異種金屬焊接問題及焊接工藝分析

蘇曉東

【摘 ?要】科技的進(jìn)步，促進(jìn)工業(yè)建設(shè)得到快速發(fā)展。我國的科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，各種新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝應(yīng)運(yùn)而生，隨之對我國的工程構(gòu)件的質(zhì)量提出了更高的要求。但是在進(jìn)行工程施工時(shí)，不論是哪一種材料，都不可能全面滿足施工的需求。為了能夠滿足施工的需求，人們開始將不同的材料進(jìn)行有效融合，讓這些材料的性能得到了充分的發(fā)揮。同時(shí)還能夠有效替代貴重金屬，減少不必要的經(jīng)濟(jì)投入，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。所以在社會(huì)的各個(gè)行業(yè)之中，經(jīng)常可以看到異種金屬焊接的廣泛應(yīng)用。但是，近幾年我國經(jīng)常發(fā)生異種金屬焊接失效的情況，造成了一定的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。本文就異種金屬焊接問題及焊接工藝展開探討。

【關(guān)鍵詞】異種金屬;焊接;問題;焊接工藝

引言

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)備或其性能己經(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(shí)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(shí)價(jià)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(huì)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(shí)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(cuò)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。

1異種金屬焊接的特點(diǎn)

（一）焊接接頭熔合區(qū)：是性能最差的區(qū)域，異種金屬焊接結(jié)構(gòu)的破壞多半發(fā)生在熔合區(qū)。在靠近熔合區(qū)金屬區(qū)域還形成性能不好的，成分變化的過渡層。（二）焊接接頭的裂紋。（1）冷裂紋：在金屬淬硬傾向和氫的作用及焊接應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生。。（2）熱裂紋：這是高合金鋼焊縫，特別是純奧氏體組織的焊縫最易出現(xiàn)在焊縫中的裂紋。因焊縫中還存在未結(jié)晶低熔點(diǎn)共晶體液膜，在相應(yīng)的應(yīng)力作用條件下生成了裂紋。（三）碳遷移現(xiàn)象。會(huì)造成接頭高溫機(jī)械性能降低，高溫下失效斷裂增加，影響高溫使用壽命的主要原因之一。影響碳遷移的因素是溫度和時(shí)間和化學(xué)成分。

2異種金屬焊接常見問題

（1）如果是長時(shí)間呆在室內(nèi)，接受的是比較正常的溫度，那么焊接的接頭位置的性能（比如彎曲、拉伸等）就比焊母材料高很多。但是如果長期在中溫或者高溫的環(huán)境下運(yùn)行，那么接頭位置的性能就要低于母材料。（2）焊接結(jié)構(gòu)之所以會(huì)被破壞，主要是由于焊縫熔合區(qū)造成的。如果熔合區(qū)的性能無法得到保證，就會(huì)直接影響焊接結(jié)構(gòu)的正常使用，減低其使用性能。（3）焊接的接頭存在著不均勻性。（4）長期在高溫環(huán)境下運(yùn)行或者焊后熱處理時(shí)，會(huì)出現(xiàn)碳遷移的情況。絕大部分的高溫管線失效的位置，都主要出現(xiàn)的脫碳層。（5）焊后熱處理，無法將接頭位置的殘余應(yīng)力有效消除。（6）性能不連續(xù)。由于金相組織和化學(xué)成分的不同，造成了焊接接頭位置的力學(xué)性能的差異性。在焊接接頭的不同位置，其硬度、韌性、塑性、強(qiáng)度、持久性能、高溫蠕變、沖擊性能等都存在著差異性。由于這種不均勻性，使得在同樣的環(huán)境條件之下，不同位置的性能也存在明顯差異，也就是人們常說的強(qiáng)化區(qū)域和弱化區(qū)域。特別是在溫度極高的環(huán)境之下，焊接接頭經(jīng)常會(huì)過早地失去使用價(jià)值。

3焊接工藝措施

3.1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(shí)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(yàn)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l使用要求和母材焊接性質(zhì)），同時(shí)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(shí)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(yàn)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，選擇了氫弧焊焊接方法（這種焊接方法焊接的焊縫有良好的塑性和韌性）。同時(shí)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(shí)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%鎢極氫弧焊為10%-100%。

3.2焊接材料

選擇焊接材料時(shí)，重點(diǎn)考慮的內(nèi)容是焊縫金屬的性能和成分。當(dāng)接頭沒有明顯缺陷時(shí)，最好選擇韌性和塑性較高的材料;焊縫金屬的性能比較一般時(shí)，可以選擇不低于母材性能的焊材，同時(shí)還要考慮焊接的工藝性能;焊接異種鋼時(shí)，可以選擇低氫型的焊條，保持其干燥性。

3.3坡口角度

依據(jù)母材厚度和熔合比選擇。坡口角度越大，熔合比越小。異種鋼焊接原則上是希望熔合比越小越好。

3.4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(yàn)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(shí)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(shí)相互之間也有一定的影響。如使用低氫焊條的時(shí)候，必須使用直流反接的焊接方法，不然焊接是電弧燃燒會(huì)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(huì)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(huì)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(shí)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(shí)根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)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)）。

3.5焊前預(yù)熱和焊后熱處理

（1）預(yù)熱：降低焊接接頭的淬火裂紋傾向。預(yù)熱溫度由母材的淬火傾向大小和焊縫金屬的合金化程度決定。（2）焊后熱處理：能提高接頭淬硬區(qū)的塑性及減小焊接應(yīng)力。注意合理選擇，否則會(huì)引發(fā)裂紋或出現(xiàn)碳遷移等現(xiàn)象。

結(jié)語

焊接異種金屬，能夠滿足某些工程結(jié)構(gòu)的性能需求，替代昂貴的金屬，降低施工成本，給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在開展實(shí)際的焊接工作時(shí)，工作人員要不斷提升自身的專業(yè)技能，對焊接過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)，制定相應(yīng)的結(jié)局策略，以此來提升異種金屬的焊接質(zhì)量。

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（作者單位：山西陽煤化工機(jī)械（集團(tuán)）有限公司）