不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术要点探讨

不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术要点探讨

方少峰

内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司

内蒙古 包头 014080

摘要：随着社会经济的发展与工业的进步，工业产品的种类、新材料的应用、新工艺的实施不断提出新的要求，取得了良好的进展。其中，不锈钢作为一种具有强度高、塑性好、耐腐蚀性好等优点的材料，在一些需防腐防锈设备的主要部件中的应用越来越广泛。然而，不锈钢价格远高于普通碳钢，从经济角度和设备使用条件来看，在结构设计中，常使用不锈钢和碳钢的异钢种接头焊接。

关键词：不锈钢；碳钢；异种钢；焊接技术

前言：不锈钢与碳钢是常见的两种金属材料，它们在工业领域中的应用广泛。由于其化学成分和物理性质的差异，将这两种材料进行焊接却存在一定的挑战。本文旨在探讨不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术，以满足大型工程结构件焊接项目和制造过程中的需求。

一、不锈钢与碳钢的异种钢焊接性能

1、物理性能。304L不锈钢丝属于纯奥氏体不锈钢中的超低碳不锈钢类型，这种不锈钢含有大量合金元素，如镍。通过与这些稀有元素融合，可在金属设备表面形成致密氧化薄膜，与普通钢材相比，这种氧化薄膜可溶性低，其特点是更坚固，能有效隔离金属设备材料，避免设备在长期接触空气等情况下发生化学反应，能有效提高设备耐腐蚀性，延长其寿命。同时，304L不锈钢机械性能、焊接性能、塑性、柔韧性和加工性能均优于普通钢。304L在日常生产生活中较常见，其内部Cr含量基本在18～20%，能有效提高奥氏体稳定性。

2、化学性能。不锈钢和碳钢化学成分与含量包括C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr。与普通钢相比，在不锈钢中添加Cr、Ni和少量化学元素如Mo、Ti、N等，能形成超低碳不锈钢，有利于在金属设备表面形成致密抗氧化薄膜，避免了氧化反应，有效提高了设备耐腐蚀性，而且因添加了许多化学成分，能有效提高钢的塑性及韧性。

二、不锈钢与碳钢的异种钢焊接条件

工业上不锈钢和碳钢的异种钢是否具有焊接条件，主要取决于这些钢的内部原子与分子作用力，与物质物理状态无直接关系，即当钢材处于液态或固态时，只要它们之间的原子和分子作用力足够大以互溶，则能焊接，形成具有良好性能的新物质。此外，即使不锈钢和碳钢之间的异种钢处于液态或固态状态时存在液态无限互溶，固态却有限互溶情况下也能焊接，然而，生成的新物质性能取决于这两种金属的性能。因此，工业焊接时，应先考虑焊接物质性能，焊接时选择合适材料，采用针对性技术，然后有效焊接。

当焊接不锈钢和碳钢的异种钢时，它们由两种具有不同物理性质材料连接，这两种材料能否有效焊接，直接关系到材料间的分子作用力。焊接时，可用合金材料，合金材料应为金属化合物，但在焊接过程中，需注意金属化合物的脆性可能会影响焊接性能。因此，焊接时要选择合适金属材料，以获得良好焊接接头并防止形变。

三、焊接中遇到的问题

（一）熔点差异

不锈钢和碳钢的熔点是不同的，这可能会在焊接过程中带来一些问题。具体来说，不锈钢的熔点一般比碳钢高，进而降低焊接性能，导致碳钢的流失或合金金属的蒸发。

（二）热导率和比热容差异

首先，不锈钢的热导率比碳钢低，焊接不锈钢时需要施加更多的热量以使焊接区域达到所需的温度。如果不适当地控制焊接区域的温度，可能会导致焊缝裂纹或变形。

另外，不锈钢比碳钢具有更高的比热容，不锈钢需要吸收更多的热量才能达到相同的温度。如果没有适当地控制热输入，可能会导致不锈钢表面出现热应力和形变。

（三）电磁性差异

不锈钢与碳钢的电磁性差异不同，会引发焊接连接时的不稳定现象，不锈钢和碳钢的电磁性的差异，导致焊接电弧偏弧或者电弧燃烧不稳定结果，使焊缝处变形、变坏。

（四）形成脆性化合物

两种金属焊接时形成的脆性化合物通常是由不锈钢和碳钢之间的界面处的铬和碳反应而产生的。这种反应会导致铬的耗尽，而碳则会溶解在铬-depleted区域中形成脆性化合物，如铬化合物、铁碳化合物等。这些化合物的存在会使焊缝变得脆性，从而降低了其强度和韧性。

四、不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术

4.1前期准备工作

为了确保焊接过程的顺利进行，需要准备好不锈钢和碳钢的基本材料和设备。这包括选择合适的焊接材料和电极，以及使用相应的焊接设备和工具。确保所选材料符合相关的国家和行业标准，并具有良好的焊接性能。在进行钢材的焊接之前，需要彻底清洁和处理钢材表面。钢材表面的杂质、氧化物和油污等会对焊接质量产生负面影响。为了达到最佳的焊接效果，可以使用适当的清洗剂和磨削工具来清除钢材表面的污染物，并确保它们处于干燥和光滑的状态。

4.2焊接方法选择

TIG（氩弧焊）是一种广泛应用的焊接方法，特别适合不锈钢与碳钢的异种钢焊接。在氩气的保护下，通过高频电弧加热工件并使用钨极来进行焊接。这种方法焊接出的接头均匀且美观，焊缝质量高，但操作技术要求相对较高。MIG（金属惰性气体保护焊）是一种给予焊接区域提供惰性气体保护的焊接方法。在此过程中，金属电极通过连续进给的方式提供电弧，同时也释放出惰性气体以保护焊接区域。MIG焊接方法具有高效率和高速度的优势，对于大批量的生产来说非常适用。电弧焊是一种常用的焊接方法，适用于各种材料的焊接，包括不锈钢与碳钢的异种钢焊接。电弧焊采用电流将电极与工件连接，并通过高温电弧产生的热量来融化焊条和工件表面，实现焊接。激光焊接是种高端技术，通过高能激光束直接作用于焊接部位进行熔化和连接。这种焊接方法在不锈钢与碳钢的异种钢焊接方面具有很高的精度和稳定性。

4.3材料匹配和焊接参数选择

在开始焊接之前，深入了解不同钢材的化学成分和机械性能。在将不锈钢与碳钢进行焊接时，它们的化学成分差异较大。对不同钢材的成分有一个全面的了解非，为选择合适的填充材料和焊接参数提供指导。在选择填充材料方面，需要注意与要焊接的异种钢的兼容性。填充材料应具备良好的可溶性和互相兼容性，以确保焊接接头的强度和稳定性。根据不锈钢和碳钢的特性，选择适当的填充材料可以有效地提高焊接质量和性能。在焊接过程中，合理选择这些参数，实现理想的热输入，避免过高或过低的温度造成焊接缺陷。

4.4焊后处理

进行热处理和退火是异种钢焊后处理，通过控制材料的温度和时间，调整焊接接头的组织结构和性能。热处理可以有效降低焊接接头的硬度和脆性，提高其强度和韧性，从而增强焊接接头的耐久性和承载能力。而退火则可以消除残余应力，使焊接接头更加平整和稳定。钢材表面的处理也是焊后处理的重要环节。通过打磨和抛光等手段，可以消除焊缝附近的氧化物和污垢，使焊接接头的表面光滑均匀。适当的表面处理还能提高涂层和防腐蚀层的附着力，延长焊接结构的寿命。对焊缝质量进行检测也是不可或缺的一项焊后处理措施。X射线检测和超声波检测作为常用的无损检测方法，在异种钢焊接中起到至关重要的作用。X射线检测可以快速、准确地识别焊接接头中的焊缝缺陷和孔洞等问题，帮助及时采取补救措施。超声波检测则能够全面评估焊接接头的内部结构和质量，探测出潜在的缺陷和裂纹，确保焊接接头的稳定性和安全性。

结束语：不锈钢与碳钢的异种焊接，需要相关人员明确影响不锈钢与碳钢焊接的物理性能与化学性能，深入分析焊接过程中可能存在的问题，并采取合理的焊接技术措施，提升异种焊接水平，取得良好的焊接接头效果。

参考文献：

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[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]潘江平.不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术要点探讨[J].科技创新与应用,2018,(27):86.