不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接技術研究

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）

現代工業技術也在不斷改進，很多企業開始采用不銹鋼作為設備材料，不銹鋼在工業用途中也越來越廣，主要應用在一些需要防腐，防銹設備的主要材料構件上。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，這就對企業的成本造成一定影響，所以很多企業從設備需要和經濟性發展角度考慮，通常采用工業方法，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成為企業和研究者的重點工作[1]。

表1 不銹鋼碳鋼化學性分析

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，這樣就可以將金屬設備與外界進行隔離，有效防止發生化學反應，保障設備自身耐用性，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，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定性。工業中碳鋼基本上碳素結構鋼，物質內含碳量不高，具備加工性能，可焊接性能。

（2）化學性能。不銹鋼和碳鋼的化學成分如下。

2 不同材料焊接條件

工業上兩種材料是否具有焊接性，能夠直接焊接起來，是由材料內部原子和分子間的作用力決定，與物質處于何種物理狀態關系不大。當兩種物質是液態和固態時，并且相互之間無限互溶，這種金屬間就可以進行焊接，并且形成新物質性能良好；當兩種物質是液態和固態，但是液態無限互溶，固態卻有限互溶，這種性質下金屬可以進行焊接，但是形成新物質性能好壞與兩種金屬過渡狀態性能有關；金屬化學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性能受到化合物脆性影響；但是，當兩種金屬是完全不相溶的狀態時，進行焊接就不會成功，因此，工業上采用焊接手段首先要考察物質的性能，選擇合適的材料，采用有效加工技術，大部分工業設備材料中，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性質上差異較大，在工業中將兩種材料進行焊接技術就屬于異種鋼焊接，需要采用專業的工業技術措施。不銹鋼的導熱性能行比較碳鋼較差，當從高溫直接冷卻至常溫狀態時就會產生冷裂紋現象，這種對新物質性能影響不好，同時因為熱循環的作用，不銹鋼出現過熱傾向，晶粒容易粗化，很可能出現鐵素體和碳化物組織，一旦冷卻就會產生脆化結果。企業在進行焊接時，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，當然在實際應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，當焊接過程中，兩種金屬熔點相差較大時，就可能出現焊接性能降低，熔點較低的金屬會產生金屬流失，還有可能是蒸發和合金元素的大量燒損，這樣就會產生很多實際操作問題。這種問題需要做好控制和預防，不然產生的最終的結果是不符合條件的焊接接頭[3]。

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

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

（4）電磁性差異。兩種金屬的電磁性差異不同，就有可能導致焊接連接時出現不穩定現象，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定結果，這樣就會出現焊縫處變形變壞的最差結果[4]。

（5）形成脆性化合物。化學工業中，金屬進行焊接后在焊縫處形成新物質，成為金屬間化合物，這些物質有些物理屬性較脆，就可能對接頭處力學性能產生較大影響，甚至會降低焊縫處塑性和韌性。

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

4 焊接工藝措施

不銹鋼和碳鋼物質內含碳量比較低，不需要進行加熱條件，常溫就可以焊接，當焊接環境溫度低于5度時，需要進行預熱處理。同時板厚大于20毫米時，結構綱度就比較大，那就需要先進行預熱，在焊接完成后最后進行消除應力熱處理。企業在工業生產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，確保不銹鋼不出現稀釋現象。

（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，從調整焊縫和溶合區組織性能，改變焊接接頭應力分布狀況，抑制熔和區中碳擴散等方面進行研究，實現對結構使用性能最終目標結構，幫助焊縫金屬的成分應力接近其中一種金屬成分，一般工業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值，進行開坡口就需要確保焊接熔和區的性能，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，保障兩側金屬材料受熱均勻一致，確保兩邊受熱一致，不出現問題，四是設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，這也是焊接技術的重要環節。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，確保材料的焊接質量。這是非常重要焊接環節，可以有效發現焊接中出現問題，及時處理，提高焊接技術結果，提升設備有效率，企業要引起重視，提高生產設備合格率。

5 結束語

工業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熱溫度，焊接電流和焊接速度，合理控制焊接工藝參數，最后進行焊后檢驗，確保獲得良好的焊接效果。工業在焊接過程中采取科學，合理的焊接工藝，控制可能出現的問題，就可以做好問題預防，不產生裂紋，取得良好的焊接接頭成果。