1、2011 年第 6 期 南方农机学术研究1Cr18Ni9Ti不 锈 钢 与20 碳 钢 的 管对 焊 连 接 技 术邹新斌 江西机电职业技术学院谭小文 江西省机械高级技工学校伍胜男 江西理工大学南昌校区摘 要 1Cr18Ni 9Ti 奥氏体不锈钢与 20 碳钢焊接属于异种钢焊接，由于它们的化学成分 、热导率和线胀系数有很大差异，焊接时容易产生裂纹等焊接缺陷 。通过深入分析它们的焊接性和焊接中存在的主要问题，采用合适的焊接参数 、H1Cr25Ni 13 镍基焊丝和 A302 高铬镍焊条，以及其他必要的焊接工艺措施，避免了焊接缺陷的产生，满足了工程实践的需要 。关键词 奥氏体不锈钢；低碳钢；异种钢
2、焊接在某工程实践中，需要将规格为 605的 1Cr18Ni9Ti 不锈钢钢管与同规格的 20 碳素结构钢钢管进行管 管对焊连接 。由于这两种材料的化学成分 、热导率和线胀系数有很大差异，因此将两者进行对焊连接时容易产生裂纹等焊接缺陷 。通过对两种材料的焊接性以及异种金属焊接中存在的主要问题进行深入分析，进而通过焊接工艺试验确定了最终的焊接工艺方法，保证了焊接接头的质量，满足了工程实践的需要 。1 两种钢材的焊接性分析1Cr18Ni9Ti 不锈钢与 20 碳素结构钢的化学成分及物理性能分别如表 1、表 2 所示 。从表 1 可见， 1Cr18Ni9Ti 不锈钢是在高铬不锈钢中加入适当的镍（镍的质
3、量分数 WNi 为8.0%11.0%）而形成的，其室温组织为奥氏体，属奥氏体不锈钢，具有很好的耐腐蚀性，钛（ WTi 为1.0%2.0%） 的加入更是提高了它的抗晶间腐蚀能力 。总体来说， 1Cr18Ni9Ti 不锈钢的焊接性良好，但是其化学成分 、组织和物理性能特点决定了它具有较大的热裂纹敏感性，具体原因如下 。一是奥氏体不锈钢中的合金元素较多，尤其是含有一定量的镍，它易与硫 、磷等杂质形成低熔点共晶，如 Ni- S共晶熔点为 645， Ni- P 共晶熔点为 880。这些低熔点共晶会促使热裂纹的产生 。二是奥氏体不锈钢焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶组织，有利于有害杂质元素偏析，从而促使形成
4、连续的晶间液膜，增加了热裂纹的敏感性 。三是从奥氏体不锈钢的物理性能看，它具有热导率小，线胀系数大的特点，因而在焊接局部加热和冷却条件下，易产生较大的焊接残余应力，进一步促进焊接热裂纹的产生 2。20 钢属于低碳钢，含碳较少（ WC 为 0.17%0.23%），含锰 、硅也少（ WMn 为 0.35%0.65%，WSi 为 0.17%0.37%），所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织和淬火组织，这种钢材的塑性和冲击韧性较好，焊成的接头塑性和冲击韧性也好，焊接时一般不需要预热 、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，可以说整个焊接过程中不需要特殊的工艺措施，其焊接性优良，可以
5、采用各种焊接方法焊接 3。2 两种钢材焊接的主要问题虽然 20 碳钢和 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢各自的同种金属焊接性良好，但将两者焊接在一起属于异种金属焊接，比焊接同种金属要困难得多，主要问题如下 。一是由于提高耐腐蚀性的需要，因此在1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢的组织里加入了一定量的 Cr、Ni、Ti 等合金元素，而 20 碳素结构钢中合金元素甚少，这在焊接时将对整个焊缝金属的合39南 方农机 2011 年第 6 期学术研究金会产生稀释作用，使焊缝中奥氏体合金元素的浓度降低，焊接接头的耐腐蚀性能下降，并且由于焊缝中奥氏体形成元素不足，结果在焊缝中出现马氏体组织，使焊接接头的脆性
6、增大，导致焊接接头形成裂纹 。二是在焊接或焊后加热过程中，由于熔合区两侧的成分相差悬殊，组织也不同，因而 20 碳钢母材上靠近熔合区附近的碳原子会扩散到焊缝中去，导致在靠近熔合区的 20 碳钢母材上形成一层脱碳软化层，而在奥氏体不锈钢焊缝一侧则产生增碳硬化层 。脱碳层与增碳层硬度差别明显，在长时间高温下工作时，由于对变形阻力的不同，将产生应力集中，使接头的高温持久强度极限和塑性下降，可能导致沿熔合区断裂 。三是由于 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢的线胀系数比 20 碳钢大将近 50%，而热导率仅为 20 碳钢的 1/3 左右，因此，在将两者进行焊接时会产生很大的焊接残余应力，若处理不当将导
7、致焊接接头产生裂纹 。3 焊接工艺措施为了解决 20 碳钢和 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢异种金属焊接中存在的主要问题，获得合格的焊接接头，在焊接工艺试验时，对焊接方法的选择 、焊接材料与母材的匹配以及焊接工艺措施都要做充分的考虑 。3. 1 焊接方法选择由于钨极氩弧焊的焊接热输入较低，因此它特别适宜对过热敏感的奥氏体不锈钢的焊接 。同时，在钨极氩弧焊的焊接过程中合金元素烧损很少，焊缝表面洁净无渣，焊缝成形好 。此外，手工钨极氩弧焊属于明弧焊接，有利于焊接熔池的观察，而且过渡系数高，在异种材料焊接时，对控制焊缝界面和熔合区的稀释更为有效 。因此，选择手工钨极氩弧焊打底比较理想 。为了加强
8、氩气保护效果，增加管道内部充氩的措施 。为了提高焊接效率和灵活性，盖面层选择焊条电弧焊比较好 。3. 2 焊接材料的选择 .为了克服 20 碳钢对焊缝合金成分的稀释作用，保持焊缝中铬 、镍元素含量在合理水平，降低碳化物的稳定性，削弱碳化物形成元素对碳的结合能力，减弱扩散层的有害作用，手工钨极氩弧焊选用了直径为 2mm的镍基焊丝 H1Cr25Ni13 作为填充材料 。为了提高氩气对焊缝及焊接过程的保护效果，选用纯度为 99.99%高纯氩气作为焊接保护气体 。为了尽量抵消 20 碳钢对焊缝合金元素的稀释作用，增强焊缝的耐腐蚀性和抗裂性，焊条电弧焊选用了直径为 2.5mm的高铬镍焊条 A302。焊接
9、填充材料的化学成分及铬 、镍当量如表3 所示 。通过选用超合金化的焊接填充材料，并将熔合比控制在 0.3 以下，可以避免形成单相奥氏体焊缝，而得到 A+F 双相焊缝组织，以减小焊缝的热裂纹倾向 。同时由于所选焊接填充材料适当提高了焊缝含镍量，有利于降低熔合区碳的扩散迁移能力 。3. 3 焊接工艺参数的确定采用两层焊道，手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面 。为了避免因焊接电流过大，焊缝高温时间过长，导致加速碳化物的扩散与迁移，选用小的焊接线能量输入 。焊接工艺参数如表 4 所示 。4 焊接工艺过程4. 1 焊前准备图 1 为焊件装配示意图 。焊件材料分别为 20碳钢和 1Cr18Ni9Ti 奥氏
10、体不锈钢 。图 1 焊件装配示意图为减少熔合比，降低焊缝合金成分稀释率，便于熔池金属的流动，有利于焊缝根部的熔合，采用斜度较大的 70V 型坡口 。此外，为了保证焊接质量，在焊接前要彻底清除坡口及其内外两侧1020mm范围内的杂质直至见到金属光泽 。4. 2 接头型式采用对接接头，焊接位置为两管对接水平固定焊 。对接间隙 1.52mm，钝边 00.5mm，点固焊长度不超 10mm。4. 3 打底焊采用手工钨极氩弧焊打底 。为保证打底焊缝402011 年第 6 期 南方农机学术研究有良好的成形，采用管子两端封闭，管道内充氩气措施 。充气量要合适，以防止底层焊缝背面焊肉粗糙或氧化 。打底焊遇点固点
11、时要用校型砂轮磨出斜坡以利焊透，同时注意温度不要过高，以防凹陷 。在保证焊透的基础上，动作要快 、干净，避免高温停留时间过长 。4. 4 盖面焊采用直流反接焊条电弧焊 。盖面焊前要用不锈钢丝轮对第一层焊道进行清理 。电焊条采用A302 高铬镍焊条，以获得奥氏体 + 铁素体双向组织，提高焊缝的抗裂性和力学性能 。施焊过程中，在保证焊接质量的前提下，选用小电流快速焊，不作横向摆动 。盖面要均匀，防止咬边，母材两侧一定要熔合好，同时要控制好熔合比，避免靠近 20碳钢熔合线附近化学成分过分稀释 。另外在控制20 碳钢母材熔化量的同时，还要注意熔合区在焊接过程中熔池的搅拌，以避免熔合区合金成分缺乏 。为
12、避免恶化焊缝组织，不进行焊前预热和焊后热处理 。5 结语对于 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢和 20 碳钢这两种化学成分 、热导率和线胀系数有很大差异的异种钢焊接，采用小的线能量输入，以减少碳元素的扩散和迁移，采用镍基焊丝 H1Cr25Ni13 和高铬镍焊条 A302，并将熔合比控制在 0.3 以下，以获得 A+F 双相焊缝组织，减小焊缝的热裂纹倾向和碳元素的扩散和迁移，焊前不预热，焊后不进行热处理，以避免焊缝组织恶化，就能获得良好的焊接效果，保证焊接接头质量，满足工程实践的需要 。参考文献1刘会杰 , 焊接冶金与焊接性 . 机械工业出版社 , 2007. P1872李荣雪 , 金属材料焊接工艺 . 机械工业出版社 , 2008. P703姜波 , 金属材料焊接 . 中国劳动社会保障出版社 , 2009. P212241
