复合不锈钢板焊接复层弯曲试验不合格原因分析

复合不锈钢板焊接复层弯曲试验不合格原因分析

吴江

中国核工业华兴建设有限公司江苏连云港222044

摘要：本文通过一系列试验来探讨了复合不锈钢板焊接接头复层弯曲试验不合格的主要因素，并对各种影响因素进行分析，提出了相应的解决措施，以改善复合不锈钢板的焊接接头质量，提高复层弯曲试验合格率。

关键词：复合不锈钢板；复层弯曲；试验；措施

引言

复合不锈钢板具有良好的耐腐蚀性和承载能力，已广泛应用于管道、压力容器等石油化工行业。复合不锈钢板由复材和基材组成，基材为不锈钢板，力学性能优良，可承受结构强度，复材为包复材料，耐腐蚀性强。采用这种材料制作的容器和管道既保证了产品各种需求性能，提高了产品的使用寿命，又节约运营成本。由这种复合不锈钢板制作的压力容器，其综合性能远高于其他材料制成的压力容器。虽然该种复合不绣钢板的优点明显，在制作过程中也易于焊接，综合性能也具有明显优越性，但在实际生产制作过程中，多次发现焊接质量不稳定的情况。焊接工艺评定是保证焊接质量的重要措施，是验证焊接参数、焊接工艺、性能指标等方面的合理性、是否满足要求的重要手段。在复合不锈钢板焊接工艺评定和产品焊接等性能试验过程中发现复层弯曲试验不合格。为了提高焊接质量，提高合格率，保证产品质量，我们通过一些试验对弯曲不合格的原因进行分析。

1复层弯曲试验介绍

复层弯曲试验一般用于评价复合材料的结合性能。根据GB/T6396-2008，复合钢板弯曲试验分为内弯、外弯和侧弯三种类型。内弯是指试件基层的弯曲试验，外弯是复层的弯曲试验，侧弯指试样复层及基层均为受拉面的弯曲试验。弯曲试件的形状和尺寸、毛坯的切割和试件的制备应符合钢板或基材的相关产品标准。层状复合材料弯曲性能合格的标志是：在试件内弯曲和外弯曲的情况下，试件弯曲部分的外表面不能产生明显的裂纹。对于侧弯试样，拉伸面上的两个金属粘结面不能开裂。为了更充分地反映复合材料分层材料界面结合的特性，一些学者提出了缺口弯曲试验方法。在某些情况下，弯曲试验可作为剪切试验的替代试验。

2焊接工艺及试验分析

2.1试板焊接

对焊接试板开60°坡口，焊前先除油去锈，焊接时用埋弧自动焊焊完基层的第一层后，在反面用碳弧气刨清根，再焊第二层，然后用x射线探伤，探伤合格后再焊接过渡层。过渡层必须完全覆盖基层，其厚度约为复层厚度的1/2～1/3。过渡层焊完后再焊复层。

2.2复层表面加工及弯曲

按规范焊接复合不锈钢板后，取弯曲试样进行试验，弯曲试验结果不合格。为了分析原因，在弯曲不合格的测试板上取样，对一个试样在复层焊缝附近进行刨削，而对另一个试样，则将整个复层及过渡区焊缝刨除，然后焊接。目的是检查复层开裂是在表面上还是从过渡区延伸到表面。

对试样一，先用A302不锈钢焊条焊接过渡区，再用A132不锈钢焊条焊接复层。试样二，采用A132不锈钢焊条焊接。焊接完成后，对试样进行修磨，并按照标准进行弯曲试验。试验结果为：第一个试样弯曲合格，第二个试样弯曲不合格。因此，可以认为过渡区结构是影响复层弯曲试验结果的重要因素。此外，焊条规格、过渡区焊缝厚度以及过渡区的一些操作过程对弯曲性能有一定的影响。通过大量的实验和总结，我们认为电焊条的小直径、小电流、焊接速度控制、减少基层铁水熔化以及过渡区厚度约为复层厚度的1/2时的工艺效果较好。操作时应严格禁止摆动，否则会导致基底铁水上翻，增加过渡区硬度，导致弯曲不合格。

2.3基层对弯曲试验的影响

基层焊后残余应力和变形是焊缝接头弯曲性能的影响因素，当残余应力和弯曲表面拉应力方向相同则应力叠加，使曲面压力增加，变形和弯曲方向相反，这些都会容易导致弯曲试验结果不合格。为此，我们对复合不锈钢板的基层采用焊两层和焊三层的工艺进行焊接，焊接参数相同，焊接后取样进行实验，结果发现焊两层的复层弯曲试验的合格率很低，而焊三层的合格率较高。因此，可以认为基层焊接层的数量会影响复合材料层的弯曲性能。

2.4弯曲试验过程对结果的影响

弯曲试验的目的是为了检验金属材料承受规定弯曲程度的弯曲变形能力。弯曲装置有支辊式弯曲装置、V型模具式弯曲装置、虎钳式弯曲装置。本次试验采用支辊式弯曲装置，试验过程中的试验速率、弯曲角度、弯芯直径、支辊间距、试样的加工情况、试样的摆放位置等等均可对试验结果产生较大影响。因此，试验过程中，应严格按照标准所规定的操作步骤进行试验，对每一项控制点采取专门的应对措施，确保试验过程符合标准要求。对此，我们进行相应的对比试验，对同一位置截取的弯曲试样，弯芯直径选2t（t为试样厚度）、3t、4t进行试验，相应的支辊间距做相应改变，试验结果表明：采用弯头直径为2t的试样，弯曲试验结果不稳定，采用3t或4t，则弯曲试验结果稳定、合格。因此，可以认为工艺评定试验中的弯曲试验过程符合要求，试验过程不是该项试验结果不合格的原因。

2.5断口分析及讨论

扫描电镜是一种显微结构观察手段，可直接用于对样品表面进行微观成像，扫描电镜的样品制备简单，具有高倍性，成像具有立体感。在对弯曲不合格试样进行微观金相检验和化学成分分析，利用光谱分析仪器对试样进行了成分分析，发现其化学成分较母材和焊材的化学成分发生了变化。利用金相显微镜观察组织发现，奥氏体＋δ铁素体的微观结构样品，铁素体在析出相中的分布点，金相分析表明，层状过渡层的组织上部为基体，下部为堆焊过渡层。与熔丝线方向垂直的析出物在熔丝线附近发现这个相位是非磁性的，具有体心立方结构。长时间高温加热，会在非共格孪晶界及晶内夹杂物上形成。将弯曲试验不合格试件制备为扫描电镜进行评价，低倍观察时发现裂开的过渡区存在与断面相连的粗大横向裂纹。高倍镜下发现在过渡区界面有一个非常浅的韧窝，在横向裂纹附近也有一个韧窝，其上又分布大小不一的空穴。因此，可以认为过渡区结合较脆弱，金属塑性性能较其它部位差。还可以进一步说明过渡区是焊缝的弱区。在弯曲试验中，该位置容易出现缺陷。不合格的样品测试板在550℃的温度下保温1小时，随炉冷却到300℃再出炉空冷，然后复层抽样再做弯曲试验，合格率显著提高。因此，经过热处理后的试样，弯曲试验合格率会得到提高。

因此，影响材料复合层抗弯性能的因素可归纳为：过渡区化学成分、组织结构、基层坡口、工艺等主要因素。这是因为复层边沿熔化促进了过渡层数的增加，使得弯曲试验不合格。因为复合不锈钢某层被埋弧焊时，如果不消除不锈钢层的熔化部分，复层弯曲就容易不合格。此外，与美国的ASME标准相比，弯曲直径要求弯曲试验试样厚度为4t（t为试样厚度），此次工艺评定所用的弯曲试验参数（弯轴直径为2t）是苛刻的，复合不锈钢压力容器，复层一般处于容器内部，复层表面受压而不受拉。

3结论

3.1过渡区是影响复层弯曲性能不合格的主要因素，基层的坡口及工艺对复层弯曲性能也有一定影响。

3.2过渡区应控制在1/2复层厚度，工艺上应采用小直径焊条、小电流、不摆动来进行过渡区的焊接。

3.3试样经过热处理后对复层弯曲性能有改善。

3.4双V形坡口是保证复层接头性能的较好坡口之一。

综上所述，复层弯曲试验反映出复合不锈钢板焊接接头的塑性能力。而焊接接头的塑性性能受焊接过程影响较大，复合不绣钢板的焊接过程应严格控制，才能保证焊接接头的质量。

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