本文通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，對(duì)不銹鋼-低碳鋼焊接接頭的金相組織、力學(xué)性能、裂紋敏感性進(jìn)行了探討，本研究對(duì)于優(yōu)化焊接工藝、提高焊接接頭的使用壽命等具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

在石油化工、造紙、紡織印染機(jī)械及釀酒設(shè)備中，有許多結(jié)構(gòu)是采用異種鋼焊接而成的。如各種容器、罐體結(jié)構(gòu)內(nèi)壁與腐蝕介質(zhì)接觸的部位常采用不銹鋼，而基座，法蘭等不與腐蝕介質(zhì)接觸的部位采用碳鋼或低合金鋼。異種奧氏體鋼的焊接結(jié)構(gòu)能節(jié)省大量不銹鋼，大大降低設(shè)備的成本。異種金屬焊接接頭要滿(mǎn)足工程上復(fù)雜工況下的性能要求，關(guān)鍵在于解決異種金屬的焊接性問(wèn)題。

一、304不銹鋼與低碳鋼異種鋼焊接性分析

低碳鋼和304不銹鋼的化學(xué)成分和物理性能有較大的差別，因此焊接接頭的成分和性能變化比較復(fù)雜，焊接時(shí)常出現(xiàn)以下幾個(gè)主要問(wèn)題。

（一）焊縫金屬容易產(chǎn)生裂紋

碳素鋼與304不銹鋼焊接時(shí)，焊縫金屬產(chǎn)生裂紋的主要原因是由于稀釋作用，焊縫中的奧氏體形成元素含量減少，出現(xiàn)脆硬的馬氏體組織，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋。為了防止母材金屬對(duì)焊縫的稀釋作用，使焊縫不產(chǎn)生裂紋，在焊接生產(chǎn)中常采用下列措施：

1.嚴(yán)格控制焊縫的稀釋率。實(shí)踐表明，焊縫的稀釋率控制在30%以下，能有效地防止裂紋傾向。而母材金屬對(duì)焊縫的稀釋作用，主要通過(guò)選擇焊接方法與填充材料來(lái)解決。

2.采用過(guò)渡層。焊接低碳鋼與304不銹鋼時(shí)，可先在低碳鋼的坡口表面用含鉻鎳量高的焊條堆焊一層奧氏體過(guò)渡層，然后再將過(guò)渡層與不銹鋼焊接。

（二）焊接接頭的塑性和韌性降低

碳素鋼與304不銹鋼焊接時(shí)，焊接接頭塑性和韌性降低的主要原因是熔合區(qū)出現(xiàn)脆性層。出現(xiàn)脆性層的原因有：

1.焊接時(shí)由于熔池邊緣金屬溫度較低、流動(dòng)性差，熔化的母材金屬和填充材料不能充分混合，其結(jié)果是母材金屬所占比例較大，在碳素鋼母材金屬側(cè)的熔合區(qū)金屬中，容易形成與焊縫內(nèi)部成分不同的脆性層。

2.碳素鋼母材金屬的稀釋作用大。由于碳素鋼含碳量比不銹鋼多，碳素鋼對(duì)焊縫的稀釋作用較強(qiáng)，使熔合區(qū)的脆性層中含鉻、鎳量減少，其組織成為高硬度的馬氏體，所以脆性增加，塑性和韌性下降。

（三）熔合區(qū)產(chǎn)生軟化(脫碳層)和硬化(增碳層)現(xiàn)象焊接碳素鋼與304不銹鋼時(shí)，熔合區(qū)出現(xiàn)軟化和硬化是碳的遷移造成的。所謂碳的遷移就是碳從碳素鋼母材金屬中通過(guò)熔合區(qū)向焊縫遷移。其結(jié)果是靠近熔合線(xiàn)的碳素鋼母材金屬側(cè)出現(xiàn)脫碳層(鐵素體)而軟化，在焊縫側(cè)出現(xiàn)增碳層而硬化。碳的遷移使熔合線(xiàn)處碳的濃度差發(fā)生突變。

（四）焊縫金屬容易剝離

所謂“剝離”就是指焊接異種金屬時(shí)，由于物理性能和化學(xué)成分相差很大，焊后焊縫金屬自動(dòng)與母材金屬脫裂的現(xiàn)象。

焊接碳素鋼與304不銹鋼時(shí)，因?yàn)椴讳P鋼的線(xiàn)脹系數(shù)比碳素鋼大，熱導(dǎo)率比碳素鋼小，焊后會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)焊縫金屬的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)沿熔合線(xiàn)產(chǎn)生裂紋，最后導(dǎo)致焊縫金屬剝離。

為防止焊縫金屬產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，應(yīng)采取以下兩個(gè)有效措施：一是合理改善焊接接頭的應(yīng)力分布。二是嚴(yán)格控制冷卻速度。

二、研究?jī)?nèi)容與試驗(yàn)方法

（一）研究?jī)?nèi)容

1.比較焊條電弧焊與TIG焊對(duì)304不銹鋼與低碳鋼異種鋼焊接接頭焊縫組織及力學(xué)性能的影響。

2.研究304不銹鋼與低碳鋼異種鋼焊接接頭熱裂紋敏感性。

（二）試驗(yàn)方法

1.試樣及焊接工藝參數(shù)

試驗(yàn)材料：Q235A鋼，1Cr18Ni9Ti鋼。

試驗(yàn)尺寸：90×45×6mm。

焊接材料：A102焊條，HCr18Ni13焊絲。

2.304不銹鋼與低碳鋼異種鋼焊接接頭裂紋敏感性試驗(yàn)

采用巴東拘束裂紋敏感性試驗(yàn)方法。此法用于對(duì)接焊縫焊接時(shí)可得較大的拘束度，故對(duì)焊縫金屬中形成裂紋的敏感性較強(qiáng)，也有可能在母材熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生裂紋。將不銹鋼-低碳鋼樣板以對(duì)接接頭的形式擺放在一不小于30mm厚的平板上，用手工電弧焊將焊件式樣四周以固定焊縫焊牢。待焊件冷卻后焊接試驗(yàn)焊縫。

三、試驗(yàn)結(jié)果及分析

（一）焊條電弧焊焊縫及HAZ組織

奧氏體+鐵素體，呈枝晶狀分布；上方母材熱影響區(qū)的顯微組織，奧氏體+鐵素體+碳化物，呈帶狀分布。

鋼一側(cè)HAZ顯微組織，過(guò)熱區(qū)顯微組織為珠光體和鐵素體，略呈魏氏組織態(tài)，比母材粗大。

（二）TIG焊焊縫及HAZ組織

圖3中白色為奧氏體，黑灰色為碳化物析出物，能明顯看見(jiàn)碳化物從晶界析出，呈條狀分布。圖4中也有碳化物析出，呈帶狀分布，奧氏體晶粒明顯粗大。

（三）熔合區(qū)組織

從圖5和圖6可知無(wú)論焊條電弧焊還是TIG焊焊接接頭中熔合區(qū)的顯微組織都較容易辨認(rèn)。組織形狀因成分不同而各異，從熔合區(qū)到母材有幾個(gè)過(guò)渡區(qū)，呈“三明治”結(jié)構(gòu)形式。

（四）焊接接頭斷裂強(qiáng)度

拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從試驗(yàn)結(jié)果上看，焊條電弧焊與TIG焊焊接接頭強(qiáng)度都有所降低。焊條電弧焊之所以斷在焊縫，主要由于A102焊條含碳量較低。

四、焊接頭裂紋敏感性

采用A102焊條電弧焊，直流反接進(jìn)行的巴東拘束試樣。試樣焊接接頭熱影響區(qū)出現(xiàn)肉眼能觀(guān)察到的表面裂紋，表明裂紋傾向較大。

采用填絲與不填絲焊鎢極氬弧焊，直流正接進(jìn)行的巴東拘束試樣。試樣焊接接頭均出現(xiàn)肉眼寬肩的表面裂紋，采用滲透檢查也沒(méi)有觀(guān)察到表面裂紋，表明裂紋傾向不大。

五、結(jié)論

1.珠光體—奧氏體異種鋼焊接接頭的組織，明顯分為三個(gè)主要特征區(qū)域，即焊縫金屬區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)。各區(qū)域的組織和成分分布決定于焊接材料的化學(xué)成分及焊接工藝。

2.珠光體—奧氏體異種鋼焊接接頭組織，從焊縫金屬區(qū)經(jīng)熔合區(qū)到熱影響區(qū)的組織具有典型的“三明治”結(jié)構(gòu)。

3.焊接方法和焊接材料的選擇對(duì)異種鋼接頭組織和性能具有很大影響。

4.從拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知不銹鋼和低碳鋼焊縫中，低碳鋼一側(cè)由于碳的遷移及母材的稀釋作用，其性能降低。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)注意這一點(diǎn)，并采取一定措施減小其影響。

5.采用A102焊條電弧焊焊接珠光體—奧氏體異種鋼，焊接接頭有較大裂紋傾向；采用填絲（HCr18Ni13）與不填絲焊鎢極氬弧焊焊接珠光體—奧氏體異種鋼，焊接接頭裂紋傾向不大。