不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接技術(shù)研究

楊釗，但龍，馬君

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)也在不斷改進，很多企業(yè)開始采用不銹鋼作為設(shè)備材料，不銹鋼在工業(yè)用途中也越來越廣，主要應(yīng)用在一些需要防腐，防銹設(shè)備的主要材料構(gòu)件上。但是，社會中不銹鋼的價格比較高，比普通碳鋼的價格高出很多，這就對企業(yè)的成本造成一定影響，所以很多企業(yè)從設(shè)備需要和經(jīng)濟性發(fā)展角度考慮，通常采用工業(yè)方法，就是將不銹鋼和碳鋼兩種鋼進行異種鋼接頭焊接。因此，研究和分析不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接技術(shù)成為企業(yè)和研究者的重點工作[1]。

表1 不銹鋼碳鋼化學(xué)性分析

1 焊接性能分析

（1）物理性能。304L不銹鋼絲屬于純奧氏體不銹鋼中的一種超低碳不銹鋼，內(nèi)部含有成分較多的鎳等合金元素，也就是通過這些稀有元素在金屬設(shè)備表面形成一種氧化薄膜，這種膜具有不易溶解，堅固的特質(zhì)，這樣就可以將金屬設(shè)備與外界進行隔離，有效防止發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，保障設(shè)備自身耐用性，提高耐腐蝕性，抗氧化性。同時增加機械性能，焊接性能，塑性，柔韌性和加工性能。生活中常見到的304L就是采用這種技術(shù)，其中Cr含量在18-20%之間，合理控制好Cr含量可以增加鋼的奧氏體穩(wěn)定性。工業(yè)中碳鋼基本上碳素結(jié)構(gòu)鋼，物質(zhì)內(nèi)含碳量不高，具備加工性能，可焊接性能。

（2）化學(xué)性能。不銹鋼和碳鋼的化學(xué)成分如下。

2 不同材料焊接條件

工業(yè)上兩種材料是否具有焊接性，能夠直接焊接起來，是由材料內(nèi)部原子和分子間的作用力決定，與物質(zhì)處于何種物理狀態(tài)關(guān)系不大。當(dāng)兩種物質(zhì)是液態(tài)和固態(tài)時，并且相互之間無限互溶，這種金屬間就可以進行焊接，并且形成新物質(zhì)性能良好；當(dāng)兩種物質(zhì)是液態(tài)和固態(tài)，但是液態(tài)無限互溶，固態(tài)卻有限互溶，這種性質(zhì)下金屬可以進行焊接，但是形成新物質(zhì)性能好壞與兩種金屬過渡狀態(tài)性能有關(guān)；金屬化學(xué)物和間隙化合物兩種合金要進行焊接時，在焊接接頭處新物質(zhì)性能受到化合物脆性影響；但是，當(dāng)兩種金屬是完全不相溶的狀態(tài)時，進行焊接就不會成功，因此，工業(yè)上采用焊接手段首先要考察物質(zhì)的性能，選擇合適的材料，采用有效加工技術(shù)，大部分工業(yè)設(shè)備材料中，都是可以進行焊接的[2]。

3 焊接中遇到的問題

不銹鋼和碳鋼在化學(xué)性質(zhì)上差異較大，在工業(yè)中將兩種材料進行焊接技術(shù)就屬于異種鋼焊接，需要采用專業(yè)的工業(yè)技術(shù)措施。不銹鋼的導(dǎo)熱性能行比較碳鋼較差，當(dāng)從高溫直接冷卻至常溫狀態(tài)時就會產(chǎn)生冷裂紋現(xiàn)象，這種對新物質(zhì)性能影響不好，同時因為熱循環(huán)的作用，不銹鋼出現(xiàn)過熱傾向，晶粒容易粗化，很可能出現(xiàn)鐵素體和碳化物組織，一旦冷卻就會產(chǎn)生脆化結(jié)果。企業(yè)在進行焊接時，首先確認有焊接可能性，尤其是熔焊條件時，要確保有一個可用的焊接接頭，當(dāng)然在實際應(yīng)用中還會遇見很多其他問題。

（1）熔點差異。不銹鋼和碳鋼材料熔點不一樣，當(dāng)焊接過程中，兩種金屬熔點相差較大時，就可能出現(xiàn)焊接性能降低，熔點較低的金屬會產(chǎn)生金屬流失，還有可能是蒸發(fā)和合金元素的大量燒損，這樣就會產(chǎn)生很多實際操作問題。這種問題需要做好控制和預(yù)防，不然產(chǎn)生的最終的結(jié)果是不符合條件的焊接接頭[3]。

（2）熱導(dǎo)率和比熱容差異。金屬的熱導(dǎo)率和比熱容是現(xiàn)代工業(yè)中影響焊接技術(shù)重要因素，對被焊接材料的熔化和焊縫的凝固結(jié)晶。不銹鋼熱導(dǎo)率數(shù)值大約是碳鋼的三分之一，明顯差異相差很大，這樣的差異就會導(dǎo)致兩種金屬物質(zhì)熔化時間不同步，金屬結(jié)合效果也不太好，工業(yè)生產(chǎn)中就會影響焊接過程，最終焊縫性能不良。

（3）線膨脹系數(shù)差異。不銹鋼和碳鋼線膨脹系數(shù)是不一樣的，這種不同性能就會在焊接連接后促使兩種金屬冷卻后產(chǎn)生不同反應(yīng)焊縫收縮量不同，接頭處就會出現(xiàn)高應(yīng)力狀態(tài)，這種狀態(tài)對焊接有不好的作用，最終促使焊縫處或者熱影響區(qū)域產(chǎn)生裂紋，甚至導(dǎo)致焊縫與金屬剝離現(xiàn)象。

（4）電磁性差異。兩種金屬的電磁性差異不同，就有可能導(dǎo)致焊接連接時出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，不銹鋼和碳鋼的電磁性就存在很大差異，容易造成焊接電弧偏弧或者電弧燃燒不穩(wěn)定結(jié)果，這樣就會出現(xiàn)焊縫處變形變壞的最差結(jié)果[4]。

（5）形成脆性化合物?；瘜W(xué)工業(yè)中，金屬進行焊接后在焊縫處形成新物質(zhì)，成為金屬間化合物，這些物質(zhì)有些物理屬性較脆，就可能對接頭處力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響，甚至?xí)档秃缚p處塑性和韌性。

有些金屬焊接后，接頭處性能良好，但是容易生成其他物質(zhì)，比如在熱影響區(qū)的晶界上形成一種貧鉻層，這種物質(zhì)含有碳化物，一旦產(chǎn)生，就會導(dǎo)致在使用過程中設(shè)備之間產(chǎn)生晶間腐蝕效果，企業(yè)生產(chǎn)中，為了避免產(chǎn)生一系列問題，就會采用低碳物質(zhì)進行焊接。

4 焊接工藝措施

不銹鋼和碳鋼物質(zhì)內(nèi)含碳量比較低，不需要進行加熱條件，常溫就可以焊接，當(dāng)焊接環(huán)境溫度低于5度時，需要進行預(yù)熱處理。同時板厚大于20毫米時，結(jié)構(gòu)綱度就比較大，那就需要先進行預(yù)熱，在焊接完成后最后進行消除應(yīng)力熱處理。企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)中需要獲取無裂紋的焊接接頭，就需要避免兩種焊接金屬差異性，確保不銹鋼不出現(xiàn)稀釋現(xiàn)象。

（1）選擇焊接材料。不銹鋼和碳鋼進行焊接，焊接處金屬化學(xué)成分是由填充金屬決定，兩種不同金屬具有不同焊接屬性，從調(diào)整焊縫和溶合區(qū)組織性能，改變焊接接頭應(yīng)力分布狀況，抑制熔和區(qū)中碳擴散等方面進行研究，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)使用性能最終目標(biāo)結(jié)構(gòu)，幫助焊縫金屬的成分應(yīng)力接近其中一種金屬成分，一般工業(yè)中都是選擇奧氏體不銹鋼焊條A307。

（2）焊接接頭坡口。焊接接頭處會出現(xiàn)不同大小坡口，4毫米厚度不用開坡口，采取直接焊接方式進行，4-6毫米厚度，焊縫處直接進行雙面焊接，不需要開坡口，6毫米以上就屬于大數(shù)值，進行開坡口就需要確保焊接熔和區(qū)的性能，一般都是開V或者X形坡口[5]。

（3）焊接操作方法。工業(yè)中采用的焊接操作方法，總體上可以分為，一是采用手工弧焊方式，二是選擇比較小的熱輸入，小的焊接電流，采取比較快的焊接速度，電流和速度要控制在合理范圍，不引起工業(yè)失誤，三是采用短弧焊，焊接時電弧要偏向碳鋼材料方向，保障兩側(cè)金屬材料受熱均勻一致，確保兩邊受熱一致，不出現(xiàn)問題，四是設(shè)備需要進行多層焊接時，要先確保前一層焊縫溫度冷卻至200-300度，然后在進行下一道焊縫處理。

（4）焊后要檢驗。工作人員進行焊接工作的最后一道程序是焊接后的檢驗工作，具體是指，在焊接工作完成后，對不銹鋼和碳鋼進行檢驗，這也是焊接技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。檢驗主要是通過測量儀器對焊接外縫進行外觀檢測是否存有氣孔，裂紋，焊瘤，咬邊等不良效果，確保材料的焊接質(zhì)量。這是非常重要焊接環(huán)節(jié)，可以有效發(fā)現(xiàn)焊接中出現(xiàn)問題，及時處理，提高焊接技術(shù)結(jié)果，提升設(shè)備有效率，企業(yè)要引起重視，提高生產(chǎn)設(shè)備合格率。

5 結(jié)束語

工業(yè)上進行不銹鋼和碳鋼異種金屬焊接，需要采取合適的焊接技巧，規(guī)避焊接過程中可能遇到的各種問題，采取精細的工藝措施，同時焊接前要選取合適的焊接材料，焊接過程中要控制合適大額焊接預(yù)熱溫度，焊接電流和焊接速度，合理控制焊接工藝參數(shù)，最后進行焊后檢驗，確保獲得良好的焊接效果。工業(yè)在焊接過程中采取科學(xué)，合理的焊接工藝，控制可能出現(xiàn)的問題，就可以做好問題預(yù)防，不產(chǎn)生裂紋，取得良好的焊接接頭成果。