異種鋼焊接性的研究現(xiàn)狀和進展

唐豪

摘 要：站在焊縫金屬、熔合區(qū)組織特征以及斷口形態(tài)等角度上，針對國內(nèi)外異種鋼焊接性研究進展展開分析，希望可以在今后相關(guān)的工作人員對這個問題進行分析的時候起到一定程度的借鑒性作用，最終在我國社會經(jīng)濟發(fā)展進程向前推進的過程中做出一定的貢獻。

關(guān)鍵詞：異種鋼；焊接性；研究現(xiàn)狀；進展；分析

1 前言

現(xiàn)階段我國社會經(jīng)濟發(fā)展進程向前推進的速度較為穩(wěn)定，與此同時我國所處的時代是一個知識經(jīng)濟時代，各項科學技術(shù)發(fā)展和應用的速度都得到了大幅度的提升，各種類型的材料及設(shè)備出現(xiàn)的速度大幅度提升，創(chuàng)新型材料以及工藝措施得到的應用日漸廣泛起來，因此也就會對各種類型工程機械構(gòu)件的性能提出更高的要求，在硬度、耐磨性以及低溫韌性等領(lǐng)域當中提出的要求比較高，某些情況之下，任意一種單一的金屬材料都難以將實際應用需求滿足，即便是某種單一的金屬顯得較為理想，也因為珍惜或者貴重，難以在工程項目當中得到較為廣泛的應用。在此情況之下，應用各種類型焊接措施制造出來的異種鋼結(jié)構(gòu)零部件在我國社會各個領(lǐng)域當中得到較為廣泛的應用，它不單單可以讓各種類型材料本身的性能得到充分的應用，以便于可以讓我國范圍之內(nèi)各個地區(qū)投入建設(shè)的工程項目提出的實際要求得到滿足，也可以讓工程項目成本得到有效的控制，最終可以讓施工單位在實際工作的過程中獲得更多的經(jīng)濟效益。

2 異種鋼實際應用情況研究分析

異種材料在工程機械、交通運輸與以及電站鍋爐等領(lǐng)域當中得到的應用極為廣泛。這種構(gòu)件的強度水平和使用壽命和焊接接頭的性能及工藝措施之間有著較為密切的相互關(guān)系。尤其是組織、成分和性能等和母材差異性較強的過渡性區(qū)域當中的組織和性能。比方說，我國內(nèi)外各項調(diào)查工作進行的過程中，超高壓和亞臨界電站鍋爐當中出現(xiàn)的爆管事故大多是異種鋼焊接接頭位置上的問題引發(fā)的，這種問題不單單會對電廠的實際生產(chǎn)造成一定程度的影響，也會引發(fā)一定的經(jīng)濟損失問題，甚至在某些情況之下也會對工作人員的人身安全造成一定程度的負面影響。在煉油設(shè)備鉑重整裝置的高溫臨氫系統(tǒng)當中應用到的異種鋼哈街管線和加強裂化反應裝置的異種材料熔覆界面當中，學術(shù)領(lǐng)域當中的研究人員發(fā)現(xiàn)，當在高溫高壓氫環(huán)境當中運作一段時間之后，焊接熔合區(qū)域當中出現(xiàn)剝離裂紋的幾率比較高，因此想要對構(gòu)件的使用壽命做出保證，自然會顯得較為困難，從而也就會在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域當中帶來一定的經(jīng)濟損失問題。在以往幾十年的研究和發(fā)展當中，國內(nèi)外學術(shù)領(lǐng)域的研究人員在異種鋼焊接性領(lǐng)域當中積累下來了較為豐富的理論知識和實踐經(jīng)驗。

3 異種鋼焊接領(lǐng)域當中存在的問題

異種鋼焊接接頭指代的是主要是奧氏體鋼材或者鐵素體鋼材之間相互連接形式，這種焊接在某些情況之下是不可避免的，有些情況之下是出于經(jīng)濟性和便捷性的考慮，但是在上文中提及到的焊接工作進行的過程中，仍然存在一定的問題，因此在推廣的過程中起到了一定程度的阻礙性作用。

在室溫環(huán)境之下，異種鋼焊接接頭區(qū)域力學性能往往都要比焊接母材的各項性能強，但是在高溫之下或者高溫環(huán)境之下長期運行之后，接頭區(qū)域性能水平就會顯得比母材低。；在奧氏體焊縫和珠光體鋼母材當中存在一個馬氏體熔合區(qū)域，這個區(qū)域的韌性水平顯得較為低下，是一個硬度比較高的脆性層，也會引發(fā)構(gòu)件失效破壞問題的薄弱區(qū)域，它的處在會讓焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性難以得到有效的保證；焊后熱處理或者是在高溫環(huán)境之下運行的過程中，會在焊接邊界的兩側(cè)之上各自產(chǎn)生一個富碳區(qū)域和一個貧碳區(qū)域，這也是裂紋出現(xiàn)的主要原因之一；構(gòu)件的失效破壞和正常使用時間、溫度以及應力等因素之間有一定的相互關(guān)系；焊后熱處理措施施行的過程中是難以將焊接接頭位置上的殘余性應力分布問題有效的解決掉的。

預熱：針對低合金結(jié)構(gòu)鋼進行焊接的時候，焊接工作正式開展之前為了可以對接頭冷裂紋問題出現(xiàn)的幾率形成有效地控制，應當讓接頭組織性能得到有效的改善，并施行一定降低焊接應力的工藝措施。焊接之前的預熱有利于：讓焊接流程的熱循環(huán)得到轉(zhuǎn)變，讓焊接接頭各個區(qū)域高溫轉(zhuǎn)變和低溫轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間當中的冷卻速度大幅度降低，在此基礎(chǔ)上對淬硬組織出現(xiàn)的幾率形成有效地控制；降低焊接區(qū)域的溫度梯度，除此之外也可以讓焊接接頭的內(nèi)應力有效地降低，使其的分布變得較為均勻。逐步提升焊接區(qū)域當中溫度場的范圍，將焊接接頭始終放置在較為寬泛的區(qū)域當中，也可以對焊接應力造成的負面影響形成有效地控制。逐步提升焊接區(qū)域在100攝氏度的停留時間，因此可以讓氫有效地從焊縫金屬當中析出。預熱溫度也會變得較為明確，在鋼材碳當量、板材厚度以及約束性體會是呢過的基礎(chǔ)上，預熱溫度也會有一定的提升，但是在環(huán)境溫度提升的情況下，預熱溫度卻會降低。

4 異種鋼焊接性問題研究進展

4.1 熔合區(qū)組織變化特性

在焊縫金屬和熱影響區(qū)域（HAZ）之間存在一定過渡性區(qū)域，稱之為熔合區(qū)。這一個區(qū)域較為狹窄，假如說使用常規(guī)性的光學金相腐蝕方法觀察的話，僅僅可以看到一個近似于直線的形狀，因此也會被稱之為融合線，但是應用現(xiàn)代化的電子顯微鏡在更高的倍數(shù)之下觀察的話，可以將其稱之為是熔合區(qū)。Savage等研究人員將熔合區(qū)定位了“不完全和混合區(qū)”與“部分熔化區(qū)”兩個部分，之間是由焊接邊界劃分開來的。潘春旭等人使用透射電鏡技術(shù)措施的最新研究成果，在更高的放大倍數(shù)和分辨率之下，針對融合區(qū)進行觀察，發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)當中的組變化十分復雜，是由單相奧氏體區(qū)、奧氏體+馬氏體區(qū)以及類馬氏體區(qū)域等結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。

一般情況下認為“不完全混合區(qū)”是由馬氏體或者類馬氏體組織構(gòu)成的，類馬氏體組織當中是細小板馬氏體、孿晶馬氏體以及碳化物等構(gòu)成的一個混合性組織，它的產(chǎn)生原理如下文所示：從焊接金屬到母材的HAZ之間，在Cr和NI含量逐漸減少的情況之下，馬氏體的溫度逐漸開始提升，在Cr和Ni的含量降低到一定水平之后，尤其是在降低到5%一下之后，就會出現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變，構(gòu)成一個馬氏體層。“部分融化去”指代的是靠近焊接池附近的HAZ因為受到高溫的影響而出現(xiàn)部分熔化的區(qū)域。潘春旭等人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)“部分熔合區(qū)”的寬度和形態(tài)和母材當中的碳含量之間有一定的相互關(guān)系，在母材當中碳含量提升的情況之下，呈現(xiàn)出來“鋸齒狀”的“部分融化區(qū)”的寬度會得到一定踹你的鈷的提升，這其實是因為母材的局部熔化區(qū)特征和碳含量、冷卻速度以及合金元素的偏析等問題之間有一定的相互關(guān)系。

以往異種鋼結(jié)構(gòu)顯微組織研究工作使用到的方法大多情況之下是光學金相法，但是因為會受到腐蝕劑與光學顯微鏡放大倍數(shù)等因素的影響，因此，針對熔合區(qū)展開的研究并不是十分深入，在某些情況之下想要將熔合區(qū)顯微組織腐蝕出來較為困難，那么很多以熔合區(qū)作為基礎(chǔ)的斷裂機理想要完全解釋出來顯得較為困難。潘春旭等研究人員在實際工作的過程中解決了樣品制備領(lǐng)域當中的問題，針對熔合區(qū)顯微組織變化特征展開更為深入的研究分析，不單單可以直接將熔合區(qū)當中的連續(xù)性組織變化規(guī)律觀察到，與此同時也可以觀察到組織成分突變的焊接邊界。焊接邊界的形態(tài)可以劃分為奧氏體/馬氏體邊界和類馬氏體/鐵素體或者類珠光體邊界。它們有可能同時存在于一個熔合區(qū)當中，也有可能僅僅存在一種，存在形式和熔敷金屬及母材化學成分之間有一定的相互關(guān)系。

4.2 焊接接頭位置的斷口形態(tài)研究

針對異種鋼焊接接頭位置上的沖擊斷口形態(tài)進行分析，可以對接頭各個特征區(qū)域當中的力學性能和脆性-韌性轉(zhuǎn)變做出評價，依據(jù)各種類型的標準制備出來的沖擊斷口樣品當中想要直接將狹窄的熔合區(qū)斷口形態(tài)觀察出來顯得較為困難，尤其是難以從焊縫、熔合區(qū)以及熱影響等層面上對母材的斷口形態(tài)斤西瓜直觀的研究分析，當缺口在熔合區(qū)當中的時候，沖擊斷口往往是沿著熔合區(qū)剝離下來的，因此想要得到連續(xù)的斷口形態(tài)顯得較為困難。除此之外，沖擊數(shù)值也會顯得較為分散，在上文中提及到的這種情況之下，一些研究人員需要使用到熱模擬措施來制備出來大塊樣品，以便于可以在斷裂研究工作進行的過程中起到一定程度的促進性作用。

現(xiàn)階段各項研究工作進行的過程中使用到了創(chuàng)新型的樣品制備措施，直接將熔合區(qū)在內(nèi)的連續(xù)斷口形態(tài)變化特征觀察到，并且也可以將金相組織和斷口形態(tài)之間的對比觀察工作妥善的完成，觀察發(fā)現(xiàn)淺韌窩和小解理面的混合區(qū)構(gòu)成熔合區(qū)，HAZ當中也有二次裂紋問題，是純粹的解理斷裂。在室溫或者低溫環(huán)境之下接頭之上韌性最為低下的并不是熔合區(qū)，而是HAZ當中的粗晶區(qū)域。但是在焊后熱處理或者高溫環(huán)境之下運行之后，在焊接融合區(qū)域當中的焊接邊界之上逐步出現(xiàn)剝離開裂裂紋問題，這就說明了熔合區(qū)在焊后熱處理之后演變?yōu)樾阅茏顬榈拖碌膮^(qū)域。

參考文獻：

[1] 夏純陽，虞鋼，何秀麗，李少霞，寧偉健，苗海賓.純鎳與304不銹鋼激光異種焊接的工藝及其接頭的組織性能[J].材料熱處理學報，2017（7）：87～92.

[2] 何琨，汪家梅，張樂福. 321-52M-690異種金屬焊接接頭的應力腐蝕開裂行為研究[J].原子能科學技術(shù)，2017（7）：1279～1285.

[3] 祝要民，李青哲，邱然鋒，賀玉剛.鈦/鋼異種金屬焊接的研究現(xiàn)狀[J].電焊機，2016（11）：78～82+106.

[4] 熊進輝，吳敏華，安飛鵬，高福洋，耿永亮，李士凱. 鈦/鋼異種金屬電子束焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].熱加工工藝，2016（17）：13～15+17.

[5] 高祿，栗卓新，李國棟，李紅. 銅-鋼異種金屬焊接的研究現(xiàn)狀和進展[J].焊接，2006（12）：16～19.