316L 与Q345B异种钢的焊接工艺

2018-05-03汤彦斌

电焊机 2018年4期

汤彦斌

（四川省西核机电设备制造有限公司，四川成都610500）

0 前言

随着现代焊接技术的不断发展，不锈钢与低合金钢的焊接结构越来越多。以某公司的焊接阀板为例，该阀板主要由2根轴和1块法兰构成，如图1所示，其中左轴头和右轴头采用316L不锈钢，阀板法兰采用Q345B低合金钢，由于两种材质之间焊接性的差异，需选用合适的焊接方法和焊接材料并合理制定焊接工艺。

1 316L不锈钢与Q345B低合金钢的焊接性

焊接性是说明材料对焊接加工的适应性，是指在一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式下，能否获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否在使用条件下可靠运行。316L不锈钢和Q345B低合金钢的主要化学成分及力学性能如表1～表4所示。

图1 焊接阀板结构

1.1 316L不锈钢

316L不锈钢焊接时易产生以下问题[1]：

表1 316L不锈钢化学成分%

表2 316L不锈钢力学性能

表3 Q345B低合金钢化学成分%

表4 Q345B低合金钢力学性能

（1）应力腐蚀开裂。

316L钢属于奥氏体不锈钢，导热系数小，线膨胀系数大，焊接时焊缝在拘束状态下，焊后接头残留的应力较大。如果接头表面与酸性介质接触，首先发生电化学腐蚀，经一段时间后，表面产生狭长的微裂纹，在裂纹端部产生应力集中，加之渗入裂纹内的呼吸介质起到锲入作用，促使裂纹向前扩展，从而破坏新鲜的金属表面，继续发生腐蚀，焊接残余拉应力可加速裂纹的扩展，严重时可使焊接头产生脆性断裂。

（2）热裂纹。

316L钢的热裂倾向较一般结构钢大，Cr、Ni等金属元素含量较多，在焊缝凝固时，其中的S、P等有害杂质易形成液态夹层和易溶夹层，聚积在熔池中心区域，在接头拉应力作用下开裂，冷却后形成热裂纹。

1.2 Q345B低合金钢焊接性

Q345B是一种低合金钢，含有一定量的合金元素及微合金化元素，可保证应有的强度、塑性和韧性。Q345B钢焊接热影响区组织和性能对焊接热输入较敏感，也存在一定的淬硬倾向[3]。

1.3 不锈钢与低合金钢的焊接特点

由于不锈钢与低合金钢的化学成分、力学性能及物理性能的差别，焊缝容易产生气孔、夹渣，焊缝及近缝区易产生裂纹等缺陷。焊缝中的裂纹在承受交变或冲击载荷时迅速扩展，最后导致焊接接头断裂。因此，焊接时必须采取有效的措施防止裂纹产生[4]。

表5 不锈钢焊接及堆焊用焊丝[5]

2 焊接方法

2.1 焊接方法的选用

选择气体保护焊方式。目前生产中最常用的是CO2保护焊和钨极氩弧焊，其焊接设备和成本较低。由于阀板的法兰和轴是精加工后焊接，采用CO2保护焊时会产生飞溅，焊缝成形不够美观。因此采用钨极氩弧较为合适。

钨极氩弧焊的优点是电弧稳定，即使在很小的焊接电流下仍可稳定燃烧；填充焊丝熔滴不通过电弧，不会产生飞溅，焊缝致密，表面无焊渣，成形美观；氩气能有效地隔绝周围空气，且它本身不与金属反应，焊接过程中电弧还能自动清除熔池表面氧化膜，非常适合不锈钢的焊接。

2.2 焊接材料的选用

考虑到两种不同材质钢的综合性能和焊接性能，选用不锈钢焊丝。通过实验比对以及根据标准手册中不锈钢焊丝的特征用途可知，选用牌号为H1Cr24Ni13的焊丝焊接过程中不会产生合金元素的烧损、金属飞溅和气孔、氧化等缺陷，同时保证了焊后焊缝金属中合金元素的含量，焊接接头力学性能满足设计及使用需要。焊丝成分如表5所示。

3 焊接工艺过程

3.1 焊前准备

左右轴经加工后按焊接要求加工焊接坡口，法兰以斜面作焊接面，将左右轴头装配于法兰两端，在焊接专用工装上安装并固定。

为避免焊接时碳及杂质的混入，焊前用丙酮擦净焊缝两侧 20～30mm范围；并用不锈钢丝刷刷掉焊丝表面氧化皮后用丙酮擦净。因钨极氩弧焊的抗气孔能力较弱，必须在焊前清理焊接工件。

3.2 焊接过程

焊前进行定位焊，先用氧-乙炔将两种钢加热至700～800℃，引弧时提前5～10s输送氩气，以排除工件焊接处的空气。焊接参数如表6所示。

该产品焊接视线较好，应尽量采用短弧，焊接时焊嘴与工件表面距离不超过10mm，焊嘴尽量垂直或与工件表面保持较大夹角，以增强保护效果，同时减小热影响区宽度和防止工件变形。焊接时采用同向焊接，根据焊缝大小，焊枪除作直线运动外，允许作适当的横向摆动。将焊丝往复地加入熔池，同时应注意在熔池前面呈熔滴状加入，填充焊丝需均匀，不扰乱氩气流。焊丝头部应始终放在氩气保护区内，以免氧化。焊接达到约85%时，应增加焊条，然后缓慢拉开，防止产生过深的弧坑。依照此方法焊接2～3层即可完成该产品的焊接。

表6 焊接参数

采用手工氩弧焊接时，因弧柱集中、电流密度大、弧温较高、紫外线辐射比普通电弧焊强得多，易对人的眼睛和皮肤造成伤害，所以必须加强保护措施。

3.3 焊后处理

为防止轴和法兰焊接后变形及热应力集中，在产品焊接好后，应对其进行保温时效处理，方法为：将其埋入石英砂内，工件四周保证砂厚150～200mm，保温15～20 h，既能改善接头性能，又能降低焊接应力。

3.4 焊缝质量检测

每焊接一层都使用着色渗透探伤剂HG-3通用型进行检测，均无夹渣、裂纹等焊接缺陷。如果焊缝有焊接缺陷则用砂轮机彻底清除缺陷再补焊，补焊后再进行检测，直到焊缝无缺陷。

焊接后为满足工件表面质量，对其进行抛光处理。处理后实物如图2所示。

4 结论

分析316L不锈钢和Q345B低合金钢异种钢的焊接性能，采用钨极氩弧焊作为优选焊接方法，并确定焊丝牌号为H1Cr24Ni13，制定出相应焊接工艺，并进行焊接实验。结果表明，本研究提出的焊接工艺能有效防止异种钢焊接时产生焊接缺陷，获得良好的焊接效果，焊接产品性能完全满足设计和实际使用要求，并提高了生产效率。