异种钢焊接工艺综述

2016-05-30刘阁陈世刚

中国高新技术企业 2016年25期

刘阁　陈世刚

摘要：文章通过结合已有的研究结果，从异种钢焊接材料的焊接方法、焊接材料、工艺参数和热处理等方面对异种钢焊接工艺进行了综述。结果表明，母材的物理化学性能相异是焊接困难的主要原因，合理的工艺能有效地提高焊接接头的组织性能。

关键词：异种金属焊接；异种钢；焊接性能；焊接工艺；热处理条件文献标识码：A

中图分类号：TG142 文章编号：1009-2374（2016）25-0083-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.040

随着工业科学技术的发展和工程领域的扩大，在生产和使用中原有设备或其性能已经无法完全满足人们发展的需求，因此对各类工程构件、机械构件或材料本身提出了更高的性能要求。例如在航天航空中要求一些构件材料要同时具备耐高温、高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀和长寿命等性能。而在常见易得的材料中很少有能满足其要求的，对于能满足要求的材料的来源也是少的可怜，同时价格昂贵，使得不可能在工程中广泛应用。工业科技的进步犹如社会的进步，是人们发展的必然趋势。对此，人们在不断的创新中，对多种材料进行组合运用，其异种钢焊接正是其中一种。异种钢焊接使金属材料的性能得到更充分的发挥，同时减少昂贵材料的使用，使其生产成本得到显著的降低，从而得到不错的经济效益。在这巨大的利益下，使得异种钢焊接在近年有着突飞猛进的发展。本文将对异种钢焊接的焊接性能、焊接工艺等的选择方面进行简单的综述。

1 异种金属焊接性能

一般来说金属焊接性包含工艺焊接性和使用焊接性。工艺焊接性为得到良好的焊接接头的能力；使用焊接性为得到的焊接接头满足使用要求的能力，一般由相关实验和生产事件进行检验。

焊接性一般受其母材的物理化学性质、化学成分、焊接材料的选择、焊接工艺、结构设计、使用条件等多方面的影响。常见物理性质影响有以下四点：（1）熔点的不同造成热处理困难，母材熔化不能同步，如果熔点相差太悬殊，可能出现不能焊的情况；（2）电磁性的不同导致电弧焊时电弧燃烧不稳定；（3）线性膨胀系数不同容易造成焊接应力集中或裂纹产生；（4）热导率和比热容的不同使熔池的形成不能同步，由于使传热的速度不一样而导致热应力增大。

一般分析金属焊接性的方法有：直接法（做实验）；间接法（碳当量法、焊接低温裂纹敏感指数、利用CCT图分析、利用材料的物理或化学性能分析、利用合金相图分析等）。

对于金属材料焊接性分析不管是对于同种金属焊接，还是对于异种金属焊接，都是必不可少的，焊接性是焊接工艺选择的一个重要依据。焊接性能分析是焊接试验中的首要步骤，其地位可想而知。如在碳当量Ceq计算时，焊接性则在金属材料的淬硬性及碳当量的大小上体现出来，随着金属材料的淬硬性增大焊接性下降，在参考文献中介绍到一般情况下，碳当量小于0.4%时，金属材料的淬硬性不大焊接性好，而且在一般的焊接工艺条件下可以不用预热；碳当量在0.4%～0.6%时，金属材料就比较容易淬硬，焊接性就较差了，需要焊前预热减小冷裂倾向；碳当量大于0.6%时，金属材料的淬硬性和冷裂性都非常大，焊接性能差，则焊接时必须采用严格的工艺措施来保证其焊接质量；如果当碳当量达到一定程度时一般就会不采用焊接工艺或者采用特殊的焊接

工艺。

2 异种金属焊接工艺研究

2.1 焊接方法的选择

焊接方法的种类比较多，其焊机的种类更是多不胜数。每种焊接方法都可以对多种材料进行焊接，同时一种材料也可以用多种焊接方法焊接，这使得在焊接中焊接方法的选择方案多样化。在一种焊接试验中，不同的焊接方法对应着不同的焊接工艺或焊接缺陷，使得用不同的焊接方法焊接得到的焊接接头可能有着不同组织和性能，因此焊接方法的选择应该满足使用焊接性和工艺焊接性（使用要求和母材焊接性质），同时也要考虑产品的特点以及施工地点的环境影响、焊接效率和经济性等方面。薛根奇等在其30CrNi3与Q235B异种钢焊接工艺研究中介绍到异种钢焊接中焊接方法一般按照焊接性能差的母材选择并同时制定其他焊接工艺（如热处理工艺、工艺参数等）。刘继光在锅炉异种钢焊接实验指出焊接方法在很多大程度上影响着焊缝的韧性，由于母材厚4mm，焊后要有较好的塑韧性，选择了氩弧焊焊接方法（这种焊接方法焊接的焊缝有良好的塑性和韧性）。同时通过合理的工艺，得到了性能良好的焊接接头。不同的焊接方法堆焊使得到的熔合比不一样，Q345B与S31603异种钢焊接时所选择的焊接方法应使熔合比小稀释率低。其碱性焊条电弧焊的熔合比范围为20%～30%；酸性焊条电弧焊为15%～25%；熔化极气体保护焊为20%～30%；埋弧焊为30%～60%；钨极氩弧焊为10%～100%。

2.2 焊接材料的选择

在异种金属焊接中可以通过借助舍夫勒（Schaeffler）状态图中材的化学成分、焊接材料的化学成分和熔合比（母材金属在焊缝金属中算占的比值）之间的关系来估算和预设焊缝金属的化学成分和组织，以提高实验的效率和成功率，同时也可为后续分析提供依据，同样也可以通过焊接材料、母材和实验假设的或要求的焊缝组织（根据性能要求和相关信息可以预估和假设其对应性能较好的组织状态）来预算熔合比的范围，通过预算的熔合比范围是否可行，以初步判断所选焊材的可行性，同时为工艺参数、焊接方法、坡口形式等提供选择和设计依据。由此可见，异种金属焊接中焊接材料的选择在很大程度上决定着焊接接头的质量和性能的好坏，其重要性可谓不言而喻。

当然焊材的选择也因实际情况而异。韩炜在研究低碳钢与不锈钢焊接性中指出，焊材的选择应综合考虑以下方面要求：（1）在焊接接头满足工艺要求的情况下，在强硬与塑性中优先考虑塑性好的焊材；（2）焊材的选择应该使焊缝的性能至少不低于一种母材的性能；（3）焊材的选用应该满足异种金属的焊接性；（4）尽量选择便宜、易得的焊材，以降低生产成本提高其经济效益。其焊接材料的选择方案有低匹配、中匹配、高匹配和完全不同于母材的金属匹配4种。对于珠光体钢和奥氏体不锈钢焊接一般情况，选用Ni-Cr奥氏体钢做焊材（高匹配）。同时在采用钨极氩弧焊打底、焊条电弧焊盖面的焊接方法对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢和20珠光体钢进行焊接研究中，通过舍夫勒图初步选用成分相当的H1Cr25Ni13焊丝和A307焊条为焊材，并同时得出熔合比应控制在0.3以下。实验结果表明，焊接工艺符合技术要求，通过高匹配焊材和熔合比的控制得到了具有较好抗裂性和抗腐蚀性的A+F（γ+5%δ）双相组织。

黄本生等采用手工焊条电弧焊分别以A132+A022、A132、A042为堆焊材料及以A022为填充材料在相同的工艺条件下对Q235钢与316L钢进行不同焊材匹配的焊接实验，结果表明堆焊材料为A042（Cr、Ni含量高）时，可以得到组织和性能优异的焊接接头，表现为以A042为堆焊材料时，堆焊金属与母材Q235的结合能力、焊缝组织、抗拉强度以及热影响区和焊缝区的综合冲击韧性都优于其他两组。

2.3 工艺参数的选择

对于焊接的工艺参数，在现在的很多实验类文献中都很少具体说明它的选择过程和缘由。这并不代表着工艺参数的选择不重要。合理的选择焊接工艺参数，都是焊接接头质量保证的重要环节，同时合理工艺参数也能有效提高焊接效率。

焊接的工艺参数包括很多方面，其中大多数都为物理量，如电源、电流、电压、极性的选择、焊接速度、保护气体和焊条直径等。这些参数分别对焊接的一些方面有着影响，同时相互之间也有一定的影响。如使用低氢焊条的时候，必须使用直流反接的焊接方法，不然焊接是电弧燃烧会不稳定。在参考文献中分析了一些常用的工艺参数变化对焊接的影响，指出焊接电流增大，会使输入热增大，从而使焊接熔池变大，增大热影响区的范围；电压增大，会使电弧变长，电弧变长，焊接中易发生飞溅；焊接速度对焊接效率有影响，同时也影响着熔池的大小。这些影响在焊接过程中都是应该考虑的

问题。

对于异种金属焊接中工艺参数的选择，我们可以从许多文献中看出，工艺参数的选择主要是综合地考虑母材的焊接性能，同时根据大量的实验对比得出的，而在今天我们也可以站在前人的肩上（手册、文献）。

3 结语

由于异种金属焊接中母材的成分、金相组织和物理化学性质的不同，因此异种金属焊接在焊接中更容易产生缺陷，使得异种金属焊接的工艺设计对同种钢焊接而言更为复杂。对于异种钢焊接而言，工艺确定的主要依据是异种金属的焊接性能和产品的使用要求；确定合理工艺不仅改善焊后的组织和性能，而且能减少或避免焊接缺陷产生。其工艺之间有着相互影响和制约的性质，在工艺选择时必须加以注意。

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