316L 與Q345B異種鋼的焊接工藝

湯彥斌

（四川省西核機(jī)電設(shè)備制造有限公司，四川成都610500）

0 前言

隨著現(xiàn)代焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，不銹鋼與低合金鋼的焊接結(jié)構(gòu)越來越多。以某公司的焊接閥板為例，該閥板主要由2根軸和1塊法蘭構(gòu)成，如圖1所示，其中左軸頭和右軸頭采用316L不銹鋼，閥板法蘭采用Q345B低合金鋼，由于兩種材質(zhì)之間焊接性的差異，需選用合適的焊接方法和焊接材料并合理制定焊接工藝。

1 316L不銹鋼與Q345B低合金鋼的焊接性

焊接性是說明材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性，是指在一定的焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式下，能否獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度和該焊接 接頭能否在使用條件下可靠運(yùn)行。316L不銹鋼和Q345B低合金鋼的主要化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1～表4所示。

圖1 焊接閥板結(jié)構(gòu)

1.1 316L不銹鋼

316L不銹鋼焊接時(shí)易產(chǎn)生以下問題[1]：

表1 316L不銹鋼化學(xué)成分%

表2 316L不銹鋼力學(xué)性能

表3 Q345B低合金鋼化學(xué)成分%

表4 Q345B低合金鋼力學(xué)性能

（1）應(yīng)力腐蝕開裂。

316L鋼屬于奧氏體不銹鋼，導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)焊縫在拘束狀態(tài)下，焊后接頭殘留的應(yīng)力較大。如果接頭表面與酸性介質(zhì)接觸，首先發(fā)生電化學(xué)腐蝕，經(jīng)一段時(shí)間后，表面產(chǎn)生狹長(zhǎng)的微裂紋，在裂紋端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，加之滲入裂紋內(nèi)的呼吸介質(zhì)起到鍥入作用，促使裂紋向前擴(kuò)展，從而破壞新鮮的金屬表面，繼續(xù)發(fā)生腐蝕，焊接殘余拉應(yīng)力可加速裂紋的擴(kuò)展，嚴(yán)重時(shí)可使焊接頭產(chǎn)生脆性斷裂。

（2）熱裂紋。

316L鋼的熱裂傾向較一般結(jié)構(gòu)鋼大，Cr、Ni等金屬元素含量較多，在焊縫凝固時(shí)，其中的S、P等有害雜質(zhì)易形成液態(tài)夾層和易溶夾層，聚積在熔池中心區(qū)域，在接頭拉應(yīng)力作用下開裂，冷卻后形成熱裂紋。

1.2 Q345B低合金鋼焊接性

Q345B是一種低合金鋼，含有一定量的合金元素及微合金化元素，可保證應(yīng)有的強(qiáng)度、塑性和韌性。Q345B鋼焊接熱影響區(qū)組織和性能對(duì)焊接熱輸入較敏感，也存在一定的淬硬傾向[3]。

1.3 不銹鋼與低合金鋼的焊接特點(diǎn)

由于不銹鋼與低合金鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能及物理性能的差別，焊縫容易產(chǎn)生氣孔、夾渣，焊縫及近縫區(qū)易產(chǎn)生裂紋等缺陷。焊縫中的裂紋在承受交變或沖擊載荷時(shí)迅速擴(kuò)展，最后導(dǎo)致焊接接頭斷裂。因此，焊接時(shí)必須采取有效的措施防止裂紋產(chǎn)生[4]。

表5 不銹鋼焊接及堆焊用焊絲[5]

2 焊接方法

2.1 焊接方法的選用

選擇氣體保護(hù)焊方式。目前生產(chǎn)中最常用的是CO2保護(hù)焊和鎢極氬弧焊，其焊接設(shè)備和成本較低。由于閥板的法蘭和軸是精加工后焊接，采用CO2保護(hù)焊時(shí)會(huì)產(chǎn)生飛濺，焊縫成形不夠美觀。因此采用鎢極氬弧較為合適。

鎢極氬弧焊的優(yōu)點(diǎn)是電弧穩(wěn)定，即使在很小的焊接電流下仍可穩(wěn)定燃燒；填充焊絲熔滴不通過電弧，不會(huì)產(chǎn)生飛濺，焊縫致密，表面無焊渣，成形美觀；氬氣能有效地隔絕周圍空氣，且它本身不與金屬反應(yīng)，焊接過程中電弧還能自動(dòng)清除熔池表面氧化膜，非常適合不銹鋼的焊接。

2.2 焊接材料的選用

考慮到兩種不同材質(zhì)鋼的綜合性能和焊接性能，選用不銹鋼焊絲。通過實(shí)驗(yàn)比對(duì)以及根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)中不銹鋼焊絲的特征用途可知，選用牌號(hào)為H1Cr24Ni13的焊絲焊接過程中不會(huì)產(chǎn)生合金元素的燒損、金屬飛濺和氣孔、氧化等缺陷，同時(shí)保證了焊后焊縫金屬中合金元素的含量，焊接接頭力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)及使用需要。焊絲成分如表5所示。

3 焊接工藝過程

3.1 焊前準(zhǔn)備

左右軸經(jīng)加工后按焊接要求加工焊接坡口，法蘭以斜面作焊接面，將左右軸頭裝配于法蘭兩端，在焊接專用工裝上安裝并固定。

為避免焊接時(shí)碳及雜質(zhì)的混入，焊前用丙酮擦凈焊縫兩側(cè) 20～30mm范圍；并用不銹鋼絲刷刷掉焊絲表面氧化皮后用丙酮擦凈。因鎢極氬弧焊的抗氣孔能力較弱，必須在焊前清理焊接工件。

3.2 焊接過程

焊前進(jìn)行定位焊，先用氧-乙炔將兩種鋼加熱至700～800℃，引弧時(shí)提前5～10s輸送氬氣，以排除工件焊接處的空氣。焊接參數(shù)如表6所示。

該產(chǎn)品焊接視線較好，應(yīng)盡量采用短弧，焊接時(shí)焊嘴與工件表面距離不超過10mm，焊嘴盡量垂直或與工件表面保持較大夾角，以增強(qiáng)保護(hù)效果，同時(shí)減小熱影響區(qū)寬度和防止工件變形。焊接時(shí)采用同向焊接，根據(jù)焊縫大小，焊槍除作直線運(yùn)動(dòng)外，允許作適當(dāng)?shù)臋M向擺動(dòng)。將焊絲往復(fù)地加入熔池，同時(shí)應(yīng)注意在熔池前面呈熔滴狀加入，填充焊絲需均勻，不擾亂氬氣流。焊絲頭部應(yīng)始終放在氬氣保護(hù)區(qū)內(nèi)，以免氧化。焊接達(dá)到約85%時(shí)，應(yīng)增加焊條，然后緩慢拉開，防止產(chǎn)生過深的弧坑。依照此方法焊接2～3層即可完成該產(chǎn)品的焊接。

表6 焊接參數(shù)

采用手工氬弧焊接時(shí)，因弧柱集中、電流密度大、弧溫較高、紫外線輻射比普通電弧焊強(qiáng)得多，易對(duì)人的眼睛和皮膚造成傷害，所以必須加強(qiáng)保護(hù)措施。

3.3 焊后處理

為防止軸和法蘭焊接后變形及熱應(yīng)力集中，在產(chǎn)品焊接好后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行保溫時(shí)效處理，方法為：將其埋入石英砂內(nèi)，工件四周保證砂厚150～200mm，保溫15～20 h，既能改善接頭性能，又能降低焊接應(yīng)力。

3.4 焊縫質(zhì)量檢測(cè)

每焊接一層都使用著色滲透探傷劑HG-3通用型進(jìn)行檢測(cè)，均無夾渣、裂紋等焊接缺陷。如果焊縫有焊接缺陷則用砂輪機(jī)徹底清除缺陷再補(bǔ)焊，補(bǔ)焊后再進(jìn)行檢測(cè)，直到焊縫無缺陷。

焊接后為滿足工件表面質(zhì)量，對(duì)其進(jìn)行拋光處理。處理后實(shí)物如圖2所示。

4 結(jié)論

分析316L不銹鋼和Q345B低合金鋼異種鋼的焊接性能，采用鎢極氬弧焊作為優(yōu)選焊接方法，并確定焊絲牌號(hào)為H1Cr24Ni13，制定出相應(yīng)焊接工藝，并進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，本研究提出的焊接工藝能有效防止異種鋼焊接時(shí)產(chǎn)生焊接缺陷，獲得良好的焊接效果，焊接產(chǎn)品性能完全滿足設(shè)計(jì)和實(shí)際使用要求，并提高了生產(chǎn)效率。

圖2 成品照片

參考文獻(xiàn)：

[1]趙喆敏.奧氏體不誘鋼316L焊接性能探討[J].機(jī)械管理開發(fā)，2002（增刊）：12-14.

[2]賈耀卿.常用金屬材料手冊(cè)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[3]劉徐源，樸志民，王曉虎，等.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[4]劉中青，劉凱.異種金屬焊接技術(shù)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[5]尹士科.焊接材料手冊(cè)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[6]付榮柏.焊接變形的控制與矯正[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.