异种钢焊接工艺研究

异种钢焊接工艺研究

孙增军

中国石油天然气第七建设有限公司 山东青岛 266300

摘要：焊接工艺是一种重要的材料加工工艺，有着广泛的应用范围涵盖在工艺、设备（自动化）、冶金以及结构四大方向。整个工艺技术的应用是提升生产效率、保障生产进展的根本措施。焊接工艺操作执行时首先要确定焊接方法，再根据方法制定相关的焊接工艺参数，不过不同材质、不同结构类型、不同需求下所选择的焊接方法不尽相同，只有根据实际作出正确的选择才能够提高焊接质量。在众多的焊接中，异种钢焊接焊接难点较大，对其工艺进行研究才能保障焊接质量，促进积极生产。

关键词：异种钢 焊接特点 施工工艺

前言

两种不同钢型之间的焊接为异种钢焊接，可分为同类异种钢焊接以及异类异种钢焊接两种情况，同类异种钢是指组织成分类似但强度等级化学成分不同的钢型，而异类则是指组织成分母材皆不相同的钢型，奥氏体和非奥氏体钢就是这种情况。在异种钢的焊接过程中想要达到满意的焊接接头质量整个工艺需要花费更多的心思，既要注意焊材的选择，又要确保规范的工艺操作。

一、异种钢焊接特点

1、化学成分不均匀：整个焊接的过程是通过焊熔加热来实现的，在此过程中两侧母材以及焊材的熔化会促使焊缝的形成，而就母材与焊材而言，二者本身的成分就各不相同，所以在相互稀释熔合的作用下会产生一系列的变化，进而形成不均匀的化学成分。异种钢焊接过程当中造成化学成分的不均匀的因素有很多，其中母材、焊条金属各自原始成分的影响最为明显，当然焊接坡口形式以及焊接参数、熔合比的影响也不能忽略，所以想要确保稳定的焊缝形成，主要在于防止熔合比过大导致的马氏体组织的产生，可以适当的对焊接参数进行控制以减小熔合比影响。

焊接中稀释率（熔合比）计算公式：

式中：Φ——熔合比；

A_m——焊缝截面中母材金属所占的面积；

A_h——焊缝截面中填充金属所占的面积。

2. 组织的不均匀性：异种钢型本身的组织成分就是不同的，而这些不同的组织在焊接的过程中会受到的热循环影响较为严重，因为在焊接热循环以及周边温度的作用下，由于两种不同抗膨胀系数以及具备不同导热性的母材会引起热应力，这种残余热应力难以消除，所以会在个别区域出现更为复杂的组织结构，组织的不均匀性不仅受母材以及焊接条材料的影响，焊接方法、层次以及焊后的热处理方式也是明显的影响因素。

3. 性能的不均匀性：不同的组织成分的变化必然会引发性能上的改变，其中焊缝两侧的热影响区冲击值变化最为明显。另外，焊接热处理后两侧母材的碳层也会发生一定的改变，焊接加热时碳的迁移能力表现更强，所以母材为低合金钢的这一侧会脱碳，碳元素也会经过焊接边界往高合金一边扩散，最终和高合金母材中的铬形成碳化物，产生了增碳层。碳的迁移会提高熔合区接头的硬度，而塑性则会降低以至产生破坏。焊接通过隔离层进行堆焊是防止碳迁移的有效办法。

4、应力场分布不均匀：在整个成分、组织以及性能的影响下会产生不同的残余应力，尤其在是组织应力以及热应力叠加会形成一定的应力峰值，导致整个异种钢焊接接头成为一个非均匀体。

二 、异种钢焊接工艺要点

1. 焊接材料的选择

（1）焊接材料的选择原则

基于异种钢的焊接特点，整个焊接过程中焊材的选择是关键，因为这不仅直接影响到焊接接头的质量，对于使用性能以及使用寿命也有着显著的影响。一旦焊材选用不当，裂纹等焊接缺陷不可避免，因此在异种钢焊接焊材选择时应该遵循以下原则：

首先，以焊接母材的成分、性能作为参考，其金属性能只需符合两种母材其中的一种技术要求即可，但前提是该焊材的金属力学性能应该以母材中性能较低的那一方为准，且相同条件下优先选择质优价廉易得的焊材。

其次，焊材的选择前提为避免裂纹缺陷的产生，在相同的强度等级下可以选择抗裂性能优异的低氢焊条；但是如果强度和塑性二者不能兼顾，应以塑性和韧性较为突出的焊材为优先选择；如果母材之间的金相相差较大，则需要考虑稀释后的接头性能；异类异种钢焊接，首选镍基合金焊条。

（2）焊接材料的选择参考

 马氏体不锈钢+碳钢：二者热膨胀系数比较接近，但因为马氏体的存在会形成较大的相变应力，这样一来会有严重的碳迁移以及稀释现象产生。为此当异种钢母材为马氏体不锈钢与低合金高强度钢时，可以选择高铬镍奥氏体不锈钢作为焊材；当异种钢为马氏体不锈钢与耐热钢时，可以选择镍基作为焊材。

奥氏体不锈钢 +低合金钢：二者的焊接主要考虑碳迁移、稀释以及热应力的影响，为避免脆性淬硬组织产生的断裂，可以按照工艺规范标准并根据化学成分限定的数值来选用焊条。而在热应力的影响下还应该考虑工作的温度，例如工作温度低于400℃时，可以选用奥307或者是奥302作为焊材，一旦工作温度超过400℃或者对热处理有要求则需考虑选择镍基作为焊材。

不锈复合钢板 ：不锈复合钢板的结构成分比较复杂，所以在焊接时要考虑基层、复层以及过渡层的影响，从而实现分层焊接。基层焊接比较简单可以选用强度等级与母材结构相应的结构钢焊材；而在复层的焊接材料选择时要注意到腐蚀介质的接触，可以选择奥氏体不锈钢作为焊材；但实际上过渡层的选材是最为关键也是最为复杂的，因为过渡层处于复层与基层的交界之间，所以在选择焊材的时候，既要考虑到稀释作用也要考虑到塑性与抗裂性能。另外值得注意的是，如果异种钢之间的焊接要求较高或者是难度较大，必须选择镍基作为焊材，因为镍基焊材能够无限扩大实现碳溶解度的增加进而有效消除脱碳层，且镍基焊材的膨胀系数与碳钢基本接近可以平衡大部分热应力，镍基焊材的延展率高达40%，具备良好的塑性能够增大接头的变抗变形能力，所以是十分理想的选择。

2、焊接方法的选择

在焊接的过程当中有众多的方法可以选择，其中较为常见的有熔化焊、压力焊以及钎焊。不同的焊接方法拥有不同的优缺点，在选择的时候应该结合融合区以及稀释率等条件在满足质量要求的前提下，实现效率和经济性的提高，在掌握不同焊接方法的适用性的基础上根据材料特点和工艺特点进行选择。当前熔化焊在异种钢焊接的过程当中较为常见，该种焊接方法能够有效控制高温停留时间，从而实现稀释率的降低。

三、异种钢焊接工艺研究

异种钢焊接的工艺流程同其他焊接流程类似，不过需要在焊材以及焊接方法选择上多下功夫。整个流程要经过备料、预热、焊接以及焊后热处理等工序，主要的原理就是通过高温熔化焊材，在渗透和扩散的作用下连接两种母材。在异种钢焊接的工艺流程当中，预热、确定焊接规范、实现焊接以及焊后热处理都是十分关键的步骤。

1. 预热：预热的作用在于预防冷裂纹的出现，而在异种钢的焊接过程中，两种母材皆应采取预热措施，不过预热温度的确定一般参照母材当中预热要求较高的一方。但在进行异类异种钢焊接的过程当中可以适当的降低预热温度，通过一定的试验操作确定预热温度。

2. 确定焊接规范：焊接规范的确定主要取决于融合比，因为进行异种钢焊接时，需要较多的焊材融入到焊缝当中才能够实现焊接质量的提升。而焊接的融合比是受到焊接参数影响的，所以焊接规范的确定应该以适当地降低融合比为基础，选用小直径焊材，采用小电流快速完成焊接。另外，预堆边焊能够解决接头预热以及焊后热处理的难题所以值得推荐。

4、焊后热处理：焊后热处理的目的在于消除焊接残余应力，同时完善焊接接头的组织性能。热处理的温度一般按照要求较高的母材来选定PWHT温度，整个过程当中如果异种焊接的热物理性能将近可以选用退火来消除残余应力，但二者之间差别较大退火消除作用并不明显，此时应先对焊接工艺做出评定以防母材强度下降，同时根据工艺需求采用更为完善的方式实现焊后热处理。

综述

异种钢焊接工艺的难点在于母材之间的差异，所以想要提高焊接质量应首先应该从异种钢焊接特点出发，根据母材的组织成分以及性能指标选择焊接材料以及焊接方法。同时在整个焊接过程中严格过饭操作，促成稳定焊接。

参考文献

[1]刘新收.核电焊接接头裂尖力学特征及环境致裂纹扩展速率研究[J].中国标准化,2017(08):247.

[2]高杰,王娟,李亚江.异种钢的焊接研究现状[J].精密成形工程,2017,9(05):83-89.