不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接技術(shù)要點(diǎn)探討

張亞云

（江蘇省靖江中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 靖江 214500）

目前隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)水平在不斷進(jìn)步，尤其很多工業(yè)產(chǎn)品都得到了創(chuàng)新性發(fā)展，其中工業(yè)生產(chǎn)中新材料的研發(fā)為工業(yè)發(fā)展帶來(lái)了新的發(fā)展方向和思路，使人們的生產(chǎn)生活有了更多的選擇。其中，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中采用高強(qiáng)度、塑性好、耐腐蝕的不銹鋼成為主要的設(shè)備選擇材料之一，在焊接工藝中受到廣泛的應(yīng)用，但是由于不銹鋼的制作工藝較為復(fù)雜，采用的材料較好，導(dǎo)致其價(jià)格相比于普通鋼材而言要更貴，導(dǎo)致很多企業(yè)、工廠在選擇焊接材料的時(shí)候會(huì)采用普通碳鋼進(jìn)行代替，但是效果卻遠(yuǎn)不如不銹鋼[1]。為了能夠確保質(zhì)量不下降而價(jià)格要低于不銹鋼，就要對(duì)焊接材料進(jìn)行創(chuàng)新型應(yīng)用，將普通碳鋼和不銹鋼相結(jié)合，采用不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接技術(shù)能夠有效替代不銹鋼材料。因此，通過(guò)分析2 種鋼——普通碳鋼和不銹鋼的物理性能、化學(xué)性能，對(duì)焊接條件和焊接過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行研究，能夠更好地尋找到不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接技術(shù)，從而為異種鋼的焊接設(shè)計(jì)提供參考[2]。

1 焊接性能分析

1.1 物理性能

304L 不銹鋼絲在純奧氏體不銹鋼中屬于超低碳不銹鋼類型，該不銹鋼中含有大量的鎳等合金元素，通過(guò)與這些稀有元素相融合能夠在金屬設(shè)備表面形成一層致密的氧化薄膜，這種氧化薄膜相比于普通鋼材而言具有不易溶解性，其特點(diǎn)是更加堅(jiān)固，能夠?qū)饘僭O(shè)備材料起到有效的隔離作用，避免設(shè)備在長(zhǎng)期與空氣等接觸中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠有效提高設(shè)備的耐腐蝕性，使設(shè)備的使用壽命得到延長(zhǎng)。同時(shí)，304L 不銹鋼材機(jī)械性能、焊接性能、塑性、柔韌性及加工性能都要優(yōu)于普通的鋼材，在日常生產(chǎn)生活中304L 較為常見(jiàn)，內(nèi)部的Cr（鉻）含量基本處于18%~20%之間，能夠有效提高奧氏體穩(wěn)定性[3]。

1.2 化學(xué)性能

由表1 可知，不銹鋼和碳鋼的化學(xué)成分及其含量主要包括C（碳）、Si（硅）、Mn（錳）、P（磷）、S（硫）、Ni（鎳）和Cr。相比于普通鋼材而言，在不銹鋼中添加鉻、鎳及少量鉬（Mo）、鈦（Ti）、氮（N）等化學(xué)元素，能夠使其形成超低碳不銹鋼，從而有利于在金屬設(shè)備表面形成致密的抗氧化薄膜，避免金屬設(shè)備發(fā)生氧化反應(yīng)，有效提高設(shè)備的耐腐蝕性，同時(shí)由于添加了很多化學(xué)成分，能夠有效提高鋼材的塑性韌性[4]。

表1 不銹鋼和碳鋼的化學(xué)成分及其含量 （%）

2 不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接條件

在工業(yè)上不銹鋼與碳鋼的異種鋼是否具有焊接條件主要取決于這些鋼材內(nèi)部原子和分子的作用力，與物質(zhì)處于何種物理狀態(tài)沒(méi)有直接聯(lián)系，換言之就是當(dāng)鋼材的狀態(tài)為液態(tài)或固態(tài)時(shí)，只要相互之間原子和分子的作用力足夠大，能夠互溶，那么就能夠進(jìn)行焊接，從而形成新物質(zhì)，且具有較好的性能。另外，即使不銹鋼與碳鋼的異種鋼處于液態(tài)或固態(tài)狀態(tài)時(shí)存在液態(tài)無(wú)限互溶，固態(tài)卻有限互溶的情況也能夠進(jìn)行焊接，但是生成的新物質(zhì)性能的好壞程度要取決于2 種金屬的性能。因此，在進(jìn)行工業(yè)焊接時(shí)首先要考慮所焊接物質(zhì)的性能，在焊接時(shí)要選擇合適的材料，并采用針對(duì)性的技術(shù)，然后進(jìn)行有效焊接[5]。

不銹鋼與碳鋼的異種鋼在焊接時(shí)，就是將具有不同物理性質(zhì)的2 種材料進(jìn)行連接，2 種材料是否能夠有效焊接在一起，與材料之間分子的作用力有直接關(guān)系。在焊接時(shí)，能夠采用合金材料，這種合金材料要為金屬化合物，但是在焊接時(shí)，要注意焊接性能會(huì)受到金屬化合物脆性影響。因此，在焊接過(guò)程中，要選擇合適的金屬材料，才能使其獲得良好的焊接接頭，使其不容易產(chǎn)生形變[6]。

3 不銹鋼與碳鋼的異種鋼在焊接中遇到的問(wèn)題

由于不銹鋼和碳鋼的化學(xué)性質(zhì)存在一定的差異，在工業(yè)焊接過(guò)程中將2 種材料焊接在一起屬于異種鋼焊接，在對(duì)不銹鋼與碳鋼的異種鋼進(jìn)行焊接時(shí)，需要采用較為專業(yè)的技術(shù)，避免在焊接過(guò)程中出現(xiàn)各種問(wèn)題。例如由于不銹鋼的導(dǎo)熱性能與碳鋼相比較差，在焊接過(guò)程中從高溫直接冷卻時(shí)會(huì)出現(xiàn)更多的裂紋，因此，在焊接過(guò)程中，要注意不銹鋼與碳鋼的異種鋼在焊接中遇到的問(wèn)題。其中主要包括以下幾點(diǎn)。

3.1 熔點(diǎn)差異

由于不銹鋼和碳鋼不同，其熔點(diǎn)不通，在對(duì)2 種鋼材進(jìn)行焊接時(shí)，要注意兩者之間的熔點(diǎn)，當(dāng)熔點(diǎn)相差較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊接性能降低。例如，在焊接過(guò)程中熔點(diǎn)較低的金屬會(huì)出現(xiàn)金屬流失現(xiàn)象，出現(xiàn)金屬流失現(xiàn)象與蒸發(fā)現(xiàn)象有一定的關(guān)系，同時(shí)由于合金元素出現(xiàn)大量燒損現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接性能降低，從而產(chǎn)生出的焊接接頭不符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于碳鋼與不銹鋼的熔點(diǎn)各不相同，尤其是材質(zhì)不同的碳鋼和不銹鋼，會(huì)存在熔點(diǎn)相差較大的現(xiàn)象，當(dāng)熔點(diǎn)差距較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶體出現(xiàn)擴(kuò)散不一致的現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接性能發(fā)生較大的改變[7]。

3.2 熱導(dǎo)率和比熱容差異

在現(xiàn)代工業(yè)中，影響金屬焊接技術(shù)的因素與金屬采用的熱導(dǎo)率和比熱容差異有關(guān)，金屬的熱導(dǎo)率和比熱容對(duì)焊接技術(shù)的好壞具有重要的影響，會(huì)直接影響焊接材料熔點(diǎn)和焊縫凝固結(jié)晶的質(zhì)量好壞。在實(shí)際焊接過(guò)程中，不銹鋼熱導(dǎo)率是碳鋼的1/3，兩者之間存在較大的差異，這樣的差異會(huì)導(dǎo)致不銹鋼和碳鋼熔化時(shí)間不同步，導(dǎo)致金屬結(jié)合效果不理想，從而影響焊接過(guò)程，導(dǎo)致焊縫性能較差。同時(shí)，不銹鋼和碳鋼在進(jìn)行異種鋼金屬焊接時(shí)還受到比熱容的影響，在比熱容的影響下，會(huì)使不銹鋼和碳鋼的熔化出現(xiàn)一定的偏差。由于在焊接過(guò)程中受到熱導(dǎo)率和比熱容的影響，熱導(dǎo)率會(huì)影響不銹鋼和碳鋼在焊接過(guò)程中形成的溫度場(chǎng)，比熱容會(huì)影響不銹鋼和碳鋼焊縫結(jié)晶的形成過(guò)程；由于不銹鋼和碳鋼具有較大的導(dǎo)熱差，會(huì)導(dǎo)致熔池形成時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在結(jié)合過(guò)程中存在金屬結(jié)合不足現(xiàn)象，從而影響焊縫接頭的質(zhì)量。

3.3 線膨脹系數(shù)差異

在焊接過(guò)程中，由于不銹鋼和碳鋼線膨脹系數(shù)不一樣，導(dǎo)致2 種材料在焊接后進(jìn)行冷卻時(shí)產(chǎn)生的焊縫收縮量不同，從而導(dǎo)致不銹鋼和碳鋼的接頭處會(huì)出現(xiàn)高應(yīng)力現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接效果受到一定影響，使得焊縫處產(chǎn)生裂紋，當(dāng)線膨脹系數(shù)較大時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致焊縫與金屬出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。由于碳鋼和不銹鋼之間的線膨脹系數(shù)差異較大，使得冷卻時(shí)長(zhǎng)不一致，導(dǎo)致焊縫收縮程度不同，造成焊接接頭的應(yīng)力較為復(fù)雜，不利于接頭質(zhì)量的穩(wěn)定。

3.4 電磁性差異

在實(shí)際焊接過(guò)程中，由于不銹鋼和碳鋼具有電磁性差異，導(dǎo)致在焊接時(shí)存在各種不穩(wěn)定的現(xiàn)象，容易發(fā)生焊接電弧偏弧或者電弧燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，使得焊縫處變形。不銹鋼和碳鋼出現(xiàn)電磁性差異主要是由于碳鋼和不銹鋼鋼管、厚壁的電磁性不同，從而導(dǎo)致在焊接時(shí)出現(xiàn)電弧不穩(wěn)定現(xiàn)象，最終影響焊接質(zhì)量[8]。

3.5 形成脆性化合物

在實(shí)際焊接過(guò)程中，當(dāng)不銹鋼和碳鋼的異種鋼進(jìn)行金屬焊接時(shí)，會(huì)在焊縫處形成另一種新物種，屬于金屬間化合物，這些金屬間化合物的物理屬性較脆，因此也被稱為脆性化合物，脆性化合物的接頭處力學(xué)性能較弱，導(dǎo)致接頭和焊縫處的塑性和韌性降低。當(dāng)不銹鋼和碳鋼的異種鋼進(jìn)行金屬焊接后，即使接頭處具有較好的性能，但是在實(shí)際焊接過(guò)程中還是會(huì)生成其他一些物種，例如生成貧鉻層，這種貧鉻層具有一定的碳化物，導(dǎo)致設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)被腐蝕的情況，因此，為避免出現(xiàn)上述情況，在焊接過(guò)程中要采用低碳物質(zhì)。

4 不銹鋼與碳鋼的異種鋼的焊接工藝

4.1 選擇焊接材料

在分析不銹鋼與碳鋼的異種鋼的焊接工藝時(shí)，在對(duì)不銹鋼和碳鋼的異種鋼進(jìn)行焊接時(shí)，首先要選擇焊接材料。由于焊接處的金屬化學(xué)成分主要由填充金屬所決定，加上不銹鋼與碳鋼的異種鋼屬于不同金屬，在焊接時(shí)具有不同的焊接屬性，因此通過(guò)選擇合適的焊接材料，能夠有效改變焊縫的組織性能，使焊接接頭應(yīng)力分布得到改善，能夠有效避免出現(xiàn)碳擴(kuò)散等情況。為了避免不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接時(shí)焊縫性質(zhì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，在選擇材料時(shí)要選擇應(yīng)力相互接近的材料，在工業(yè)上主要選擇奧氏體不銹鋼焊條。為了能夠有效完善不銹鋼與碳鋼的異種鋼的焊接技術(shù)，在選擇材料時(shí)要嚴(yán)格控制不銹鋼與碳鋼的異種鋼碳鋼的碳含量，在確保其金屬性能不被改變的情況下，確保焊縫的抗裂性能不降低，使焊接成品質(zhì)量得到保障。同時(shí)，在對(duì)焊接材料進(jìn)行儲(chǔ)存時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)焊接材料的管理，在進(jìn)行焊接時(shí)要提前烘焙焊接材料，當(dāng)焊接設(shè)備較多且種類較為復(fù)雜時(shí)，要及時(shí)確定不同設(shè)備的焊接材料，避免出現(xiàn)材料混用的情況。另外，還要做好焊接材料的驗(yàn)收工作，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)焊接材料，在組裝焊接材料的時(shí)候，要對(duì)焊縫的收縮程度進(jìn)行合理把控，避免出現(xiàn)材料收縮不好的情況，影響最終的焊接效果[9]。

4.2 焊接接頭坡口

在對(duì)不銹鋼與碳鋼的異種鋼進(jìn)行焊接時(shí)，焊接接頭焊接工藝好壞直接影響整個(gè)焊接過(guò)程，其中不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接接頭坡口是考核焊接接頭工藝好壞的直接參考依據(jù)。在對(duì)不銹鋼與碳鋼的異種鋼進(jìn)行焊接時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大小不同的坡口，一般而言在焊接時(shí)厚度為4 mm 以內(nèi)不用開(kāi)坡口，直接采用焊接的方式進(jìn)行不銹鋼與碳鋼的異種鋼連接即可，當(dāng)焊接厚度介于4~6 mm 之間時(shí)，焊縫處可以直接采用雙面焊接的方式，同樣不需要開(kāi)坡口，當(dāng)焊接厚度大于6 mm 時(shí)，就可以定義為大數(shù)值，在焊接過(guò)程中要開(kāi)焊接接頭坡口，從而有效確保焊接熔合區(qū)的性能保持相對(duì)穩(wěn)定，在開(kāi)焊接接頭坡口時(shí)，一般都采用V或X 形坡口[10]。

4.3 焊接操作方法

由于不銹鋼和碳鋼物質(zhì)的含碳量較低，在焊接過(guò)程中不需要在高溫條件下進(jìn)行，常溫即可以進(jìn)行焊接，其焊接效果較好。當(dāng)焊接溫度低于5 ℃時(shí)，在焊接前需要進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)板厚大于20 mm 時(shí)在焊接前同樣需要預(yù)熱，在焊接工作完成后，要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，從而使不銹鋼與碳鋼的異種鋼在焊接時(shí)能夠完美融合在一起，形成無(wú)裂紋的焊接接頭。在現(xiàn)代工業(yè)中，對(duì)不銹鋼與碳鋼的異種鋼進(jìn)行焊接時(shí)，采用的焊接操作方法主要包括4 種形式：第一種是手工弧焊方式，第二種是熱輸入小且電流小的快速焊接方式，第三種是短弧焊方式，第四種是多層焊接方式。目前，影響不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接效果的主要因素包括材料選擇、結(jié)構(gòu)和焊接工藝，這3 個(gè)因素是影響焊接產(chǎn)生變形的直接因素。在焊接過(guò)程中，當(dāng)材料處于固定狀態(tài)時(shí)，不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接變形主要與其工藝有關(guān)，因此在對(duì)不銹鋼與碳鋼的異種鋼進(jìn)行焊接時(shí)，要根據(jù)焊接的具體情況選擇合適的工藝[11]。

4.4 焊后要檢驗(yàn)

在對(duì)不銹鋼與碳鋼的異種鋼進(jìn)行焊接后，為確保焊接穩(wěn)定，接頭符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在焊接后工作人員要進(jìn)行關(guān)于不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接的檢驗(yàn)工作，在檢驗(yàn)過(guò)程中要采用測(cè)量?jī)x器對(duì)不銹鋼與碳鋼的異種鋼的焊接外縫進(jìn)行外觀檢測(cè)，避免出現(xiàn)氣孔、裂紋、焊瘤等問(wèn)題，造成焊接不良，從而有效提高焊接材料的品質(zhì)。同時(shí)，在完成焊接工作以后，還要進(jìn)行有效熱處理，從而有效消除在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的多余的應(yīng)力，確保焊接的穩(wěn)定性。通過(guò)開(kāi)展焊后檢驗(yàn)工作，能夠有效提高產(chǎn)品的使用壽命，使焊接質(zhì)量得到保障[12]。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，不銹鋼與碳鋼的異種鋼在焊接時(shí)因?yàn)槲锢硇阅芎突瘜W(xué)性能的不同，導(dǎo)致焊接時(shí)存在一定的差異，不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接條件主要是由材料內(nèi)部原子和分子的作用力所決定。當(dāng)前不銹鋼與碳鋼的異種鋼在焊接中遇到的問(wèn)題主要包括熔點(diǎn)差異、熱導(dǎo)率和比熱容差異、線膨脹系數(shù)差異、電磁性差異及形成脆性化合物等。在探究不銹鋼與碳鋼的異種鋼的焊接工藝時(shí)要分別從焊接材料選擇、焊接接頭坡口、焊接操作方法及焊后檢驗(yàn)等方面入手。通過(guò)對(duì)不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析，能夠更好地規(guī)避各種焊接問(wèn)題，獲得良好的焊接效果，使材料的品質(zhì)得到保障。