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【摘要】双相不锈钢诞生已经几十年了，但在水工金属结构中的应用并不多见，本文通过对双相不锈钢的发展、性能特点及焊接工艺等方面的认识和研究，分析了双相不锈钢复合钢板的焊接工艺及其特点。
【关键词】双相不锈钢复合钢板；焊接工艺；过渡层；试验
1.前言
随着水利工程的不断发展，一些工业应用领域的技术和材料逐渐被引入到水利工程建设中来。南水北调中线一期工程总干渠金属结构设备标中，有闸门门槽钢埋件共58孔，图纸设计选用了Q235B+00Cr22Ni5Mo3N复合不锈钢板做为埋件的过流面板。基层材质为Q235B碳钢、不锈钢覆层材质为00Cr22Ni5Mo3N属双相不锈钢。此种钢材在水利工程金属结构应用并不多见，其焊接质量将决定着该钢材的使用效果和工程的质量问题。本文从双相不锈钢的发展、性能特点及焊接工艺等方面对双相复合不锈钢板的焊接工艺进行分析研究。
2.双相不锈钢的发展及性能特点
2.1双相不锈钢的发展。第一代双相不锈钢以美国在20世纪40年代开发的329钢为代表，此钢种的铬、镍含量较高，耐局部腐蚀性能良好，但其碳的质量分数较高（C含量≤0.1%），在焊接时容易失去相平衡及沿晶界析出碳化物而导致其耐蚀性及韧性下降，故焊后必须进行热处理，一般用于铸锻件，因此在工业应用中受到一定的限制。20世纪70年代以来，随着精炼技术、真空精练技术及连铸技术的普及和发展。超低碳（C含量≤0.03%）钢种的生产较易实现，同时发现氮元素对双相不锈钢的性能起着重要作用，它可以促进高温下形成的铁素体逆变为足够的二次奥氏体，维持必要的相平衡，由此可提高焊接接头的耐蚀性；氮元素还可在富铬和铅的铁素体相中取得平衡，提高材料的耐孔蚀性能，同时减轻铬、钼等元素在两相中分布的差异。利用氮元素这些独特作用开发了第二代含氮双相不锈钢，并拓宽了新的应用领域。第三代双相不锈钢是在20世纪80年代后期发展的超级双相不锈钢，这类钢的特点是碳的质量分数0.01%～0.02%，钼的质量分数为4%.氮的质量分数为3%，钢中铁素体的含量为40%～45%，此类钢具有优良的耐孔蚀性能。
尽管双相不锈钢诞生已经几十年了，但其实际应用的历史并不长，它的生产和加工涉及复杂的冶金技术问题，到20世纪80年代后期才实现了部分标准化。1992年～1993年，美国焊接材料标准中首次列入了双相不锈钢焊条和焊丝，但仅有两个牌号。00Cr22Ni5Mo3N属于第二代中合金双相不锈钢，也是国外目前应用最普遍的双相不锈钢，此种钢20世纪70年代首先由瑞典研制成功，材料牌号为SAF2205，对应的美国牌号为UNSS31803。
2.2双相不锈钢的焊接性能特点。所谓双相不锈钢是指在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，一般量少相的含量也需要达到30%。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，它将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性、焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，具有良好的综合力学性能。在双相不锈钢的焊接中必须注意两个问题：①维持适当的相比例，以防止出现焊缝金属区及热影响区奥氏体相含量不足或铁素体相含量偏高；②铁素体相在一定的高温范围内是不稳定的，能析出对韧性和抗腐蚀性有害的高铬碳化物、氮化物、金属间化合物及有害相，因此必须防止有害相析出。上述问题一般可通过选择合适的焊接材料来调整焊缝金属化学成分、选用合适的焊接方法及焊接参数来控制焊接输入能量这两个途径来解决。焊缝金属中的奥氏体能起到细化晶粒、减少氮化物的析出、提高塑韧性和耐腐蚀性、增强抗裂纹能力等作用，因此对于含氮双相不锈钢通常采用镍含量比母材高2%～4%和与母材具有相同或略低于含氮量的焊材，以保证焊缝金属有足够的奥氏体量。
3.复合不锈钢板的焊接工艺分析
3.1焊材选择：不锈复合钢板是由不锈钢复层和碳素钢或低合金钢基层经爆炸或轧制或爆炸轧制贴合而成的双金属板。本文所述Q235B+00Cr22Ni5Mo3N复合不锈钢板即是指基层材质为Q235B碳素钢、复层为双相不锈钢材质通过爆炸焊贴合而成的一种复合不锈钢板。由于两层钢板化学成分、物理性能及焊接性能有很大差异，如果单一采用焊接复层的焊接材料和焊接工艺焊接基层碳素钢，虽然容易得到抗耐蚀性的焊缝，但焊缝裂纹倾向非常大，而且其塑性、强度等级不能与复合不锈钢板保持协调，在荷载作用下会出现不连续的应力状态，可能诱发断裂，更别谈经济问题了，显然与设计想获得较好强度、塑性和冲击韧性的意图是不相符的。因此可在基层和复层之间设立过渡层焊接区，故可将焊接区域分为三层进行工艺制定，如下图1所示：
基层为普通碳素钢，其焊接工艺及焊材选择都已十分成熟，焊材可选用与基层强度相匹配的焊丝（H08A）。
3.2焊接工艺
焊接按先焊基层再过渡层后焊复层的焊接顺序。
①在下述环境条件下，焊接场所应有可靠的防护屏障和保温措施：
Ⅰ.风速：气体保护焊大于2m/s，其他焊方法大于8m/s；
Ⅱ.相对湿度大于90%；
Ⅲ.雨雪环境；
②焊丝、焊条存放在通风、干燥的专设库房内，其温度保持在5℃以上，相对湿度不大于60%。不锈钢焊条焊前需经2500C烘焙1.5小时，随烘随用。
③施焊前，应将坡口及其两侧10mm～20mm范围内的铁锈、熔渣、油垢、毛刺等清除干净并打磨，直至露出金属光泽。
④焊接该种不锈钢，由于板厚17～40mm，且采用了多层多道焊，焊前不必预热，也不需要焊后热处理。由于00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢是由奥氏体+铁素体构成，为了维持结构中的相比例平衡，减少在焊接过程中不锈钢物理性能的变化，层间温度和热输入的控制十分重要，应保证层间温度小于150℃，过高或过低的热输入都是不可取的，应控制在5-15KJ/cm。
⑤定位焊及装配要求：进行定位焊时，定位焊均焊在基层一侧（不得熔入不锈钢层），焊厚在4-6mm为宜，每段长30mm，间距300～400 mm。焊接时严禁碳钢焊材焊在不锈钢层上，以免影响正式焊接时的焊接质量。
⑥焊接时采用从中间向两侧施焊和对称焊的控制措施。焊接过渡层和复层时，电流不宜过大，运条避免大的摆动，电弧不宜过长，以控制变形和保证焊接质量。盖满坡口外1～1.5mm，焊缝余高<1.5mm，超高部分打磨处理；对接接头的咬边深度不得大于0.5mm，咬边连续长度不得大于100mm，焊接接头两侧咬边总长度不得大于该焊接接头总长的10%等超规范现象。
4.焊接试验力学性能验证
5.结语
双相不锈钢已经在越来越多的工业领域应用，在水工金属结构中的应用也是近年才逐步开始，作为水利行业一线的技术人员，我们应该积极学习、研究，以指导实际生产施工，为水利事业的发展作出贡献。
作者简介
孙超，安徽水利开发股份有限公司，水利水电工程师.
【关键词】双相不锈钢复合钢板；焊接工艺；过渡层；试验
1.前言
随着水利工程的不断发展，一些工业应用领域的技术和材料逐渐被引入到水利工程建设中来。南水北调中线一期工程总干渠金属结构设备标中，有闸门门槽钢埋件共58孔，图纸设计选用了Q235B+00Cr22Ni5Mo3N复合不锈钢板做为埋件的过流面板。基层材质为Q235B碳钢、不锈钢覆层材质为00Cr22Ni5Mo3N属双相不锈钢。此种钢材在水利工程金属结构应用并不多见，其焊接质量将决定着该钢材的使用效果和工程的质量问题。本文从双相不锈钢的发展、性能特点及焊接工艺等方面对双相复合不锈钢板的焊接工艺进行分析研究。
2.双相不锈钢的发展及性能特点
2.1双相不锈钢的发展。第一代双相不锈钢以美国在20世纪40年代开发的329钢为代表，此钢种的铬、镍含量较高，耐局部腐蚀性能良好，但其碳的质量分数较高（C含量≤0.1%），在焊接时容易失去相平衡及沿晶界析出碳化物而导致其耐蚀性及韧性下降，故焊后必须进行热处理，一般用于铸锻件，因此在工业应用中受到一定的限制。20世纪70年代以来，随着精炼技术、真空精练技术及连铸技术的普及和发展。超低碳（C含量≤0.03%）钢种的生产较易实现，同时发现氮元素对双相不锈钢的性能起着重要作用，它可以促进高温下形成的铁素体逆变为足够的二次奥氏体，维持必要的相平衡，由此可提高焊接接头的耐蚀性；氮元素还可在富铬和铅的铁素体相中取得平衡，提高材料的耐孔蚀性能，同时减轻铬、钼等元素在两相中分布的差异。利用氮元素这些独特作用开发了第二代含氮双相不锈钢，并拓宽了新的应用领域。第三代双相不锈钢是在20世纪80年代后期发展的超级双相不锈钢，这类钢的特点是碳的质量分数0.01%～0.02%，钼的质量分数为4%.氮的质量分数为3%，钢中铁素体的含量为40%～45%，此类钢具有优良的耐孔蚀性能。
尽管双相不锈钢诞生已经几十年了，但其实际应用的历史并不长，它的生产和加工涉及复杂的冶金技术问题，到20世纪80年代后期才实现了部分标准化。1992年～1993年，美国焊接材料标准中首次列入了双相不锈钢焊条和焊丝，但仅有两个牌号。00Cr22Ni5Mo3N属于第二代中合金双相不锈钢，也是国外目前应用最普遍的双相不锈钢，此种钢20世纪70年代首先由瑞典研制成功，材料牌号为SAF2205，对应的美国牌号为UNSS31803。
2.2双相不锈钢的焊接性能特点。所谓双相不锈钢是指在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，一般量少相的含量也需要达到30%。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，它将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性、焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，具有良好的综合力学性能。在双相不锈钢的焊接中必须注意两个问题：①维持适当的相比例，以防止出现焊缝金属区及热影响区奥氏体相含量不足或铁素体相含量偏高；②铁素体相在一定的高温范围内是不稳定的，能析出对韧性和抗腐蚀性有害的高铬碳化物、氮化物、金属间化合物及有害相，因此必须防止有害相析出。上述问题一般可通过选择合适的焊接材料来调整焊缝金属化学成分、选用合适的焊接方法及焊接参数来控制焊接输入能量这两个途径来解决。焊缝金属中的奥氏体能起到细化晶粒、减少氮化物的析出、提高塑韧性和耐腐蚀性、增强抗裂纹能力等作用，因此对于含氮双相不锈钢通常采用镍含量比母材高2%～4%和与母材具有相同或略低于含氮量的焊材，以保证焊缝金属有足够的奥氏体量。
3.复合不锈钢板的焊接工艺分析
3.1焊材选择：不锈复合钢板是由不锈钢复层和碳素钢或低合金钢基层经爆炸或轧制或爆炸轧制贴合而成的双金属板。本文所述Q235B+00Cr22Ni5Mo3N复合不锈钢板即是指基层材质为Q235B碳素钢、复层为双相不锈钢材质通过爆炸焊贴合而成的一种复合不锈钢板。由于两层钢板化学成分、物理性能及焊接性能有很大差异，如果单一采用焊接复层的焊接材料和焊接工艺焊接基层碳素钢，虽然容易得到抗耐蚀性的焊缝，但焊缝裂纹倾向非常大，而且其塑性、强度等级不能与复合不锈钢板保持协调，在荷载作用下会出现不连续的应力状态，可能诱发断裂，更别谈经济问题了，显然与设计想获得较好强度、塑性和冲击韧性的意图是不相符的。因此可在基层和复层之间设立过渡层焊接区，故可将焊接区域分为三层进行工艺制定，如下图1所示：
基层为普通碳素钢，其焊接工艺及焊材选择都已十分成熟，焊材可选用与基层强度相匹配的焊丝（H08A）。
3.2焊接工艺
焊接按先焊基层再过渡层后焊复层的焊接顺序。
①在下述环境条件下，焊接场所应有可靠的防护屏障和保温措施：
Ⅰ.风速：气体保护焊大于2m/s，其他焊方法大于8m/s；
Ⅱ.相对湿度大于90%；
Ⅲ.雨雪环境；
②焊丝、焊条存放在通风、干燥的专设库房内，其温度保持在5℃以上，相对湿度不大于60%。不锈钢焊条焊前需经2500C烘焙1.5小时，随烘随用。
③施焊前，应将坡口及其两侧10mm～20mm范围内的铁锈、熔渣、油垢、毛刺等清除干净并打磨，直至露出金属光泽。
④焊接该种不锈钢，由于板厚17～40mm，且采用了多层多道焊，焊前不必预热，也不需要焊后热处理。由于00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢是由奥氏体+铁素体构成，为了维持结构中的相比例平衡，减少在焊接过程中不锈钢物理性能的变化，层间温度和热输入的控制十分重要，应保证层间温度小于150℃，过高或过低的热输入都是不可取的，应控制在5-15KJ/cm。
⑤定位焊及装配要求：进行定位焊时，定位焊均焊在基层一侧（不得熔入不锈钢层），焊厚在4-6mm为宜，每段长30mm，间距300～400 mm。焊接时严禁碳钢焊材焊在不锈钢层上，以免影响正式焊接时的焊接质量。
⑥焊接时采用从中间向两侧施焊和对称焊的控制措施。焊接过渡层和复层时，电流不宜过大，运条避免大的摆动，电弧不宜过长，以控制变形和保证焊接质量。盖满坡口外1～1.5mm，焊缝余高<1.5mm，超高部分打磨处理；对接接头的咬边深度不得大于0.5mm，咬边连续长度不得大于100mm，焊接接头两侧咬边总长度不得大于该焊接接头总长的10%等超规范现象。
4.焊接试验力学性能验证
5.结语
双相不锈钢已经在越来越多的工业领域应用，在水工金属结构中的应用也是近年才逐步开始，作为水利行业一线的技术人员，我们应该积极学习、研究，以指导实际生产施工，为水利事业的发展作出贡献。
作者简介
孙超，安徽水利开发股份有限公司，水利水电工程师.