异种钢（含复合钢板）的焊接

异种钢（含复合钢板）的焊接

在异种金属的焊接中，最常见的是异种钢的焊接，其次是异种有色金属焊接和钢与有色金属的焊接。本节主要讲异种钢的焊接。

一、异种钢焊接常用钢种及焊接工艺原则

（一）异种钢焊接结构常用的钢种

按照金相组织分类，主要有珠光体钢、马氏体-铁素体钢和奥氏体钢等三大类型。

（二）异种钢的焊接特点和焊接工艺

异种钢焊接的突出问题在于焊接接头的化学不均匀性及由此引起的组织和力学性能的不均匀性、界面组织的不稳定性及应力应变的复杂性等，协调和处理好这些问题是制定异种钢焊接工艺的依据，也是获得满意焊接接头的关键。

1.焊接方法的选择

大部分熔焊和压焊都可以用于异种钢的焊接。一般生产条件下焊条电弧焊使用最方便，因为焊条种类多，可以根据不同异种钢的组合灵活选择，适应性非常强。

2.焊接材料的选择

异种钢焊接时，必须按照异种钢母材的化学成分、性能、接头形式和使用要求正确选择焊接材料。对于金相组织比较接近的异种钢接头，焊接材料的选择要点是要求焊缝金属的力学性能及耐热性等其他性能不低于母材中性能要求较低一侧的指标。但有时反而按性能要求较高的母材来选用焊接材料，可能更有利于避免焊接缺欠的产生。而对于金相组织差别比较大的异种钢接头，如珠光体奥氏体异种钢接头，则必须考虑填充金属受到稀释后，焊接接头性能仍能得到保障来选择焊接材料。总之焊接材料选择可以归纳为四点∶一是接头要能保证设计所需的性能;二是满足焊接性的要求;三是在接头不产生裂纹的前提下，当不能兼顾强度和塑性时，优先选用塑性好的填充金属;四是经济、易得、焊接工艺性能好。表4-4中列有异种钢焊接时焊接材料的推荐牌号，可供参考。

3.坡口角度

异种钢焊接时确定坡口角度的主要依据除母材厚度外，还有熔合比。一般坡口角度越大，熔合比越小，表4-5列出了焊接电弧焊和堆焊时熔合比与坡口角度、焊道层数之间的关系。从中可以看出，坡口角度不同，每一层的熔合比变化也不同，一般在第三层以前的熔合比变化较大。堆焊则相当于坡口角度为180°，其熔合比也最小，但每层之间熔合比的变化却比较大。异种钢多层焊时，确定坡口角度要考虑多种因素的综合影响，但原则上是希望熔合比越小越好，以尽量减小焊缝金属的化学成分和性能的波动。

4.焊接参数

焊接参数对熔合比有直接影响。焊接热输入越大，母材熔入焊缝越多，则稀释率越大，熔合比也越大。焊接热输入取决于焊接电流、电弧电压和焊接速度等参数。当然，焊接方法不同，熔合比的大小及其变化范围也是不同的，表4-6列出常用焊接方法的熔合比及其可能达到的变化范围。

5.预热及焊后热处理

异种钢预热时，预热的目的主要是降低焊接接头的淬火裂纹倾向。因此对于珠光体、贝氏体、马氏体类异种钢的焊接，预热是有好处的。但对于铁素体或奥氏体钢，且其焊缝金属也为铁素体或奥氏体的异种钢焊接接头，预热可能对其使用性能不利，选择预热要特别谨慎。

焊后热处理的目的是改善接头的组织和性能，消除部分残余应力，并促使氢的逸出等。但对于铁素体或奥氏体钢，且其焊缝金属也为铁素体或奥氏体的异种钢焊接接头，则可能有害无益。重要结构都要先作工艺评定，有些还要做晶间腐蚀试验，合格后的焊接工艺方能采用。

二、同类型组织不同钢种的焊接

（一）不同珠光体钢的焊接

不同珠光体钢的焊接也属于异种钢的焊接，除低碳钢外，大部分具有较大的淬硬倾向，焊接时有较明显的裂纹倾向。目前焊接这类钢有两种方法，一是采用珠光体类焊条加预热或后热;二是采用奥氏体焊条不预热。

（二）不同奥氏体钢的焊接

不同钢号的奥氏体钢焊接时，应考虑各种奥氏体钢本身的焊接特点而采取相应的工艺措施，选择焊接材料。注意工艺参数的稳定，从而使熔合比稳定，以保证焊缝金属化学成分的稳定。焊条电弧焊应用最为广泛，一般不需要预热和焊后热处理。

三、珠光体钢与奥氏体钢的焊接

（一）珠光体与奥氏体钢焊接特点

由于化学成分、金相组织、物理性能及力学性能等方面的差异，为保证焊接质量，必须考虑以下特点∶一是焊缝金属的稀释;二是碳迁移形成过渡层;三是接头的残余应力。

（二）珠光体钢与奥氏体钢的焊接工艺

1.焊接方法

注意选择熔合比小、稀释率低的焊接方法。氩弧焊的稀释率受有无填充金属及焊接工艺条件的影响很大，采用时要注意。

2.焊接材料

需要考虑异种焊接接头的使用要求、稀释作用、碳迁移、热物理性能、焊接应力及抗热裂性能等一系列问题。由于有珠光体母材的稀释作用，根据图4-1舍夫勒组织图，Cr18-Ni8型焊接材料不可能满足要求，而Cr25-Ni20型焊接材料有可能因焊缝呈单项奥氏体组织而容易产生热裂纹，所以采用Cr25-Ni13型焊接材料通常是合适的。但对于设计温度高于370℃时，由于焊缝金属膨胀系数的不同，宜采用镍基焊接材料。

3.焊接工艺要点

在确定接头形式、坡口种类、焊缝层数等工艺因素时，同样要依据珠光体钢与奥氏体钢焊接的特点，尽量减少熔合比。又如焊条和焊丝直径小一些，电弧电压高一些，尽量采用小电流、快速焊等。如果为了防止珠光体钢可能产生冷裂纹则需要预热，但预热温度比同种珠光体焊接要低一些。

常用的焊接施工方式有以下几种∶①隔离层堆焊法，即在珠光体钢的坡口面上先堆焊一层Cr25-Ni13型奥氏体金属隔离层，这样可以使最易出问题的珠光体上的那部分焊缝，在拘束度极小的情况下完成。隔离层堆焊完成并经过检查后，再按同种钢焊接的工艺焊接隔离层和奥氏体钢，此法常用于不锈钢管和低合金钢管的焊接。②直接施焊，主要是要保持珠光体钢坡口面熔深最小。③"过渡段"的利用，即先在车间有利条件下焊一个短的珠光体与奥氏体钢异质接头，待工地施工时已是同质接头问题了，此法适用于施工条件差的工地焊接。

四、珠光体钢与马氏体钢的焊接

（一）珠光体钢与马氏体钢焊接特点

珠光体钢与马氏体钢的焊接性主要取决于马氏体钢。这类异种钢形成焊接接头时有以下特点∶一是容易产生冷裂纹;二是产生脆化。

（二）珠光体与马氏体钢的焊接工艺要点

尽可能防止珠光体钢与马氏体钢焊接接头产生脆化和冷裂纹是正确制定焊接工艺的基本原则。为此常采用的措施有以下几点∶①焊前预热，通常为150～400℃。②选择合适的填充材料，应力求接近两种母材金属的成分。③合适的焊接参数，尽量短弧、小热输入焊接。④焊后回火处理，通常进行650~700℃高温回火。

五、珠光体钢与铁素体钢的焊接

（一）珠光体钢与铁素体钢的焊接特点

珠光体钢与铁素体钢的焊接性主要取决于铁素体钢。这类异种钢形成的焊接接头，铁素体钢一侧的焊接热影响区有较大的粗晶脆化倾向，含Cr量越高，高温停留时间越长，焊接接头的脆化倾向越大。

（二）珠光体钢与铁素体钢的焊接工艺要点

为防止珠光体钢与铁素体钢焊接接头的过热粗化、脆化和裂纹，一般采取以下措施∶①焊前预热，这对防止粗晶脆化、裂纹有效，且一般预热温度为150℃。②控制层间温度，这可有效防止焊缝在高温停留时间过长，否则会促使粗晶脆化倾向。③选择合适的填充材料，此时应考虑两种母材金属的预热温度及与焊接方法的配合，与焊后热处理的关系。④焊后及时进行焊后热处理，可促进组织均匀化，以及提高焊缝的塑性和耐蚀性。⑤采用短弧、小电流、快速焊、不摆动，这样的窄焊道有利于防止粗晶脆化。

六、复合钢板的焊接

（一）复合钢板的焊接特点

1.奥氏体系复合钢板的焊接特点

奥氏体系复合钢板是指覆层为奥氏体钢、基层为珠光体钢的复合钢板。这类钢的焊接特点∶①基层与覆层母材及焊材均存在较大差异，因此稀释作用强烈，增大了结晶裂纹倾向。②熔合区可能出现马氏体组织，导致硬度和脆性增加。③基层与覆层的含Cr量差别较大，促使碳向覆层迁移，加剧熔合区的脆化和另一侧热影响区的软化。

2.铁素体-马氏体系复合钢板的焊接特点

铁素体-马氏体系复合钢板是指覆层为铁素体-马氏体钢、基层为珠光体钢的复合钢板。其焊接特点与奥氏体系复合钢板相类似，还有就是这类复合钢板产生冷裂纹的潜伏期与填充材料种类及焊接工艺密切相关，因此焊接检验不能焊后立即进行。

（二）复合钢板的焊接工艺要点

为保证复合钢板的焊接质量，首先要恰当地分别选择覆层和基层的焊接材料，为更有效地防止稀释和碳迁移问题，在基层与覆层之间加焊隔离层，因此还要选好隔离层焊接材料。选择焊接材料的基本原则是，覆层用焊接材料应保证熔敷金属的主要合金元素含量不低于覆层母材标准规定的下限值;对于有防止晶间腐蚀要求的焊接接头，应保证熔敷金属中含有一定量的铌、钛等稳定化元素或超低碳。对于基层应按基层钢材合金含量选用焊接材料，保证焊接接头的抗拉强度不低于基层母材标准规定的抗拉强度下限值。隔离层焊接材料宜选用25Cr-13Ni型或25Cr-20Ni型，以保证能补充基层对覆层造成的稀释;覆层如果是含钼钢则应选用25Cr-13Ni-Mo型。

复合钢板的焊接顺序一般为∶先焊基层①焊缝，再焊隔离层②焊缝，最后焊覆层③焊缝，如图4-2所示。为防止覆层金属混人第一道基层焊缝，可预先将接头附近的覆层金属加工掉一部分。隔离层焊接宜用小热输人、反极性、直线运条和多层多道焊。隔离层在基层的厚度b宜为1.5~2.5mm，在覆层的厚度α宜为0.5～0.5倍覆层厚度，且不大于1.8mm。焊前需要预热的焊接接头，宜按基层母材金属的要求进行。

（三）常用复合不锈钢推荐选用的焊接材料（见表4-7）。