，基层的焊接必须采用与过渡层相同的不锈钢焊材。由于焊缝厚度较大，为了提高生产效率，减轻工人的劳动强度，采用GMAW焊接方法。首先对焊接坡口表面进行预处理，即在整个坡口表面复覆不锈钢层。 堆焊时，先选用合金含量较高的过渡层材料堆焊过渡层，再选用合金含量较低的不锈钢材料堆焊1～3层，这样在基层碳钢表面形成隔离层，最后选用不锈钢材料，采用GMAW对整个焊缝进行焊接。

各侧管箱端板间焊接

侧管箱端板间的焊接为厚度为（30+3）mm的复合钢板与厚度为36mm的奥氏体不锈钢间的角焊缝接头，如图7所示。其焊接特点及注意事项与C、D侧管箱端板与盖板间的焊接相同。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的焊接按照ASME锅炉压力容器规范卷V的要求完成并通过了无损检测，焊缝质量良好，证明了该工艺方案的可行性。同时，也获得了许多不锈钢复合板焊接的宝贵经验：严格执行焊接工艺，控制焊接线能量和熔合比，保证关键层的焊接质量；在只先焊复合层，再焊过渡层、基层的情况下，可先用过渡层焊材在坡口表面焊接隔离层，然后再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《钣金与制造》2020年第6期