劉閣　陳世剛

摘要：文章通過結(jié)合已有的研究結(jié)果，從異種鋼焊接材料的焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)和熱處理等方面對異種鋼焊接工藝進(jìn)行了綜述。結(jié)果表明，母材的物理化學(xué)性能相異是焊接困難的主要原因，合理的工藝能有效地提高焊接接頭的組織性能。

關(guān)鍵詞：異種金屬焊接；異種鋼；焊接性能；焊接工藝；熱處理條件 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TG142 文章編號：1009-2374（2016）25-0083-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.040

隨著工業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程領(lǐng)域的擴(kuò)大，在生產(chǎn)和使用中原有設(shè)備或其性能已經(jīng)無法完全滿足人們發(fā)展的需求，因此對各類工程構(gòu)件、機(jī)械構(gòu)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構(gòu)件材料要同時具備耐高溫、高比強(qiáng)度、高比剛度、抗疲勞、耐腐蝕和長壽命等性能。而在常見易得的材料中很少有能滿足其要求的，對于能滿足要求的材料的來源也是少的可憐，同時價格昂貴，使得不可能在工程中廣泛應(yīng)用。工業(yè)科技的進(jìn)步猶如社會的進(jìn)步，是人們發(fā)展的必然趨勢。對此，人們在不斷的創(chuàng)新中，對多種材料進(jìn)行組合運(yùn)用，其異種鋼焊接正是其中一種。異種鋼焊接使金屬材料的性能得到更充分的發(fā)揮，同時減少昂貴材料的使用，使其生產(chǎn)成本得到顯著的降低，從而得到不錯的經(jīng)濟(jì)效益。在這巨大的利益下，使得異種鋼焊接在近年有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展。本文將對異種鋼焊接的焊接性能、焊接工藝等的選擇方面進(jìn)行簡單的綜述。

1 異種金屬焊接性能

一般來說金屬焊接性包含工藝焊接性和使用焊接性。工藝焊接性為得到良好的焊接接頭的能力；使用焊接性為得到的焊接接頭滿足使用要求的能力，一般由相關(guān)實(shí)驗和生產(chǎn)事件進(jìn)行檢驗。

焊接性一般受其母材的物理化學(xué)性質(zhì)、化學(xué)成分、焊接材料的選擇、焊接工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、使用條件等多方面的影響。常見物理性質(zhì)影響有以下四點(diǎn)：（1）熔點(diǎn)的不同造成熱處理困難，母材熔化不能同步，如果熔點(diǎn)相差太懸殊，可能出現(xiàn)不能焊的情況；（2）電磁性的不同導(dǎo)致電弧焊時電弧燃燒不穩(wěn)定；（3）線性膨脹系數(shù)不同容易造成焊接應(yīng)力集中或裂紋產(chǎn)生；（4）熱導(dǎo)率和比熱容的不同使熔池的形成不能同步，由于使傳熱的速度不一樣而導(dǎo)致熱應(yīng)力增大。

一般分析金屬焊接性的方法有：直接法（做實(shí)驗）；間接法（碳當(dāng)量法、焊接低溫裂紋敏感指數(shù)、利用CCT圖分析、利用材料的物理或化學(xué)性能分析、利用合金相圖分析等）。

對于金屬材料焊接性分析不管是對于同種金屬焊接，還是對于異種金屬焊接，都是必不可少的，焊接性是焊接工藝選擇的一個重要依據(jù)。焊接性能分析是焊接試驗中的首要步驟，其地位可想而知。如在碳當(dāng)量Ceq計算時，焊接性則在金屬材料的淬硬性及碳當(dāng)量的大小上體現(xiàn)出來，隨著金屬材料的淬硬性增大焊接性下降，在參考文獻(xiàn)中介紹到一般情況下，碳當(dāng)量小于0.4%時，金屬材料的淬硬性不大焊接性好，而且在一般的焊接工藝條件下可以不用預(yù)熱；碳當(dāng)量在0.4%～0.6%時，金屬材料就比較容易淬硬，焊接性就較差了，需要焊前預(yù)熱減小冷裂傾向；碳當(dāng)量大于0.6%時，金屬材料的淬硬性和冷裂性都非常大，焊接性能差，則焊接時必須采用嚴(yán)格的工藝措施來保證其焊接質(zhì)量；如果當(dāng)碳當(dāng)量達(dá)到一定程度時一般就會不采用焊接工藝或者采用特殊的焊接

工藝。

2 異種金屬焊接工藝研究

2.1 焊接方法的選擇

焊接方法的種類比較多，其焊機(jī)的種類更是多不勝數(shù)。每種焊接方法都可以對多種材料進(jìn)行焊接，同時一種材料也可以用多種焊接方法焊接，這使得在焊接中焊接方法的選擇方案多樣化。在一種焊接試驗中，不同的焊接方法對應(yīng)著不同的焊接工藝或焊接缺陷，使得用不同的焊接方法焊接得到的焊接接頭可能有著不同組織和性能，因此焊接方法的選擇應(yīng)該滿足使用焊接性和工藝焊接性（使用要求和母材焊接性質(zhì)），同時也要考慮產(chǎn)品的特點(diǎn)以及施工地點(diǎn)的環(huán)境影響、焊接效率和經(jīng)濟(jì)性等方面。薛根奇等在其30CrNi3與Q235B異種鋼焊接工藝研究中介紹到異種鋼焊接中焊接方法一般按照焊接性能差的母材選擇并同時制定其他焊接工藝（如熱處理工藝、工藝參數(shù)等）。劉繼光在鍋爐異種鋼焊接實(shí)驗指出焊接方法在很多大程度上影響著焊縫的韌性，由于母材厚4mm，焊后要有較好的塑韌性，選擇了氬弧焊焊接方法（這種焊接方法焊接的焊縫有良好的塑性和韌性）。同時通過合理的工藝，得到了性能良好的焊接接頭。不同的焊接方法堆焊使得到的熔合比不一樣，Q345B與S31603異種鋼焊接時所選擇的焊接方法應(yīng)使熔合比小稀釋率低。其堿性焊條電弧焊的熔合比范圍為20%～30%；酸性焊條電弧焊為15%～25%；熔化極氣體保護(hù)焊為20%～30%；埋弧焊為30%～60%；鎢極氬弧焊為10%～100%。

2.2 焊接材料的選擇

在異種金屬焊接中可以通過借助舍夫勒（Schaeffler）狀態(tài)圖中材的化學(xué)成分、焊接材料的化學(xué)成分和熔合比（母材金屬在焊縫金屬中算占的比值）之間的關(guān)系來估算和預(yù)設(shè)焊縫金屬的化學(xué)成分和組織，以提高實(shí)驗的效率和成功率，同時也可為后續(xù)分析提供依據(jù)，同樣也可以通過焊接材料、母材和實(shí)驗假設(shè)的或要求的焊縫組織（根據(jù)性能要求和相關(guān)信息可以預(yù)估和假設(shè)其對應(yīng)性能較好的組織狀態(tài)）來預(yù)算熔合比的范圍，通過預(yù)算的熔合比范圍是否可行，以初步判斷所選焊材的可行性，同時為工藝參數(shù)、焊接方法、坡口形式等提供選擇和設(shè)計依據(jù)。由此可見，異種金屬焊接中焊接材料的選擇在很大程度上決定著焊接接頭的質(zhì)量和性能的好壞，其重要性可謂不言而喻。

當(dāng)然焊材的選擇也因?qū)嶋H情況而異。韓煒在研究低碳鋼與不銹鋼焊接性中指出，焊材的選擇應(yīng)綜合考慮以下方面要求：（1）在焊接接頭滿足工藝要求的情況下，在強(qiáng)硬與塑性中優(yōu)先考慮塑性好的焊材；（2）焊材的選擇應(yīng)該使焊縫的性能至少不低于一種母材的性能；（3）焊材的選用應(yīng)該滿足異種金屬的焊接性；（4）盡量選擇便宜、易得的焊材，以降低生產(chǎn)成本提高其經(jīng)濟(jì)效益。其焊接材料的選擇方案有低匹配、中匹配、高匹配和完全不同于母材的金屬匹配4種。對于珠光體鋼和奧氏體不銹鋼焊接一般情況，選用Ni-Cr奧氏體鋼做焊材（高匹配）。同時在采用鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊蓋面的焊接方法對1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼和20珠光體鋼進(jìn)行焊接研究中，通過舍夫勒圖初步選用成分相當(dāng)?shù)腍1Cr25Ni13焊絲和A307焊條為焊材，并同時得出熔合比應(yīng)控制在0.3以下。實(shí)驗結(jié)果表明，焊接工藝符合技術(shù)要求，通過高匹配焊材和熔合比的控制得到了具有較好抗裂性和抗腐蝕性的A+F（γ+5%δ）雙相組織。

黃本生等采用手工焊條電弧焊分別以A132+A022、A132、A042為堆焊材料及以A022為填充材料在相同的工藝條件下對Q235鋼與316L鋼進(jìn)行不同焊材匹配的焊接實(shí)驗，結(jié)果表明堆焊材料為A042（Cr、Ni含量高）時，可以得到組織和性能優(yōu)異的焊接接頭，表現(xiàn)為以A042為堆焊材料時，堆焊金屬與母材Q235的結(jié)合能力、焊縫組織、抗拉強(qiáng)度以及熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的綜合沖擊韌性都優(yōu)于其他兩組。

2.3 工藝參數(shù)的選擇

對于焊接的工藝參數(shù)，在現(xiàn)在的很多實(shí)驗類文獻(xiàn)中都很少具體說明它的選擇過程和緣由。這并不代表著工藝參數(shù)的選擇不重要。合理的選擇焊接工藝參數(shù)，都是焊接接頭質(zhì)量保證的重要環(huán)節(jié)，同時合理工藝參數(shù)也能有效提高焊接效率。

焊接的工藝參數(shù)包括很多方面，其中大多數(shù)都為物理量，如電源、電流、電壓、極性的選擇、焊接速度、保護(hù)氣體和焊條直徑等。這些參數(shù)分別對焊接的一些方面有著影響，同時相互之間也有一定的影響。如使用低氫焊條的時候，必須使用直流反接的焊接方法，不然焊接是電弧燃燒會不穩(wěn)定。在參考文獻(xiàn)中分析了一些常用的工藝參數(shù)變化對焊接的影響，指出焊接電流增大，會使輸入熱增大，從而使焊接熔池變大，增大熱影響區(qū)的范圍；電壓增大，會使電弧變長，電弧變長，焊接中易發(fā)生飛濺；焊接速度對焊接效率有影響，同時也影響著熔池的大小。這些影響在焊接過程中都是應(yīng)該考慮的

問題。

對于異種金屬焊接中工藝參數(shù)的選擇，我們可以從許多文獻(xiàn)中看出，工藝參數(shù)的選擇主要是綜合地考慮母材的焊接性能，同時根據(jù)大量的實(shí)驗對比得出的，而在今天我們也可以站在前人的肩上（手冊、文獻(xiàn)）。

3 結(jié)語

由于異種金屬焊接中母材的成分、金相組織和物理化學(xué)性質(zhì)的不同，因此異種金屬焊接在焊接中更容易產(chǎn)生缺陷，使得異種金屬焊接的工藝設(shè)計對同種鋼焊接而言更為復(fù)雜。對于異種鋼焊接而言，工藝確定的主要依據(jù)是異種金屬的焊接性能和產(chǎn)品的使用要求；確定合理工藝不僅改善焊后的組織和性能，而且能減少或避免焊接缺陷產(chǎn)生。其工藝之間有著相互影響和制約的性質(zhì)，在工藝選擇時必須加以注意。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃本生，黃龍鵬，李慧.異種金屬焊接研究現(xiàn)狀及發(fā)

展趨勢[J].材料導(dǎo)報，2011，25（12）.

[2] 宋庭豐，蔣小松，莫德鋒，等.不銹鋼和鈦合金異種

金屬焊接研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報，2015，29（6）.

[3] 潘春旭，孫國正.異種鋼焊接性能的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

[J].水利電力機(jī)械，1998，（3）.

[4] 顧福明，羅曉明，等.T92/HR3C異種鋼焊接接頭性

能研究[J].金屬加工熱加工，2011，（6）.

[5] 柳越，胡林，王娟.SA33-P91與P22異種鋼焊接工藝

研究[J].石油與化工設(shè)備，2011，14（4）.

[6] 孫偉，王桂龍，方宏秋，等.石油化工裝置施工焊接

材料的選擇[J].現(xiàn)代焊接，2007，12（60）.

基金項目：長江師范學(xué)院資助項目（2015XJXM25）。

（責(zé)任編輯：王 波）