不銹鋼與Q碳鋼的異種鋼焊接技術(shù)

1、1Cr13不銹鋼與Q235碳鋼的異種鋼焊接技術(shù) 1 前言 某水庫檢修閘門門槽主軌設(shè)計(jì)采用的結(jié)構(gòu)是斷面為40×60mm的1Cr13不銹鋼焊接固定在厚度為50mm的Q235鋼板上。由于兩種材料的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)有很大差異，為了保證焊接質(zhì)量，認(rèn)真分析了兩種材料的焊接性能及存在的問題，并據(jù)此制定了具體的焊接工藝措施。2焊接性能分析1Cr13不銹鋼和Q235碳鋼的化學(xué)成分及物理性能如表1、2所示。1Cr13不銹鋼的Cr含量在115135，同時(shí)匹配有不大于015的C，Cr本身能增加鋼的奧氏體穩(wěn)定性，加入碳后經(jīng)固熔再空冷會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，因此1Cr13不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)焊后狀態(tài)的組織

2、為硬脆的馬氏體組織。另外，1Cr13的碳當(dāng)量約為276，因此它的焊接性較差。由于1Cr13不銹鋼的導(dǎo)熱性較Q235碳鋼差，焊接殘余應(yīng)力較大，加之本閘門主軌的剛度較大，所以從高溫直接冷卻到100120以下時(shí)很容易產(chǎn)生冷裂紋。由于焊接熱循環(huán)的作用，1Cr13不銹鋼有較大的過熱傾向，晶粒易粗化，熱影響區(qū)會(huì)出現(xiàn)粗大的鐵素體和炭化物組織，塑性降低，冷卻時(shí)能引起脆化，如果再有氫的作用，冷裂紋的傾向就更加明顯。3焊接中的主要問題由于1Cr13不銹鋼和Q235碳鋼化學(xué)成分差異很大，因此它們的焊接屬于異種鋼焊接，要在熔焊的條件下獲得可靠的焊接接頭存在許多問題。31熱導(dǎo)率和比熱容的差異金屬的熱導(dǎo)率和比熱容強(qiáng)烈地影

3、響著被焊材料的熔化、熔池的形成，以及焊接區(qū)溫度場和焊縫的凝固結(jié)晶。1Cr13不銹鋼熱導(dǎo)率約為Q235碳鋼的一半，這么大的差異可使兩者的熔化不同步，熔池形成和金屬結(jié)合不良，導(dǎo)致焊縫結(jié)晶條件變壞，焊縫性能和成形不良。32線膨脹系數(shù)的差異由于1Cr13不銹鋼與Q235碳鋼的線膨脹系數(shù)不同，造成它們在形成焊接連接之后的冷卻過程中，焊縫兩側(cè)的收縮量不同，導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)復(fù)雜的高應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而加速裂紋的產(chǎn)生。331Cr13不銹鋼和Q235碳鋼焊接時(shí)同樣存在焊縫稀釋和形成過渡層的問題，導(dǎo)致Q235碳鋼一側(cè)焊縫形成脫碳層而1Cr13不銹鋼一側(cè)形成增碳層，隨著擴(kuò)散的持久，使Q235碳鋼一側(cè)的含碳量降低，變成了鐵

4、素體組織，并使焊接接頭的焊縫組織成為奧氏體加鐵素體。4焊接工藝措施為了獲得無裂紋的焊接接頭，應(yīng)盡量避免焊接接頭熔合線組織與焊縫金屬的不一致性，使1Cr13不銹鋼一側(cè)沒有顯著的稀釋現(xiàn)象，在工藝上采取了以下措施：41正確選擇焊接材料1Cr13不銹鋼與Q235碳鋼焊接接頭的焊縫金屬化學(xué)成分主要取決于填充金屬。為了保證結(jié)構(gòu)使用性能的要求，焊縫金屬的成分應(yīng)力求接近于其中一種鋼的成分。為了盡量減小構(gòu)件的焊接變形，采取了兩名電焊工對(duì)稱焊接的手工弧焊方法，焊條選用E5015（或E309），焊縫金屬的Cr當(dāng)量為56，經(jīng)回火處理后具有良好的力學(xué)性能。42預(yù)熱溫度和層間溫度焊前預(yù)熱和層間溫度的控制對(duì)減少裂紋的形成有

5、一定影響。預(yù)熱溫度過高，會(huì)導(dǎo)致焊縫的冷卻速度變慢，有可能引起焊接接頭晶粒邊界碳化物的析出和形成鐵素體組織，大大地降低接頭的沖擊韌性。預(yù)熱溫度過低，則起不到預(yù)熱的作用，無法防止裂紋的形成。1Cr13不銹鋼與Q235碳鋼焊接的預(yù)熱溫度和層間溫度要控制在150300。43焊后溫度的控制及回火熱處理焊后必須緩慢冷卻至100150，保溫051h，使焊接接頭的組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，隨后才能升溫回火，進(jìn)行熱處理?；鼗饻囟葢?yīng)控制在700730范圍內(nèi)，保溫時(shí)間在45h。44操作工藝為防止不銹鋼焊接一側(cè)晶體粗大，產(chǎn)生脆化和裂紋，還要采取以下工藝措施：1選用小的熱輸入，小的焊接電流，較快的焊接速度。2采用短弧焊，電

6、弧稍偏向碳鋼母材側(cè)，使兩母材金屬受熱均勻一致。3由于需要多層焊，前一層焊縫冷卻至200300后焊下一道焊縫。4焊后進(jìn)行緩冷。具體焊接工藝參數(shù)選擇如表3。5結(jié)語對(duì)于1Cr13不銹鋼與Q235碳鋼的異種鋼焊接，采用手工電弧焊，焊條選用E5015或E309，選擇合適的焊前預(yù)熱溫度、焊接電流及速度等焊接工藝參數(shù)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚?，就能獲得良好的焊接效果，滿足焊接結(jié)構(gòu)的使用要求。本工程由于采用了合理的焊接材料和焊接工藝，焊接接頭成形良好，未見裂紋的產(chǎn)生。視頻教學(xué)金屬工藝第九章 常用金屬材料的焊接 金屬材料在焊接過程要經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，在接頭區(qū)內(nèi)可能產(chǎn)生缺陷，使接頭失去連續(xù)性，或者降低了

7、接頭區(qū)金屬固有的基本性能，影響焊接結(jié)構(gòu)的使用壽命，嚴(yán)重者可導(dǎo)致焊接事故發(fā)生。因此研究和確定金屬的焊接性，對(duì)于分析和解決可能產(chǎn)生的問題，研究和選擇焊接材料，合理選定焊接工藝等有十分重要的意義。 第一節(jié) 鋼的焊接性 一、焊接性的概念 金屬的焊接性指金屬材料焊接的難易程度。主要指在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。焊接性越差，則工藝措施越復(fù)雜。 焊接性包括兩個(gè)方面的內(nèi)容： 1接合性能。接頭在焊接過程形成焊接缺陷的敏感性 2使用性能。接頭在一定使用條件下可靠運(yùn)行的能力 金屬焊接性是一系列性能的綜合表現(xiàn)。對(duì)于不同材料，不同工作條件下的焊件，焊接性的主要內(nèi)容不同。例如，普通低合金結(jié)構(gòu)鋼，耐

8、熱鋼、高合金耐熱鋼等，對(duì)于淬硬和冷裂縫比較敏感，因此在焊接這些材料時(shí)，如何解決淬硬和冷裂的問題是焊接性的主要內(nèi)容；又如焊接奧氏體不銹鋼時(shí)，晶間腐蝕和熱裂紋是主要問題，也是其可焊性的主要問題。對(duì)第291頁性就越不容易保證。 三、焊接性的試驗(yàn)方法 材料的焊接性的確定通常經(jīng)過一系列的試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)盡可能地預(yù)計(jì)到各種可能發(fā)生的問題，以較少的代價(jià)得到進(jìn)行施工準(zhǔn)備、制定焊接工藝方案的初步依據(jù)。 焊接性試驗(yàn)可分為間接試驗(yàn)法和直接試驗(yàn)法兩大類。 1間接試驗(yàn)法。判斷焊接性的最簡便的方法是碳當(dāng)量法。碳當(dāng)量是指把鋼中合金元素(包括碳)的含量按其作用換算成碳的相當(dāng)含量，作為評(píng)價(jià)鋼材焊接性的指標(biāo)。 鋼材的化學(xué)成分決定了焊

9、接熱影響區(qū)的淬硬和冷裂傾向，碳是各種合金元素中對(duì)鋼材淬硬、冷裂影響最大的元素，所以把各種合金元素對(duì)淬硬、冷裂傾向的影響折合成碳的影響，即所謂碳當(dāng)量法。 碳當(dāng)量估算公式很多，下列碳當(dāng)量公式是國際焊接協(xié)會(huì)推薦的碳當(dāng)量(CE)公式： 式中元素的符號(hào)表示其在鋼中含量的百分比。根據(jù)試驗(yàn)：當(dāng)CE<0.4時(shí)，焊接性優(yōu)良，焊接時(shí)不需預(yù)熱；當(dāng)CE0406時(shí)，焊接性稍差，鋼的淬硬傾向逐漸明顯，需采取適當(dāng)預(yù)熱，控制線能量才能焊接；當(dāng)C。>o6時(shí)，淬硬傾向更強(qiáng)，焊接性差，需要較高的預(yù)熱溫度并采取嚴(yán)格的焊接工藝措施。 2直接試驗(yàn)法。通過直接試驗(yàn)來評(píng)定鋼材的焊接性。它有三個(gè)目的： (1)選擇適用于母材的焊接材

10、料。42CrMo 鏈輪的富氬氣體保護(hù)焊鏈輪是生產(chǎn)煤機(jī)設(shè)備的重要部件之一，鏈輪與滾筒通過焊接成為一體，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中鏈輪要承受足夠的扭矩，焊縫要求有較高的強(qiáng)度和韌性，焊接質(zhì)量要求較高。在鏈輪生產(chǎn)和焊接修復(fù)中，用氣體保護(hù)焊代替手工電弧焊可大大提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。1焊接性分析鏈輪采用42CrMo 中碳調(diào)質(zhì)鋼制造，該鋼的碳當(dāng)量較高（Ceq=0.8% 左右），屬高淬硬傾向合金結(jié)構(gòu)鋼，焊接冷裂傾向比較嚴(yán)重。由于鏈輪需要在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，焊態(tài)下使用，由此造成焊接接頭綜合力學(xué)性能降低。如何正確選擇焊接材料及焊接工藝，防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生，確保焊接接頭具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能是該鋼焊接的主要技術(shù)關(guān)鍵。2焊絲

11、的選擇根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)，采用直徑1.6 的HS-70 焊絲焊接42CrMo鋼鏈輪。該焊絲焊接工藝性能優(yōu)良，熔敷金屬具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。采用20%Ar 80%CO2混合氣體保護(hù)焊熔敷金屬的化學(xué)成分（%）：C 0.07，Si 0.45，Mn1.24，Ni0.42，Mo0.42。3工藝方案1) 坡口加工及清理采用X形坡口，坡口角度60°，鈍邊2。坡口采用機(jī)械方法加工。焊前在坡口表面及兩側(cè)5 范圍內(nèi)進(jìn)行清理，不得有氧化皮、油污及水銹等雜質(zhì)。 2） 焊前預(yù)熱采用3.2 的E5015 焊條進(jìn)行點(diǎn)固焊，焊條使用前需經(jīng)300下烘干2h ，隨用隨取。根據(jù)焊接性試驗(yàn)結(jié)果，為防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生，預(yù)熱溫度

12、不應(yīng)低于250 。預(yù)熱采用整體預(yù)熱的措施，用表面測溫儀測量溫度。3） 層間溫度合適的層間溫度是防止焊接冷裂紋及獲得優(yōu)良焊接接頭的必要條件之一，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，選擇層間溫度。200-250。4) 焊接工藝參數(shù)鏈輪焊接時(shí)采用多層多道焊，在焊接過程中注意保證填滿弧坑。鏈輪焊接所采用的工藝參數(shù)見表焊后工件需要及時(shí)進(jìn)行回火處理，回火溫度為470-500，保溫2.5-3.0h后出爐，在空氣中自然冷卻至室溫。表 鏈輪焊接的工藝參數(shù)層數(shù)焊接電流/A焊接電壓/V氣流流量/L·min-1焊絲干伸長/mm打底層250-28025-2815-2014-18其他層290-31028-3015-2014-184焊接接頭綜合力學(xué)