不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术要点探究

不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术要点探究

胡保华 逄淑峰 王峰

青岛中车四方轨道车辆有限公司 山东 青岛 266000

摘 要：不锈钢与碳钢两种金属材料的化学成分和力学性能相差很大，所以把这两种材料焊接称为异种钢焊接，焊接中容易出现硬而脆的σ相（Fe- Cr）和碳化物( M23C6)，选用合适的焊接填充材料、适当的焊接工艺参数，选择好的焊接方法，尽量减少焊接时脆性相的析出，确保焊接产品的耐腐蚀性能和力学性能。碳钢与不锈钢焊接接头是用填料来确定其化学组成，通过对材料焊接特性进行分析，以保证焊缝耐腐蚀性和力学性能，同时优化焊接工艺及焊接操作方法，以此保证整体焊接的科学性与合理性。

关键词：不锈钢；碳钢；475℃脆性；碳化物：焊接线能量；熔合比。

引 言：现代化社会发展趋势下，我国焊接方面取得长足发展与进步，工业产品不断更新及新材料不断出现带动了焊接工艺实施手段不断突破与革新，其中强度高、低磁性或无磁性、可塑性好的不锈钢耐腐蚀材料受到广泛使用，但其价格较高。从效益角度来看，碳钢的强度可控性强且更易于焊接，价格也比不锈钢更具有优势，在特殊情况下也可作为常用材料进行切削加工。据此，把不锈钢与碳钢焊接在一起是一种高效又经济的方法，也可以增加较高的社会效益和经济效益。本文章以不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术要点进行讨论，为不锈钢与碳钢焊接提供技术指导与帮助。

一、母材介绍

1.1不锈钢：通常是指具有一定防腐能力的合金钢，其主要成分是铁素体中加入大于12%的铬（Cr）或大于8%的镍（Ni）以及其他一些元素。其原理是铬镍元素与空气中的氧发生化学反应，在金属表面形成致密的氧化膜，增加金属的耐腐蚀性。

1.2碳钢：铁素体中碳含量超过0.2%低于1.7%的金属称为碳钢，可以通过正火、淬火、退火、回火来改变其力学性能和进行切削加工，含碳量越低材质越软，强度及硬度越低塑性越高，越易于焊接。相反含碳量越高，强度及硬度越大塑性越低，越不易焊接。

二、焊接性能分析

2.1焊接接头的脆化现象：不锈钢金属里含有铬，当熔池结晶时600℃—375℃温度区间通过时，易形成一种脆而硬的（Fe -Cr）化合物,使焊缝的韧性急剧下降，这就是475℃脆性^[1]，在这个温度区间时间停留越长化合物（Fe- Cr）越多。

解决办法:熔池结晶时尽量减少在此温度区间停留的时间，减少（Fe- Cr）化合物的析出，就需要在焊接时使用较小的焊接线能量。

2.2焊接接头的碳迁移现象：铬对碳的亲和力远大于铁元素，它是强碳化合物形成元素，大多数情况下会形成粗大的（Fe、 Cr）23C6碳化物，,通常用M23C6表示。碳钢金属里含有碳元素，当熔池中母材的比例（熔合比）超过30%、温度在450℃—850℃之间时，碳钢中的碳元素就会向含铬的不锈钢母材侧迁移，在600℃—950℃温度区间，跟熔池里不锈钢的铬元素合并成M23C6碳化物，它可以大幅度降低焊缝及热影响区的力学性能和耐腐蚀性^[2]。

解决办法：①减少焊缝母材的熔合比低于30%，如：加大坡口角度提高焊接速度。②尽量减少450℃—850℃温度区时间减少碳迁移时间，需要采用较小焊接参数。③减少焊缝含碳量，采用含碳量不超过0.06%的低碳量焊接材料。

2.3两种材料的膨胀系数不同：不锈钢加热时膨胀系数比碳钢大30%左右，不锈钢侧易出现弯曲、凸起、下凹、波浪，焊件冷却后会产生很大的应力而引起裂纹或、剥离等，或者因变形过大影响焊后工件的使用效果。

解决办法：①碳钢侧预热至100℃左右再进行施焊。②采用刚性固定法控制变形。③采用较小的焊接线能量减小热输入。④多层焊时控制层间温度尽量低一些。⑤在焊缝外的不锈钢侧使用风冷或水冷方式降温。

三、焊材的选择：焊接材料是不锈钢和碳钢焊接的关键，焊缝质量跟焊材之间的关系也十分密切

3.1选择的焊接材料的力学性能，最小也要等于或略高于两种母材中力学性能较弱的一方。

3.2焊接时焊接材料能把两种连接在一起，并能相互熔融，不能出现只贴合而不能相互溶解的现象，焊后达到要求的力学性能。

3.3 镍是强烈形成奥氏体和扩大奥氏体相区的元素，铬是强烈形成稳定铁素体相并相应缩小奥氏体相的元素，双相不锈钢跟碳钢的焊接选择焊接材料时，应根据焊后要求的铁素体和奥氏体的两相比例，选择合适的镍、铬元素的焊材^[3]。

3.4铁的熔点是1535℃，铬的熔点是1890℃，镍的熔点是1453℃，当焊接较厚板材或者采用较大热输入时，会造成镍的烧损，可以适当增加焊接材料的镍元素含量

3.5在焊接受限的地方（不能预热和热处理）焊接时，选用镍基焊接材料来提高焊缝的塑性和韧性。

3.6如果两种材料焊接性相差太大，没有可采用的焊接材料时，应选用过度材料先于一种金属焊接过渡层，再选另一种焊接材料将过渡层与另一种金属连接。

4. 焊接方法和保护气体的选用：常用的焊接方法有：钨极惰性气体保护焊、手工电弧焊、熔化极气体保护焊等

4.1较薄的工件焊接时可以选择钨极惰性气体保护焊，0.5mm—3mm可选其作为焊接方法，设备简单，但是效率较低，保护气体为纯氩气。

4.2、薄、中、厚板焊接时均可选择使用手工电弧焊，其工作效率一般，对工作场地要求不严格，设备简单，焊前要消除焊材中的氢，需要用高温箱对焊条加温并保温，操作现场的焊条要放入保温桶保存，随用随取。

4.3中、厚板焊接时尽量选择熔化极气体保护焊，工作效率较高，对工作场地要求严格，要求在封闭无污染风速较低的场地，便于车间流水线作业。焊接气体为98%的氩气加2%的二氧化碳。氮是强烈形成奥氏体相的元素，其效果远大于镍，双相不锈钢焊接为增加奥氏体相比例时，可使用98%的氩气加2%氮气。

4. 焊接操作注意事项

5.1焊接材料选定后，控制焊接变形，是一个值得关注的问题，焊缝变形主要取决于设计条件和施工技术，控制变形的办法有多种，提前增加反变形、使用刚性固定法、好的焊缝接头形式、合理的焊接顺序、控制层间温度，比如一个大的工件可以分开分别焊接然后组焊到一起。通过改进施工技术，可以最大限度的降低焊缝裂纹和变形，尽量采用较小焊缝保证产品结构能够承受最大负荷，在确定强度后可进行开槽焊接，减少焊缝金属填充量从而减少焊接变形^[4]。

5.2焊接现场污染的问题，工作现场的铝、铅、空气湿度、粉末、灰尘、飞溅都可能造成熔池的污染，在焊缝中形成低熔点共晶体，使得焊件脆化和降低力学性能，所以要保持现场干净整洁。

5.3母材的污染物及氧化膜清理，焊前先用化学或物理办法对母材的油渍、污渍等进行清理，然后，用不锈钢专用磨片打磨干净焊缝及附近氧化膜，再用不锈钢专用钢丝刷打磨坡口及坡口周围20mm范围。

5.4焊接过程中在保证焊缝熔合良好的情况下，尽量选用较小的焊接线能量，因为大的焊接线能量，焊缝的热输入也会大，不但容易形成脆性相，也可能热输入过大使晶粒粗大而脆化，也形象其力学性能。

5.5焊接中要保证母材熔深的均匀性，并尽量减少焊缝母材的熔合比，要求最好低于30%，焊后用较快的冷却方式，使焊缝和热影响区较快冷却到375℃以下，减少脆性相的析出。

4. 焊后处理与检验：

焊接工件达到室温后对其进行质量检查，如出现气孔、裂纹、变形等质量问题则不能正常使用，就必须进行返工或返修，达到合格状态后方可投入正常使用。由于返工或返修是在焊后进行修复，浪费时间人力物力，也影响焊接产品的质量，所以提高焊接工人的技能水平，提前控制焊接过程才是保证焊接质量的关键。

结 论：

综上，本文以不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术要点进行讨论。对不锈钢与碳钢焊接中的主要问题进行分析探讨，提出很多解决措施及具体办法，为不锈钢与碳钢的焊接提高理论联系实际的指导与帮助。

参考文献：

[1]于启湛，丁成刚，史春元《不锈钢的焊接》，机械工业出版社

[2]杨钊,但龙,马君.不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术研究[J].中国金属通报,2019(02):116-117.

[3]吴玖等著《双相不锈钢》冶金工业出版社

[4]韦青平.碳钢与承载不锈钢异种钢焊接的焊材选用[J].山西冶金,2021,44(03):174-175.