s31606q345r复合钢板弧焊焊接接头的力学性能.doc

毕 业 设 计（论 文）S31603/Q345R碳钢不锈钢复合板CO2气体保护焊焊接接头力学性能研究 姓 名 丁 凯 鹏 学 院 材料科学与工程 专 业 焊接技术与工程 年 级 焊接111402班 指导教师 赵 菲 2015年 06 月 15 日太原科技大学毕业设计（论文）任务书学院（直属系）： 材料科学与工程 时间：2015年3月30 日学 生 姓 名丁凯鹏指 导 教 师赵菲设计（论文）题目S31603/Q345R碳钢不锈钢复合板CO2气体保护焊焊接接头力学性能研究主要研究内容（1）了解分析S31603、Q345R这种不锈钢/碳钢复合板材料的特点（2）不锈钢/碳钢复合材料连接方法研究（3）焊接接头的抗拉强度，抗弯强度，伸长度，断面收缩率，冲击韧度，缺口敏感性，疲劳极限研究方法1. 通过焊接工艺试验研究，确定最佳不锈钢/碳钢复合材料焊接工艺方法；2. 研究工艺参数对复合材料连接成形接头力学性能（焊接接头的拉伸试验；焊接接头的弯曲试验；焊接接头的冲击试验；焊接接头的硬度试验）的影响规律。主要技术指标(或研究目标) 通过对碳钢不锈钢复合材料的焊接接头的各项力学性能的试验，了解焊接接头的各项力学性能，以及对接头性能的影响，从而了解焊接接头缺陷的避免与矫正教研室意见教研室主任（专业负责人）签字： 年 月 日 说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。太原科技大学毕业设计（论文）摘 要 本文对S31603/Q345R不锈钢/碳钢复合板在两组不同焊接工艺下，对其力学性能进行研究。研究采用CO2气体保护焊的焊接方法，采用KTW-309LMOP焊丝、THY-51B焊丝做为填充金属，采用V形坡口形式对不锈钢/碳钢复合板进行对接焊。通过对在不同工艺下两组复合板获得的焊接接头进行力学性能测试，分析力学性能测试结果，确定可获得最优焊接接头性能的工艺参数。力学性能测试结果表明，两种工艺参数下的不锈钢/碳钢复合板的抗拉强度与其基层母材的抗拉强度相当，略高于复层的抗拉强度，且均在远离熔合线的母材处发生了断裂，熔合线附近发生硬度突增，焊缝硬度均高于母材，较快的焊接速度以及较小的焊接电流都能提高焊缝的力学性能，其中1号试板韧性较好，2号试板抗拉强度更高可以满足实际生产对焊接接头的强度要求。综上，在本文选用的工艺参数下，均可实现碳钢/不锈钢复合板的优质焊接。关键词：碳钢/不锈钢复合板 焊接接头 力学性能ABSTRACTIn this paper, S31603 / Q345R stainless steel / carbon steel composite panels at two different welding processes, to study its mechanical properties. Research on the use of CO2 gas welding welding method using KTW-309LMOP wire, THY-51B wire as filler metal, use a V-shaped groove in the form of stainless steel / carbon steel composite plate butt welding. Through two different processes in composite board obtained by testing the mechanical properties of welded joints, mechanical analysis test results to determine the optimal process parameters obtained performance of welded joints.Mechanical test results show that the tensile strength of the tensile strength of its grassroots base metal under the process parameters or stainless / carbon composite panels rather, slightly higher than the tensile strength of multi-layer, and are far away from the fusion line of mother material at the fracture occurred, the sudden increase in hardness occurred near the fusion line, the weld hardness is higher than the base metal, weld faster speed and smaller welding current can improve the mechanical properties of the weld, where the 1st test plate toughness compared Well, the 2nd test plate tensile strength higher actual production to meet the strength requirements for welded joints.In summary, under the article selection process parameters, can achieve high-quality carbon steel / stainless steel clad plate.Keywords: carbon steel / stainless steel clad plate, welded joint, mechanical properties摘 要IABSTRACT2第1章 绪论11.1 复合板概述11.1.1 复合板的制造方法21.1.2 复合板的性能21.1.3 复合板的应用现状41.2 碳钢/不锈钢复合板的焊接性特点及分析51.2.1 焊接性51.2.2 碳钢/不锈钢复合板的焊接工艺61.3 碳钢/不锈钢复合板的焊接研究现状71.4 课题研究背景、主要内容及意义9第2章 S31603/Q345R复合板的试验方案102.1 试验准备102.2 S31603/Q345R复合板的焊接性能分析132.3 试验方案的确定152.3.1 焊接设备152.3.2 焊接方法的选择162.3.3 焊接材料的选择162.3.4 焊接工艺过程162.4 焊接接头的宏观形貌182.5 焊接接头的力学性能试验192.5.1 焊接接头的拉伸强度试验192.5.2 焊接接头的显微硬度试验20第3章 S31603/Q345R复合板的试验数据及分析223.1 S31603/Q345R接头拉伸试验结果分析223.2 S31603/Q345R显微硬度试验结果分析24第4章 结 论27参考文献28致 谢31附 录32第1章 绪论1.1 复合板概述随着现代社会科学技术和工业技术的迅速发展，各种技术需求也相应而生。许多新型的设备以及结构对材料的强度、硬度、疲劳极限等性能的要求越来越高，另一方面，对材料的生产成本与使用寿命提出了更高的要求。很多时候，单一材料不能满足对性能及成本的要求，因此，创造出一种可以同时满足多种要求的新材料就成为了当务之急。这种按一定方式、比例及分布方式制造出来的材料称为复合材料。在金属成型加工中，将其称谓为复合板钎焊火焰钎焊火焰钎焊使用气体火焰或火炬加热被焊部位，温度和热量需要确定所使用的气体。火焰可以通过可与空气或氧气被燃烧任何燃料气体供给，对于火焰钎焊通常使用单一的焊枪并且要使用焊头，但是对于自动火焰钎焊，多个焊头可能是必须的。手工火焰钎焊可能是最广泛使用的钎焊方法，如表7-11所示。火焰钎焊适用于涉及不同的加热部位的焊接。焊枪可被定向至较重部位从而使加热均匀。手工钎焊特别适用于构件修复。自动火焰钎焊适用于注重效率与生产值的制造业。一般，会使用多个焊枪进行焊接。火焰钎焊的焊接气氛为火焰燃烧的产物，通常使用中性或非氧化性气体，某些材料可使用氧化性较低的气体或还原性性气体，钎料金属可预填在焊接接头表面或内部，也可以在焊接时手动即时填充。这些部件在加热和冷却循环过程中必须进行组装和自我夹持或代替用机械装置夹持，这些部件必须经过处理，助溶剂添加到具有协助毛细流动的填充材料中，位置不是太重要，然而，中立对促进复杂接头中毛细流动很有帮助。火焰钎焊可适用于多种材料以及焊接质量不等部分，然而，由于温度控制不当，熔点接近钎焊温度的材料是不容易被钎焊的。当加入不同厚度的部分，火焰钎焊部位往往有翘曲或变形，火药钎焊适用于被焊部位过大，形状复杂或不能由其他方法加热,钎焊件可被AWS认证合格或根据ASME第九节测评合格。其他钎焊方法其他的钎焊方法涉及不同的热量供给方法，当使用特定化学反应热量时，放热钎焊可以使用。放热化学反应是两个或两个以上热量由于反应的自由能放出的化学品之间的反应，常用固态或近固态金属氧化物反应，但此方法不广泛使用。当电弧被用作热源，其他热源可以是任何的电弧工艺，包括碳弧，双碳弧，钨极氩弧焊，等离子电弧等工艺。也可使用激光束与电子束。热输入与热损失的关系必须严格控制，以避免熔化的部分被钎焊。几乎所有的普通金属都可以被钎焊，不同的金属以及它们的钎焊性，也就是这些金属在在实际生产中进行钎焊的能力，都列在表7.3中。待焊部位的厚度取决于是否可提供足够的热量对较重部位，而不对较薄部分提供过多的能量的能力。这与其它一些钎焊方法相比可能会是一个问题，是在选择加热方法时的一个主要的考虑因素。填充金属钎焊的填充金属涵盖在钎焊填充金属规范AWS A5.8中，根据分析分类如下：铝 - 硅，铜，铜 - 锌，铜 - 磷，镍 - 金，耐热材料，镁和银等基本分组。表7.4给出了不同的填充金属的组合物，以及工作范围和推荐的用途，填充金属的选择基于被钎焊的金属材料。某些钎焊的填充金属含有大量的镉，当使用这些填充金属时，必须要有足够的通风。填充金属可以是多种形式的，最常见的是金属丝或杆，填充金属也可做薄片状，粘贴或作为部分的包层表面，以进行钎焊。填充金属的位置会影响接头的质量，对于正常的搭接接头的填充金属，应提供的仅一个端部，并使其通过毛细管作用流完全通过接头。如果填料金属被在两端供给，气体将被截留在接头从而产生裂纹，这将大大降低钎料的有效面积。仅在一端供给填充金属的另一个优点是用于质量控制，如果填充金属在另一端产生了一个鱼鳞状的焊缝，那么钎焊接头的完整性，将会是显而易见的。填充金属不能在一个堵塞的接头中产生毛细流动，气体堵塞，填充金属将不会产生在整个接合面进行完整的流动。在这种情况下，必须进行排气。这也适用于小罐或容器，在这些容器中气体受热膨胀，将防止填充金属形成贯通的邻接表面。图7.11 钎焊，钎焊检验，美国焊接学会表7.3 火焰钎焊中的母材可钎焊性母材填充金属火焰钎焊火焰类型AWS助焊剂分类铝铝弱还原性FB1-A黄铜银合金弱还原性F33-A or C青铜铜-锌弱还原性FB3-C铜铜-锌弱还原性FB3-C铬镍铁合金银合金弱还原性FB3-A or C球墨铸铁银合金中性/弱氧化性FB3-A or C锻铁铜-锌弱还原性FB3-C蒙乃尔银合金弱还原性FB3-A or C镍银合金弱还原性FB3-A or C镍-铜铜弱还原性FB3-C镍-银银合金弱还原性FB3-A or C贵金属任意任意Variable高碳钢铜-锌弱还原性FB3-C低合金钢铜-锌弱还原性FB3-C低碳钢铜-锌弱还原性FB3-C中碳钢铜-锌弱还原性FB3-C不锈钢银合金中性/弱还原性FB4-A注：在许多情况下，可以使用不同的填充金属。易于使用的填料金属如表所示。可忽略颜色匹配。表7.4 钎焊填充金属（续表）AWS 分类钎焊温度范围成分组成(%)铜，铜-锌和铜- 磷合金，（续）RBCuZn-D1720-1800938-98248 Cu,42 Zn,10Ni磷铜钎料BCup-11450-1700788-92795 Cu,5 P磷铜钎料BCup-21350-1550732-84393 Cu,7 P磷铜钎料BCup-31325-1500718-81689 Cu,5 Ag,6 P磷铜钎料BCup-41275-1450691-78887 Cu,6 Ag,7 P磷铜钎料BCup-51300-1500704-81680 Cu,15 Ag,5 P磷铜钎料BCup-61350-1500732-81691 Cu,2 Ag,7 P磷铜钎料BCup-71300-1500704-81688 Cu,55 Ag,7 P镍，钴合金镍基钎焊粉BNi-11950-22001066-120473.5 Ni,14 Cr,3 B,5 Si,5 Fe镍基钎焊粉BNi-1a1970-22001077-120473 Ni,14 Cr,3 B,5 Si,5 Fe镍基钎焊粉BNi-21850-21501010-117781.5 Ni,7 Cr,3 B,5 Si,3.5 Fe镍基钎焊粉BNi-31850-21501010-117792 Ni,3 B,4.5 Si,0.5 Fe镍基钎焊粉BNi-41850-21501010-117792.5 Ni,2 B,4 Si,1.5 Fe镍基钎焊粉BNi-52100-22001149-120472 Ni,18 Cr,10 Si镍基钎焊粉BNi-61700-2000927-109389 Cr,11 P镍基钎焊粉BNi-71700-2000927-109376 Ni,14 Cr,10 P镍基钎焊粉BNi-81850-20001010-109369.5 Ni,7 Si,18 Mn,5.5 Cu镍基钎焊粉BNi-91950-22001066-120480 Ni,15 Cr,3.5 B,1.5 Fe镍基钎焊粉BNi-102100-22001149-120463 Ni,12 Cr,2.5 B,3.5 Si,3 Fe,16W镍基钎焊粉BNi-112100-22001149-120468.5Ni,10 Cr,3 B,3 Si,3.5 Fe,12 W钴基钎焊粉BCo-12100-22501149-123216 Ni,19 Cr,1 Fe,4 W,60 Co。复合板在制备过程中，进行材料筛选时会出现如图 1.1所示的几种情况。因此，制备复合钢时，一定要对基层、复层材料进行合理选择，以具有良好的工艺条件作前提，最大可能地发挥复合材料的性能优势。不过，由于复合板各层材料在理化性能等方面存在比较大的差异，使材料在复合之后各个层材料之间会具有有较明显的界限。图1.1 不同材料复合后的性能在生产实际中，通常通过合理选择每层材料，正确设计复层结构，选用良好的复合工艺，使制备出的复合板可以满足如下要求：（1） 性能互补 把高韧性的材料与高硬度的材料复合后制备成性能互补的复合板。选用韧性较好的材料作复合板的基层，选用硬度较高的材料作复层，使复合材料不仅具有优良的韧性，且具有较高的硬度，可满足实际生产对材料韧性以及硬度的双重要求。 （2） 表面保护作用 在高温、高压、具有强烈腐蚀性介质等场合中，通过复合把耐热、耐磨、耐蚀的金属作为复合板的复层，如此能对结构以及设备起到良好保护作用。（3） 降低成本 以廉价金属作为基层，较薄的贵金属或能起到贵金属作用的金属做复层。如此制成的复合板可以大幅降低生产成本，提高经济效益，如 Ag/Cu、Pd/Cu 等复合金属板。（4） 装饰作用 以廉价金属作为基层，金、银、镍等贵金属做为复层，可以做为装饰品使用。 1.1.1 复合板的制造方法 由于复合板具有的各种优异性能以及特点，世界各国都先后进行了复合钢的研究与开发。目前复合板的制造方法包括：爆炸复合法、轧制复合法、爆炸-热轧复合法、包浇轧制法、挤压复合法、钎焊法、电镀法、热喷涂等方法-8。复合板层压复合方法的工艺是20世纪50年代美国首次提出的，具体工艺为：表面处理-轧制复合-退火强化处理，使得复合钢在室温下可以固相复合，这项技术的出现具有非常重要的应用意义9。世界上许多国家在这之后陆续开始了复合板的研究。前苏联很早便开始了对复合板的研究，特别是在冷轧复合方面进行的研究，他们主要采用轧制法、挤压法、爆炸-轧制法等方法生产各种材料的复合板。同时期的欧洲国家对复合板的研究处于相对较高的水平，其中英国某所大学在上世纪50年代就开始对复合板进行了全面系统的研究，取得了较多研究成果10。亚洲国家也先后开展了复合板的研究，日本虽然在复合材料方面的研究起步比西方的国家相对晚，但其发展十分迅猛，现在已成为在复合板材料方面的研究最为广泛和最为深入的国家之一。尤其是在20世纪末期，日本在铝-不锈钢的复合技术研究上更是取得了非常大的进展，并申请了多项专利，研究成果以“采用惰性隔离颗粒层的爆炸复合多层金属板的制造技术”最为杰出。 国内对复合板的研究开始于1960年左右，到目前为止，国内对“复合钢层状复合”方面进行了很多的研究，并且在复合机理、复合工艺以及复合设备等方面取得了很大进展，但相较与工业发达国家，仍有较大差距。当前国内复合板的生产方式主要是：爆炸复合法、爆炸-轧制（热轧和冷轧）复合法。实践表明，采用以上复合方法制造复合板时，还存在较多技术问题：一方面，生产设备落后，生产工艺不够完善，产品质量与产量有待提高；另一方面，对复合板的研究工作滞后于发达国家，相关复合理论和双金属复合机理的研究比较肤浅，特别是对在两种材料各项性能差别较大时进行复合的研究更加稀少。这类复合板具有极其广阔的市场应用潜力11。因此，国内对复合板的研究工作还需要加大力度。 1.1.2 复合板的性能 复合板的基本的性能参数有如下几种：12-14。（1） 界面结合率和界面剪切强度界面结合率和界面剪切强度通常用每张复合板总面积或每单位面积的不贴合面积所占的半分比来表示。另外，影响贴合质量的性能指标还有界面分离强度、单个不贴合区的最大长度、单个不贴合区的最大面积及个数等。（2） 拉伸性能复合板的屈服强度（s或0.2）和抗拉强度（b）应分别不低于组合屈服强度和组合抗拉强度，即或式中 S1 、b1基材的屈服强度和抗拉强度（MPa）， S2 、b2复材的屈服强度和抗拉强度（MPa）， 1 、2 基材和复材的厚度（mm）。但抗拉强度也不得过高，应当加以限制。（3） 弯曲性能 通常只要求进行180°的内弯和外弯试验，不做侧弯试验。进行内弯和外弯实验的目的，一是检验复合钢的弯曲性能，二是检验界面的结合状态。复合钢的弯曲性能应满足实际生产对基材弯曲性能的要求，后者在各标准总要求不一，如美国ASTM A 264中规定做三个内弯试验，其中至少有两个试样在弯曲部分两侧界面出现的分离不得超过50%；我国GB150-1989中规定，在弯曲部分的外侧不得产生裂纹，结合界面不允许分层；日本JIS G 3601仅规定弯曲部分的外侧不得产生裂纹。（4）冲击性能压力容器用复合板（主要是复合钢板）要求进行冲击性能试验，冲击韧性结果应符合压力容器对冲击值的要求。复合钢板恩的冲击性能与热处理状态和冲击试样的取样部位有关。全基层钢试样的冲击性能较好；而带复层的试样则冲击性能就较差，特别是爆炸焊接状态更是如此。这是因为在爆炸焊接过程中复合钢板的复合界面呈波浪状结合，由波峰、波谷的直接结合区和前后漩涡区组成，其中漩涡区生成一种新合金，显微硬度可达400HV，脆性相对较大。复合钢板在正火之后韧性会得到提升，正火之后再回火则会导致冲击值有发生下降。这是由于正火时消除了加工硬化，而再回火时又造成了漩涡区的碳进一步扩散。（5） 最高许用设计温度复合钢板的最高许用设计温度是实际生产中复合钢板的重要参数。主要取决取决于下列因素：复层及基层材料的最高设计温度；复层与基层的结合状态和结合性能的最低恶化温度；产品应用过程中温度变化所引起的热应力不会使接合面的结合状态和结合性能恶化。复层为含铬量超过14%的铬不锈钢时，复合钢板的最高设计温度上限不应超过425。 （6） 耐腐蚀性能 复合钢，特别是不锈钢、镍合金等的复合钢板/管要进行耐腐蚀性实验，其要求与复层材料相同。1.1.3 复合板的应用现状复合板的性能特点有，能够通过各组成材料的合理选择和成型工艺的恰当选择，充分发挥各组成材料的特定的理化性能和力学性能等，制备出可以满足不同性能要求的复合钢。现代工业生产中所应用的复合钢板主要是不同种类的不锈钢复合板15-21。归纳起来，复合钢的具体应用领域主要包括以下几个方面：（1） 石化设备的应用 在实际生产中石油化工设备的工作氛围一般会包含一些具有很强腐蚀性的液体或者气体，做为上述物质的生产容器或者输运管道等。这是由于复合板不仅具有较高的强度和刚度，还具有较好的耐腐蚀性能。因为选用全不锈钢或者其它单一金属制备的生产容器或运输管道价格会比碳钢制备的高出多倍，从而影响生产成本，所以这类设备的材料一般采用复合钢。（2）建材设备的应用 建筑及装饰材料选用复合钢具有较明显的优势。目前不锈钢/铝合金以及不锈钢/铜双面复合板是建筑行业中应用广泛的复合钢22。在建筑生产中的各个方面因其优良的性能都得以广泛的应用。（3）交运行业的应用在交运行业中，结构材料必须具有高强度、轻重量、较好的耐腐蚀性、优良的抗疲劳性等特点。此类复合钢的大量使用可使交通工具进一步轻量化，促进交运行业的升级优化。在船舶制造过程中，钢-铝过渡件做为铝和钢的异种材料焊接的过渡件，可使铝材料在船舶生产中大规模使用，提高船舶结构的耐腐蚀性以及轻量化。（4） 日用品的应用目前生活中使用的炊具多为不锈钢或者铝制品，单一使用某一种材料制备炊具都会具有一定的局限性，不锈钢较贵而铝制品长期使用会对人体产生伤害。因此采用不锈钢/铝复合板制备炊具可满足生活中的使用要求。图1.2为复合板在工业生产中的应用实例。 （a）热交换器 （b）石油管道 （c）炊具 （d）复合接头图1.2 复合板在工业生产中的应用实例1.2 碳钢/不锈钢复合板的焊接性特点及分析碳钢/不锈钢做为一种新型的工程材料，以其优越的性能，广泛的应用于实际生产中。因此，碳钢/不锈钢复合板的焊接接头是否具有良好的综合性能是碳钢/不锈钢复合板制备而成的设备安全运行的关键所在23-26。1.2.1 焊接性碳钢/不锈钢复合板的焊接过程存在以下几个问题：（1） Cr、Ni元素在焊接过程中会部分被烧损，使得焊缝中的Cr、Ni含量降低，从而影响复层金属的性能。（2） 基层焊缝对复层焊缝有稀释作用，使得复层焊缝中的铬、镍含量减少，复层焊缝的含碳量增加，使焊接接头的塑性和韧性降低，并会影响复层焊缝的理化性能。（3） 焊接碳钢/不锈钢复合钢板的基层金属时容易使复层金属熔化，从而影响复合钢板的综合性能，导致裂纹的产生。（4） 焊接复层金属时，由于碳迁移的存在，使得基层的强度降低。（5） 不锈钢复层金属的热导率相对于基层较低并且线膨胀系数较大，在焊接过程中，会有较大的焊接变形及应力，导致焊接裂纹的生成。因此，一般在复层金属与基层金属间加上过渡层。使得不锈钢的焊接分为三部分进行：基层的焊接、复层的焊接和过渡层的焊接。1.2.2 碳钢/不锈钢复合板的焊接工艺（1） 坡口1） 坡口形式复合钢板厚度较小时，选用I形坡口；厚度较大时，可选用V形、U形、X形或V-U结合形坡口。一般在焊接复合钢板时，尽可能选用X形或V-U结合形坡口；选用V形或U形坡口时，应去除焊接接头附近的复层金属，可以防止复层金属向基层焊缝中渗透，从而导致基层焊缝发生脆化。2） 坡口加工方法一般选用气割或等离子切割下料，之后用砂轮或机加工设备制作坡口。（2） 焊接工艺1） 基层的焊接根据焊接接头与母材等强原则选择焊接材料进行焊接，焊后进行外观检查，保证无焊接缺陷，之后进行X射线探伤检查。焊接检验合格后，打磨基层焊缝表面，使其略低于基层金属表面。2) 过渡层焊接焊接过渡层时，保证熔合良好的前提下，还应减少基材金属的熔入量，降低焊缝的稀释率。焊后进行超声波或渗透着色无损检验。3) 复层的焊接奥氏体不锈钢焊接时尽量使焊缝组织为双相组织；采用较小的电流、较大的焊接速度、较小的线能量进行焊接；焊接电源选用反极性电源，焊缝进行多层多道焊；严格将层间温度控制在60以下；选用Ti、Nb、Mo的焊接材料。4） 焊接顺序碳钢/不锈钢复合板的焊接顺序均为基层的焊接、过渡层的焊接、复层的焊接。碳钢/不锈钢复合板选用V形坡口时的焊接顺序见下图。 (a) 焊接基层 （b）焊接过渡层 （c）焊接复层图1.3 V形坡口的焊接顺序5） 焊接方法基层一般用手工电弧焊或埋弧自动焊进行焊接，而复层则选用钨极惰性气体保护焊、手工电弧焊或半自动熔化极气体保护焊进行焊接，过渡层一般采用手动电弧焊或钨极惰性气体保护焊进行焊接。1.3 碳钢/不锈钢复合板的焊接研究现状由于复合钢在工业生产以及日常生活中的广泛应用，对复合钢的焊接研究也随之兴起。复合钢的研究内容主要集中在焊接工艺，是复合钢焊接接头获得优良的理化性能的要点，但是因为复合钢基层与复层的理化性能差异较大，复合钢焊接接头的性能保证具有一定的科研难度。根据文献查阅，当下对复合钢的主要研究对象是奥氏体碳钢/不锈钢复合板与铁素体碳钢/不锈钢复合板，焊接工艺也相对成熟。王文先、王一峰、刘满才27在2010年发表的论文中选用了4种不同的焊接工艺对不锈钢SUS321/Q235复合钢的对接工艺以及焊接接头的显微组织、力学性能、和复层耐腐蚀性能的研究。论文指出，在选用弧焊焊接基层时，焊缝显微组织为粗大的柱状晶，韧性相对较差。钨极氩弧焊的焊接接头复层在1mol/L浓度的氯化钠氛围下，与母材的抗电化学腐蚀性能相差不多，并且无晶间腐蚀现象。王延安等人28进行了316L/20G复合管的钨极氩弧焊对接焊试验，焊接复层、过渡层、与基层所选用的填充材料分别是焊丝ER316L、焊丝ER309L、焊丝ER55-G，进行了焊接接头的力学性能的测试。实验结论表明，采用上述工艺的焊接接头的力学性能较好，复层焊缝中的金属元素并未发生稀释。王能利29对20/0Cr18Ni9Ti复合钢管的焊接工艺及获得的焊接接头进行了试验，试验选用了钨极氩弧焊以及焊条电弧焊的焊接方法，并以TGS-309焊丝做为复层焊接的填充材料、而过渡层则选用了焊条CHS-062，焊接坡口选用的是60°的V形坡口。结果显示，上述工艺下的焊接接头的化学成分与母材相近，且均为双相组织，抗拉强度均介于母材之间，符合等强选材原则。查玉辉、薛州、刘小兵30进行了16MnR/405复合钢板的试验，由于复合钢的焊接过程中存在碳迁移现象，使得复层侧焊缝中容易生成马氏体，影响焊接接头的性能。纪永杰31对0Cr18Ni9Ti/Q235碳钢/不锈钢复合板进行了焊缝跟踪研究。试验测试显示，接头的熔合比只是与焊丝伸出长度成正比，而焊接速度则不会对熔合比产生影响。Chuaiphan W32等人对304奥氏体和1020碳钢在钨极 氩弧焊工艺下的焊接进行了研究，试验中选用了不同的焊丝进行焊接，并研究了在上述工艺条件的焊接接头组织和接头的力学性能。结果显示，在选用309L焊丝和308L焊丝时，焊接接头的显微组织中铁素体呈连续枝状分布于奥氏体中，并且选用309L焊丝时的铁素体含量更高，抗点蚀性能更好，但是在使用316L焊丝所得到的焊缝组织中并不存在上述情况。YAN J33等人对奥氏体不锈钢进行了不同焊接方法的试验，实验中分别选用了钨极氩弧焊、激光焊、复合焊三种焊接方法，结论表明，三种焊接工艺多获得的焊接接头显微组织均相同，不同的是激光焊所获得的焊接接头的显微组织中铁素体含量最高，接头显微组织中铁素体含量最低的是TIG焊。Li G F34等人的试验显示，A508-309L/308L复合钢的焊接接头过渡层可分为三个部分，如图1.4所示。图中类马氏体界面被称作“第二类边界线”，其与熔合线之间的部分称作“凝固过渡层”，是异种金属焊接接头的主要失效部位。在焊接中应当采取措施减小此部分的生成。图1.4 奥氏体不锈钢/碳钢界面的“凝固过渡层”1.4 课题研究背景、主要内容及意义由于复合板在工业生产、建筑行业、交通运输行业、日常生活等多方面的广泛应用，复合板以其优越的性能、较高的性价比已经日趋成为金属行业的主流，复合板的发展基本代表的钢铁行业的发展，是整个社会金属应用发展的主导者，复合板的开发与升级已经是炙手可热的科研对象。由于焊接是金属加工与成型的常用手段，并且复合钢板的基层与复层理化性能差异较大，在焊接时时常会存在一些技术难点。因此，复合板的焊接研究就变得非常有必要，非常有意义。本课题主要研究S31603/Q345R复合钢板的弧焊焊接接头的力学性能，选用TIG焊和CO2气体保护焊，选用两组不同的焊接参数，填充金属以等强原则选择，并且确定合适的坡口形式以及焊接顺序，对S31603/Q345R不锈钢复合钢进行焊接。期望可以解决常见的复合钢板焊接缺点：（1） 保证焊缝的抗腐蚀性能；（2） 保证接头的力学性能，确保过渡层焊缝不会出现裂纹和硬脆组织；（3） 选用合适的填充金属，以减少焊接过程中的碳迁移程度和稀释率。确定实验条件下的最适焊接工艺参数，使其可以对实际生产有一定的指导作用。本课题的主要是以实际生产为出发点，以焊接接头的综合性能为前提，进而考虑生产过程中能源的优化。主要研究内容为：（1） 对S31603/Q345R复合钢板的焊接工艺进行研究，以不同的焊接参数，选择适宜的焊接材料、坡口形式对复合钢板进行焊接，结合力学性能试验测试以及显微组织观测结果，确定实验条件下的最优焊接工艺参数，从而获得更好的焊接接头。（2） 对焊接接头进行拉伸、硬度的力学性能试验，比较更加适合的焊接工艺参数。（3） 分析力学性能测试的结果，对比焊接工艺参数，确定满足试验条件下的最优焊接工艺参数。第2章 S31603/Q345R复合板的试验方案2.1 试验准备（1）母材及尺寸课题采用的焊接母材为S31603/Q345R碳钢/不锈钢复合板，基层厚度3mm，复层厚度16mm。试验母材的化学成分见表2.1、2.2；母材的力学性能见表2.3、2.4。表2.1试验母材S31603的化学成分母材化学成分（质量分数）/%CSiMnPSNiCrMoS316030.031.002.000.0450.0310.0014.0016.0018.002.003.00表2.2 试验母材Q345R的化学成分母材化学成分（质量分数）/%CSiMnPSAlsQ345R0.200.551.201.600.0250.0100.020表2.3 试验母材S31603的力学性能母材非比例延伸强度RP0.2/MPa非比例延伸强度RP1.0/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A/%硬度值HBWHRBHV不小于不大于S316031802604904021795220母材拉伸试验抗拉强度Rm/(N/mm2)屈服强度Rel/(N/mm2)伸长率A/%不小于Q345R51064034521表2.4 试验母材Q345R的力学性能本文选用的S31603/Q345R复合板的基层厚度为16mm，复层厚度为3mm。根据GB/T 16957-2012复合钢板 焊接接头力学性能试验方法35，将试板尺寸定为320*260*19（mm）及试件截取位置定为如图2.1所示（单位：mm）。图2.1 试板尺寸及试件截取位置（2）填充材料本文对S31603/Q345R符合钢板焊接所选用的填充材料为焊丝KFW-309 LMOP与焊丝THY-51B。焊丝THY-51B的参数如表2.8所示，焊丝KFW-309 LMOP的参数如下所示。用途：适用于06Cr19Ni10（AISI 304）不锈钢的焊接及碳钢与不锈钢异种钢的焊接。使用特性：（1） 熔敷金属主要成分为23.5%13%Ni，含碳量低，抗腐蚀性能好；（2） 熔敷金属中含有适量铁素体，固有优越焊接性及抗裂性；（3） 作业性优异，电弧稳定，火花及飞溅极少，焊渣易清楚，焊