異種鋼焊接的特點(diǎn)及工藝

孔祥明

摘 要：由于異種鋼接頭兩側(cè)的母材無(wú)論從化學(xué)成分上還是物理、化學(xué)性能上都存在著差異，因此，焊接時(shí)，要比同一種鋼自身之間的焊接要復(fù)雜得多。正確地選用焊材是焊接異種鋼的關(guān)鍵，焊接接頭的質(zhì)量和使用性能與所選用的焊材密切相關(guān)。本文通過(guò)對(duì)異種鋼焊接的特點(diǎn)及工藝的描述，以供同行業(yè)參考。

關(guān)鍵詞：異種鋼 焊接 特點(diǎn) 工藝

一 、異種鋼焊接概述及其焊接特點(diǎn)

1.異種鋼焊接概述

兩種牌號(hào)不同的鋼之間的焊接稱之為異種鋼焊接，它是屬于異種金屬焊接中應(yīng)用最為廣泛的一類接頭。對(duì)于異種鋼焊接接頭又可分為兩種情況，第一類為同類異種鋼組成的接頭，這類接頭的兩側(cè)母材雖然化學(xué)成分不同，但都屬于鐵素體類鋼或都屬于奧氏體類鋼；第二類接頭為異類異種鋼組成，即接頭兩側(cè)的母材不屬于同一類鋼，例如一側(cè)為鐵素體類鋼，另一側(cè)為奧氏體類鋼（如奧氏體不銹鋼）。對(duì)于母材都屬于鐵素體類鋼，其焊縫采用奧氏體不銹鋼焊條或鎳基焊條焊接的接頭，也屬于第二類接頭。

2.焊接特點(diǎn)

2.1預(yù)熱、緩冷、焊后熱處理，特別是針對(duì)中厚板、拘束力較大的焊接，采用一定溫度的預(yù)熱、緩冷以及焊后消應(yīng)力熱處理的措施，可以有效地減小焊接應(yīng)力，降低冷裂傾向。

2.2焊縫金屬化學(xué)成分的不均勻，熔焊時(shí)，焊縫是由局部熔化的母材和熔化的焊條金屬形成，不同的坡口型式和焊接參數(shù)，熔合比也不同，為確保焊縫金屬成分的穩(wěn)定性，防止焊縫因熔合比過(guò)大在熔合區(qū)產(chǎn)生馬氏體組織，因此在焊接時(shí)要控制焊接參數(shù)等，減小熔合比的影響。

2.3熔合區(qū)碳的遷移，異種鋼焊接在焊后熱處理后往往會(huì)在低合金鋼側(cè)母材上形成脫碳層，高合金鋼側(cè)形成增碳層，導(dǎo)致熔合區(qū)接頭的塑性下降，硬度增加，可能在熔合區(qū)產(chǎn)生破壞，所以在異種鋼焊接時(shí)，采用隔離層堆焊，防止碳遷移現(xiàn)象。

2.4熔合區(qū)應(yīng)力的形成，由于異種鋼焊接兩種金屬的線膨脹系數(shù)不一樣，焊接時(shí)可產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力即使通過(guò)消應(yīng)力熱處理也無(wú)法消除，而熔合區(qū)這個(gè)薄弱地帶往往受到這個(gè)應(yīng)力的影響，極易在此附近造成焊接接頭的破壞，所以我們要控制這種異種鋼的焊接接頭，可采用隔離層堆焊后用同種鋼焊條焊接則接頭的性能可大為改善。

二 、異種鋼焊接工藝要點(diǎn)

1.焊材選擇

正確地選用焊材是焊接異種鋼的關(guān)鍵，焊接接頭的質(zhì)量和使用性能與所選用的焊材密切相關(guān)。異種鋼接頭的焊縫和熔合區(qū)，由于合金元素被稀釋及碳的遷移等原因存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)中不但化學(xué)成分、金相組織不均勻，而且物理性能、力學(xué)性能等通常也有很大差異，可能會(huì)引起焊接缺陷（如裂紋等）或嚴(yán)重降低性能。為此必須按照母材的成分、性能、接頭形式和使用要求等來(lái)正確選用焊材。其焊材選用的基本原則有以下幾點(diǎn)：

1.1在焊接接頭不產(chǎn)生裂紋等缺陷的前提下，若焊縫金屬的強(qiáng)度和塑性不能兼顧時(shí)，則應(yīng)選用塑性和韌性較好的焊材。

1.2焊縫金屬性能只需要符合兩種母材中的一種，即可認(rèn)為滿足使用技術(shù)要求。一般情況下，選用焊材使焊縫金屬的力學(xué)性能及其他性能不低于母材中性能較低一側(cè)的指標(biāo)，即認(rèn)為滿足了技術(shù)要求。但在某些情況下還應(yīng)從焊接工藝性能（如抗裂性等）方面來(lái)考慮。

1.3結(jié)構(gòu)鋼的異種鋼號(hào)焊接時(shí)，對(duì)相同強(qiáng)度等級(jí)的結(jié)構(gòu)鋼焊條，一般應(yīng)選用抗裂性能好的低氫焊條。對(duì)于金相組織差別比較大的異種鋼接頭，如珠光體-奧氏體異種鋼接頭，則必須充分考慮填充金屬受到稀釋后焊接接頭性能仍然得到保障。

1.4在滿足性能要求的條件下，選用工藝性能好、價(jià)低、易得的焊材。

1.5對(duì)于異類異種鋼接頭，一般均選用高鉻鎳奧氏體不銹鋼焊條或鎳基合金焊條。對(duì)于工作條件苛刻的重要接頭，首推選用鎳基合金焊條，因?yàn)殡m然它價(jià)格較貴，但可以減少或避免碳遷移，且其焊縫金屬的線膨脹系數(shù)介于鐵素體鋼和奧氏體鋼之間，對(duì)接頭的組織及力學(xué)性能都有好處。

2.焊接預(yù)熱要求

預(yù)熱溫度的確定，一般按預(yù)熱要求高的一側(cè)來(lái)確定焊接預(yù)熱溫度，但對(duì)于異類異種鋼接頭，可以適當(dāng)降低預(yù)熱溫度，必要時(shí)經(jīng)試驗(yàn)后確定。

3.焊接規(guī)范的確定

對(duì)于異類異種鋼接頭，在選擇焊接規(guī)范時(shí)，因設(shè)法降低熔合比。為此，應(yīng)選擇小直徑焊條或焊絲，盡量選用小電流快速焊。

4.采用預(yù)堆邊焊的方法進(jìn)行焊接

有時(shí)為了解決異種鋼接頭預(yù)熱和焊后熱處理難的問(wèn)題，往往采用預(yù)堆邊焊的方法進(jìn)行焊接。其工藝順序?yàn)椋涸谛枰獰崽幚淼囊粋?cè)母材坡口先預(yù)堆邊焊1～2層與焊縫同種鋼的焊條→此側(cè)進(jìn)行PWHT→冷態(tài)焊接整個(gè)焊縫，然后接頭不再進(jìn)行PWHT。這種做法，可減少熔合區(qū)成分不均勻所帶來(lái)的一些問(wèn)題，也給接頭的熱處理帶來(lái)方便，但切記此時(shí)預(yù)堆邊焊層的厚度一定要保證大于或等于4mm，以起到隔離層的作用。

5.焊后熱處理溫度的確定

一般是按照熱處理溫度要求高的一側(cè)母材來(lái)選定異種鋼接頭的PWHT溫度，此時(shí)一定要事先做焊接工藝評(píng)定，以防使強(qiáng)度低的一側(cè)母材強(qiáng)度嚴(yán)重下降，出現(xiàn)強(qiáng)度不合格。

三、復(fù)合鋼板的焊接

復(fù)合鋼板是由不銹鋼、鎳基合金、銅基合金或鈦板為復(fù)層，珠光體鋼為基層，以爆炸焊、復(fù)合軋制、堆焊等方法制成的雙金屬板材。復(fù)合鋼板的基層應(yīng)滿足接頭強(qiáng)度和剛度的要求，復(fù)層應(yīng)滿足耐蝕等要求。為了保證復(fù)合鋼板不失去原有的綜合性能，對(duì)基層和復(fù)層必須分別進(jìn)行焊接，其焊接性、焊材選擇、焊接工藝等由基層、復(fù)層材料決定?；鶎雍蛷?fù)層交界處的焊接屬異種鋼焊接，其焊接性主要取決于基層和復(fù)層的物理性能、化學(xué)成分、接頭形式、填充金屬成分。凡是異種鋼焊接存在的問(wèn)題在復(fù)合鋼板焊接時(shí)同樣存在，為此本節(jié)只闡述復(fù)合鋼板焊接時(shí)應(yīng)注意的一些問(wèn)題。目前應(yīng)用較多的是奧氏體不銹鋼為復(fù)層、珠光體為基層的復(fù)合鋼板，其次是鐵素體鋼為復(fù)層、珠光體為基層的復(fù)合鋼板。

1.焊接方法

根據(jù)復(fù)合鋼板材質(zhì)、接頭厚度、坡口尺寸及施焊條件等確定焊接方法，通常有焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊、CO2氣體保護(hù)焊及等離子弧焊等。目前常用鎢極氬弧焊或焊條電弧焊焊接復(fù)層，用埋弧焊或焊條電弧焊焊接基層。

2.坡口形式

對(duì)接接頭坡口形式可采用V形、X形、V和U聯(lián)合形坡口。也可以在接頭背面一小段距離內(nèi)進(jìn)行機(jī)械加工，去掉復(fù)層金屬，以確保焊基層焊道時(shí)不使基層焊肉焊到復(fù)層上。一般盡可能采用X形坡口雙面焊，先焊基層，再焊過(guò)渡層，最后焊復(fù)層。以保證焊接接頭具有較好的耐腐蝕性。同時(shí)考慮過(guò)渡層的焊接特點(diǎn)，盡量減少?gòu)?fù)層一側(cè)的焊接工作量。角接接頭坡口形式是無(wú)論復(fù)層位于內(nèi)側(cè)或外側(cè)，均先焊接基層。復(fù)層位于內(nèi)側(cè)時(shí)，在焊復(fù)層以前應(yīng)從內(nèi)側(cè)對(duì)基層焊根進(jìn)行清根。復(fù)層位于外側(cè)時(shí)，應(yīng)對(duì)基層最后焊道進(jìn)行修磨光。焊復(fù)層時(shí)，先焊過(guò)渡層，再焊復(fù)層。當(dāng)復(fù)層金屬的熔化溫度高于基層鋼的熔化溫度，而且兩種金屬在冶金上不相容時(shí)，復(fù)層金屬必須采用襯墊以保持復(fù)層的完整性。在基層焊完后，用角焊縫將襯墊與復(fù)層焊接起來(lái)。

3.填充金屬選擇

基層采用適宜的填充金屬進(jìn)行焊接，使接頭具有預(yù)期使用所需要的力學(xué)性能。在大多數(shù)情況下，選用合適的中間填充金屬作為鋼的過(guò)渡層，從而控制復(fù)層金屬最終焊道的含鐵量，避免復(fù)層和基層處焊道產(chǎn)生脆化、裂紋等，保證復(fù)層焊道的耐蝕、耐磨等特殊性能。

4.焊接順序及焊材選用

4.1通常先焊基層，第一道基層（碳鋼、低合金鋼）焊縫不應(yīng)熔透到復(fù)層金屬，以防焊縫金屬發(fā)生脆化或產(chǎn)生裂紋。措施是采用合適的接頭設(shè)計(jì)，限制鋼焊縫金屬熔透；從接頭背面去除復(fù)層，這當(dāng)然也增加了焊復(fù)層的工作量，提高了焊接成本。

4.2焊（堆焊）復(fù)層一側(cè)時(shí)，必須考慮稀釋的影響。無(wú)論哪一種堆焊方法，第一層堆焊的焊縫金屬都是由堆焊材料的熔敷金屬和熔入的母材金屬熔合而成的。由于母材的合金元素含量很低，所以它對(duì)第一層焊縫金屬的合金成分具有稀釋作用。因此，可能使焊縫金屬中奧氏體和鐵素體形成元素含量不足，結(jié)果堆焊金屬可能出現(xiàn)大量的馬氏體組織，并可能產(chǎn)生裂紋，同時(shí)導(dǎo)致堆焊層韌性降低。

4.3根部可用碳弧氣刨、鏟削或磨削法進(jìn)行清根。在堆焊過(guò)渡層前，必須清除清根坡口中的任何殘余物。

4.4要焊后熱處理以消除焊接殘余應(yīng)力，選擇熱處理溫度時(shí)應(yīng)考慮：基層和復(fù)層的熱處理規(guī)范的差異；對(duì)復(fù)層耐蝕性的影響；基層和復(fù)層界面的元素?cái)U(kuò)散是否會(huì)產(chǎn)生脆性相，導(dǎo)致鋼板性能惡化；由于基層和復(fù)層的物理性能差異，熱處理冷卻過(guò)程產(chǎn)生殘余應(yīng)力，沿厚度方向在復(fù)層上形成拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致復(fù)層產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等。

參考文獻(xiàn)

[1]周振豐主編.焊接冶金學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]上海材料研究所.機(jī)械工業(yè)常用材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)（第一冊(cè)）

[3]國(guó)家機(jī)械工業(yè)局/國(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)局.鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定JB/T4708-2000.

[4]劉政軍.徐德昆等主編.不銹鋼焊接及質(zhì)量控制.化學(xué)工業(yè)出版社.