1Cr13不锈钢与Q235碳钢的异种钢焊接技术

1、1前言 某水库检修闸门门梢主轨设计采用的结构是断面为 40x 60mm 的1Cr13不锈钢焊接固定在厚度为50mm勺Q235钢板上。由于两种材 料的热导率和线膨胀系数有很大差异，为了保证焊接质量，认真分析了两种材料的焊接性能及存在的问题，并据此制定了具体的焊接工艺措施。2焊接性能分析1Cr13不锈钢和Q235碳钢的化学成分及物理性能如表1、2所示。1Cr13不锈钢的Cr含量在11. 5%13. 5%,同时匹配有不大 于0. 15%的C, Cr本身能增加钢的奥氏体稳定性，加入碳后经固熔 再空冷会发生马氏体转变，因此1Cr13不锈钢焊缝和热影响区焊后状 态的组织为硬脆的马氏体组织。另外，1Cr13

2、的碳当量约为2. 76%, 因此它的焊接性较差。由于1Cr13不锈钢的导热性较Q235碳钢差， 焊接残余应力较大，加之本闸门主轨的刚度较大，所以从高温直接冷 却到100120c以下时很容易产生冷裂纹。由于焊接热循环的作用， 1Cr13不锈钢有较大的过热倾向，晶粒易粗化，热影响区会出现粗大 的铁素体和炭化物组织，塑性降低， 冷却时能引起脆化，如果再有氢 的作用，冷裂纹的倾向就更加明显。3焊接中的主要问题由于1Cr13不锈钢和Q235碳钢化学成分差异很大，因此它们的焊接属于异种钢焊接，要在熔焊的条件下获得可靠的焊接接头存在许 多问题。3. 1热导率和比热容的差异金属的热导率和比热容强烈地影响着被焊

3、材料的熔化、熔池的形成，以及焊接区温度场和焊缝的凝固结晶。1Cr13不锈钢热导率约为Q235碳钢的一半，这么大的差异可使两者的熔化不同步，熔池形成 和金属结合不良，导致焊缝结晶条件变坏，焊缝性能和成形不良。3. 2线膨胀系数的差异由于1Cr13不锈钢与Q235碳钢的线膨胀系数不同，造成它们在形成焊接连接之后的冷却过程中， 焊缝两侧的收缩量不同，导致焊接 接头出现复杂的高应力状态，进而加速裂纹的产生。3. 3 1Cr13不锈钢和Q235碳钢焊接时同样存在焊缝稀释和形成过渡层的问题，导致Q235碳钢一侧焊缝形成脱碳层而1Cr13不锈钢一侧形成增碳层，随着扩散的持久，使 Q235碳钢一侧的含碳量降低

4、， 变成了铁素体组织，并使焊接接头的焊缝组织成为奥氏体加铁素体。4焊接工艺措施为了获得无裂纹的焊接接头，应尽量避免焊接接头熔合线组织与焊缝金属的不一致性，使1Cr13不锈钢一侧没有显著的稀释现象， 在 工艺上采取了以下措施：4. 1正确选择焊接材料1Cr13不锈钢与Q235碳钢焊接接头的焊缝金属化学成分主要取 决于填充金属。为了保证结构使用性能的要求，焊缝金属的成分应力 求接近于其中一种钢的成分。为了尽量减小构件的焊接变形，采取了 两名电焊工对称焊接的手工弧焊方法，焊条选用E5015（或E309）,焊缝金属的Cr当量为5%6%,经回火处理后具有良好的力学性能。 4. 2预热温度和层间温度焊前预

5、热和层间温度的控制对减少裂纹的形成有一定影响。预热温度过高，会导致焊缝的冷却速度变慢，有可能引起焊接接头晶粒边 界碳化物的析出和形成铁素体组织，大大地降低接头的冲击韧性。预 热温度过低，则起不到预热的作用，无法防止裂纹的形成。1Cr13不锈钢与Q235碳钢焊接的预热温度和层间温度要控制在 150300C o 4. 3焊后温度的控制及回火热处理焊后必须缓慢冷却至100150C, 温0. 51h,使焊接接头 的组织全部转变为马氏体，随后才能升温回火，进行热处理。回火温 度应控制在700730c范围内，彳温时间在 45h。4. 4操作工艺为防止不锈钢焊接一侧晶体粗大， 产生脆化和裂纹，还要采取以 下

6、工艺措施：1选用小的热输入，小的焊接电流，较快的焊接速度。 2采用短弧焊，电弧稍偏向碳钢母材侧，使两母材金属受热均匀一致。 3由于需要多层焊，前一层焊缝冷却至 200300c后焊下一道焊缝。 4焊后进行缓冷。具体焊接工艺参数选择如表 3。5结语对于1Cr13不锈钢与Q235碳钢的异种钢焊接，采用手工电弧焊,焊条选用E5015或E309,选择合适的焊前预热温度、焊接电流及速度等焊接工艺参数并进行适当的焊后热处理，就能获得良好的焊接效果，满足焊接结构的使用要求。本工程由于采用了合理的焊接材料和焊接工艺，焊接接头成形良好，未见裂纹的产生。http:4/new/jsgyx09/

7、course/Content.asp?c=158 视频教学金属工艺第九章常用金属材料的焊接金属材料在焊接过程要经过一系列复杂的物理、化学过程，在接头区内可能产生缺陷，使接头失去连续性，或者降低了接头区金属固有的基本性能， 影响焊接结构的使用寿命，严重者可导致焊接事故发生。因此研究和确 定金属的焊接性，对于分析和解决可能产生的问题， 研究和选择焊接材料，合理选定焊接工艺等有十分重要的意 义。第一节钢的焊接性一、焊接性的概念金属的焊接性指金属材料焊接的难易程度。主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程 度。焊接性越差，则工艺措施越复杂。焊接性包括两个方面的内容：1 .接合性能。接头在

8、焊接过程形成焊接缺陷的敏感性.2 .使用性能。接头在一定使用条件下可靠运行的能力.金属焊接性是一系列性能的综合表现。对于不同材料，不同工作条件下的焊件，焊接性的主要内容不同。 例如，普通低合金结构钢，耐热钢、高合金耐热钢等，对于淬硬和冷裂缝比较敏感，因此在焊接这些材料时，如 何解决淬硬和冷裂的问题是焊接性的主要内容； 又如焊接奥氏体不锈钢时，品间腐蚀和热裂纹是主要问题， 也是 其可焊性的主要问题。对第291页性就越不容易保证。三、焊接性的试验方法材料的焊接性的确定通常经过一系列的试验。试验时尽可能地预计到各种可能发生的问题，以较少的代价 得到进行施工准备、制定焊接工艺方案的初步依据。焊接性试验

9、可分为间接试验法和直接试验法两大类。1 .间接试验法。判断焊接性的最简便的方法是碳当量法。碳当量是指把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量，作为评价钢材焊接性的指标。钢材的化学成分决定了焊接热影响区的淬硬和冷裂倾向，碳是各种合金元素中对钢材淬硬、冷裂影响最大 的元素，所以把各种合金元素对淬硬、冷裂倾向的影响折合成碳的影响，即所谓碳当量法。碳当量估算公式很多，下列碳当量公式是国际焊接协会推荐的碳当量（CE）公式：式中元素的符号表示其在钢中含量的百分比。根据试验：当CE<0.4%时，焊接性优良，焊接时不需预热;当C±0. 4%0. 6%时，焊接性稍差，钢的淬硬倾向

10、逐渐明显，需采取适当预热，控制线能量才能焊接；当 Co >o. 6%时，淬硬倾向更强，焊接性差，需要较高的预热温度并采取严格的焊接工艺措施。2 .直接试验法。通过直接试验来评定钢材的焊接性。它有三个目的：（1）选择适用于母材的焊接材料。42CrMo链轮的富瀛气体保护焊链轮是生产煤机设备的重要部件之一，链轮与滚筒通过焊接成为一体，在转动过程中链轮要承受足够的扭矩， 焊缝要求有较高的强度和韧性，焊接质量要求 较高。在链轮生产和焊接修复中，用气体保护焊代替手工电弧焊可大大提高生产 效率，降低劳动强度。1 .焊接性分析链轮采用42CrMo中碳调质钢制造，该钢的碳当量较高（Ceq=0.8%左右），

11、 属高淬硬倾向合金结构钢，焊接冷裂倾向比较严重。由于链轮需要在调质状态下 焊接，焊态下使用，由此造成焊接接头综合力学性能降低。如何正确选择焊接材 料及焊接工艺，防止焊接冷裂纹的产生，确保焊接接头具有优良的综合力学性能 是该钢焊接的主要技术关键。2,焊丝的选择根据对比试验，采用直径1.6 mm的HS-70焊丝焊接42CrMo钢链轮。该焊 丝焊接工艺性能优良，熔敷金属具有优良的综合力学性能。采用 20%Ar 80%CO 混合气体保护焊熔敷金属的化学成分（% : C0.07 , Si 0.45, Mn1.24, Ni0.42 , Mo0.42。3 .工艺方案1）坡口加工及清理采用X形坡口，坡口角度6

12、0° ,钝边2 mm0坡口采用机械方法加工。焊前 在坡口表面及两侧5 nlm范围内进行清理，不得有氧化皮、油污及水锈等杂质。2）焊前预热采用3.2 mm的E5015焊条进行点固焊，焊条使用前需经 300c下烘干2h , 随用随取。根据焊接性试验结果，为防止焊接冷裂纹的产生，预热温度不应低于 250c。预热采用整体预热的措施，用表面测温仪测量温度。3）层间温度合适的层间温度是防止焊接冷裂纹及获得优良焊接接头的必要条件之一，结合实际生产情况，选择层问温度。200-250 C 04）焊接工艺参数链轮焊接时采用多层多道焊，在焊接过程中注意保证填满弧坑。链轮焊接所 采用的工艺参数见表焊后工件需要及时进行回火处理，回火温度为470-500 C,保温2.5-3.0h后出炉，在空气中自然冷却至室温。表链轮焊接的工艺参数层数焊接电流/A焊接电压/V气流流量/L - min-1焊丝干伸长/mm打底层250-28025-2815-2014-18其他层290-31028-3015-2014-184 .焊接