珠光体钢与铁素体钢的焊接
出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第590页（7274字）
(一)异种珠光体钢的焊接
1．珠光体钢的分类
珠光体钢的分类见表2－6－2所示。
表2－6－2 珠光体钢分类［2］
2．异种珠光体钢的焊接工艺
异种珠光体钢焊接时，按强度较低一侧钢材的强度要求选择焊条，其熔敷金属成分与强度较低钢材成分接近，但焊缝的热强性应等于或高于母材金属。某些情况下，为防止焊后热处理或在使用过程中出现碳的迁移，应选用合金成分介于两种母材金属之间的焊接材料。
各种碳钢与低合金钢(Ⅰ～IV类)之间的焊接，选择焊接材料时主要是保证焊接接头的常温力学性能，而对于热稳定钢(V，Ⅵ类)主要是保证焊接接头的高温力学性能。
常温下工作的珠光体淬火钢(Ⅲ，Ⅳ类)，如果焊前不预热，最好选用奥氏体焊条焊接，保持焊缝金属的高塑性，避免焊缝及热影响区出现裂纹。
高温下工作的热稳定钢(V，Ⅵ类)，则不能用奥氏体焊条焊接，否则可能形成脆性的金属间化合物层和脱碳层或增碳层。如果异种珠光体钢构件焊接接头区在工作温度下可能产生扩散层，最好在坡口上堆焊中间过渡层，过渡层中碳化物形成元素(Cr，V，Nb，Ti等)的含量应高于基体金属。
焊接性很差的淬火钢(第1V类，部分含碳量大于0．3%的V、VI类)，焊前应该用塑性好、熔敷金属淬硬倾向低的焊条堆焊一层过渡层(厚度8～10mm)，且堆焊后必须立即回火。
焊接异种珠光体钢时，一般选用低氢型焊条，以保证焊接接头的抗裂性能。
常见异种珠光体钢的组合及其焊接材料、预热和热处理工艺见表2－6－3所示。异种珠光体钢气体保护焊的焊接材料见表2－6－4。
表2－6－3 异种珠光体钢的组合及其焊接材料、预热和热处理工艺［2］
注：①括号内为GB／T983－1995型号。
表2－6－4 异种珠光体钢气体保护焊的焊接材料［4］
异种珠光体钢焊后热处理时应注意以下问题：
(1)当焊件中有强烈淬火倾向的珠光体材料时(第Ⅳ类及部分V、Ⅵ类钢)，焊后应立即进行回火。
(2)为了防止焊件变形，焊前需预热的焊件装炉时炉温不得高于350℃；焊后立即进行回火的焊接构件装炉时炉温不低于450℃。
(3)升温速度取决于被焊钢材的化学成分、焊件类型和壁厚、炉子功率等因素。可根据焊件厚度δ，按式200×25／δ(℃／h)计算。当焊件厚度δ＞25mm时，回火的升温速度应小于200℃／h。
(4)在回火的保温过程中，大件、厚件温差不超过±20℃。
(5)为消除构件的热应力和变形，冷却速度应小于200(℃／h)或小于200×25／δ(℃／h)(当焊件厚度δ＞25mm时)。有回火脆性的钢构件回火时，温度不能取在回火脆性温度范围内，通过这一温度区间时应快冷。有再热裂纹倾向的钢回火温度应避开再热裂纹的敏感温度区间。
(6)进行局部回火时，应保证焊缝两边有均匀的加热区宽度S。对管道和容器等局部回火时，S≥1．25
，R为平均直径(mm)，δ为管壁厚度(mm)，并采取保温措施，尽可能降低残余应力。
3．异种珠光体钢焊接举例
(1)Q235钢与16Mn钢的焊接(Ⅰ+Ⅱ组合)：
①手工电弧焊 Q235钢与16Mn钢焊接时，按Q235钢基本性能和异种材料焊接接头性能来选择合适的焊条，根据等强原则，应选E4303，对于承受动载荷的重要构件可选E4315。
在钢板厚度较大(δ＞20mm)、低温下焊接、结构刚性较大、有裂纹倾向时，焊前应采取预热的工艺措施。Q235钢与16Mn钢焊接的预热温度如表2－6－5所示，手弧焊焊接工艺参数见表2－6－6。
表2－6－5 Q235钢与16Mn钢对接焊接的预热温度［3］
表2－6－6 Q235钢与16Mn钢手弧焊工艺参数［3］
②CO2气体保护焊 CO2气体保护焊主要用于焊接Q235钢与16Mn钢薄板结构，主要问题是气孔和飞溅。焊接过程中必须加强脱氧，应选择含Si、Mn、Ti、Al元素较多的焊丝，如HO8Mn2SiA。
CO2气体保护焊平焊时的焊接工艺参数见表2－6－7。
表2－6－7 Q235+16Mn钢的CO2气体保护电弧焊平焊焊接工艺参数［3］
③埋弧自动焊 中厚板以上、直形较长焊缝的Q235钢与16Mn等低合金钢结构件常采用埋弧自动焊，选H08A或H08E焊丝配合HJ431或HJ430焊剂，焊接工艺参数见表2－6－8。
表2－6－8 Q235与16Mn钢埋弧焊焊接工艺参数［3］
(2)20g钢与16Mn钢的焊接(Ⅰ+Ⅱ组合)：
①手工电弧焊 一般情况下，按20g钢焊接性能要求，选用E4316或E4315等低氢型焊条，尽量不选E5016或E5015。板厚较大或低温条件施焊时，为防止16Mn钢侧产生淬硬组织，可根据16Mn钢的焊接性要求确定预热方法、温度及焊后热处理工艺。
手弧焊焊接工艺参数见表2－6－9。
表2－6－9 20g钢与16Mn钢手工电弧焊的焊接工艺参数［3］
②埋弧焊 埋弧焊时，按照20g钢的焊接性要求选焊丝和焊剂。按16Mn钢的要求选择预热工艺，一般板厚小于8mm的薄板结构可不预热，板厚在15～30mm时，预热温度为150～250℃，板厚在30mm以上时，预热温度可提高到300～350℃。
20g钢与16Mn钢埋弧焊工艺参数见表2－6－10。
表2－6－10 20g钢与16Mn钢埋弧自动焊的焊接工艺参数［3］
③CO2气体保护焊 20g钢与16Mn钢的CO2气体保护焊与Q235钢与16Mn钢的焊接类似。20g钢与16Mn钢对接焊缝焊接工艺参数见表2－6－11。
表2－6－11 20g钢与16Mn钢对接焊缝CO2焊接工艺参数［3］
注：焊丝H08Mn2Si；焊丝直径2mm；气体消耗量1100～1300L·h－1①每面第一层。②其余各层。
(3)异种低合金结构钢的焊接(Ⅰ+Ⅱ组合或Ⅱ+IV组合) 在厚板结构和较大拘束度或低温条件施焊时，有产生冷裂纹的可能性。采取一定的工艺措施，可避免产生冷裂纹。
熔化焊方法焊接，焊接材料一般按强度较低的母材选择，焊接工艺应根据强度较高的母材确定。异种低合金钢的焊接材料和预热温度见表2－6－12。
表2－6－12 异种低合金钢的焊接材料和预热温度［3］
(二)异种高铬钢的焊接
1．高铬钢分类和焊接性
高铬钢的分类见表2－6－13，不锈钢(Ⅶ类)中的1℃r13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等及Ⅸ类高铬热强钢也称为马氏体钢，Ⅶ类钢中的0Cr13、Cr14及Ⅷ类钢一般为铁素体+马氏体双相组织，称为铁素体钢或半铁素体钢。
表2－6－13 高铬钢分类［2］
焊接异种高铬钢构件，除要求常温力学性能、物理致密性(无气孔、夹渣、裂纹等)外，还有一些附加要求，如耐蚀性、耐热性、导磁性等。铬的大量烧损，会大大降低焊缝金属的耐蚀性和热稳定性等，必须减小和避免铬和其他合金元素的氧化烧损，选择焊条时，应选用低氢型药皮的焊条。
焊接铁素体钢(Cr17，Cr25Ti，Cr28等)时，接头的抗晶间腐蚀性能下降，铁素体晶粒长大，使近缝区的冲击韧性下降。因此，焊接高铬铁素体钢时，不要选择焊缝组织为纯铁素体的焊条，因为这类焊缝易产生晶间腐蚀，且冲击韧性很低。应选用铬镍奥氏体钢焊条，用这种焊条施焊的焊缝晶粒不易长大，焊缝金属具有良好的耐蚀性、塑性和冲击韧性。
低碳铁素体不锈钢(0Cr13)焊前可以不预热，但应采用尽可能小的焊接线能量，层间温度在100℃以下，以免晶粒过分长大和近缝区金属的冲击韧性下降。
碳和其他碳化物元素含量较高的高铬钢(1Cr13，2Cr13等)，组织中具有相当数量的马氏体，易引发近缝区裂纹，为了避免在接头中形成冷裂纹，通常要进行300～400℃预热，焊后立即高温回火，回火温度比基体金属焊前回火温度低20～40℃。无法进行焊前预热和焊后热处理时，可以选用铬镍奥氏体焊接材料，但不能保证焊缝与基体金属等强度。
如果异种钢接头由淬火的铁素体－马氏体钢与非淬火的铁素体钢组成，又无法单独加热时，可以采用小的焊接热输入，断续冷焊一层8～10mm厚的过渡层后，立即进行焊前预热，随后用铬202或铬207型焊条焊接。另外，含铬量为25%～30%的铁素体钢，1100℃以下即使在含硫介质中工作也有很好的热稳定性，对于在含硫介质中工作的构件，不能选用含镍很高的奥氏体焊条(如奥102，奥307等)，这类焊条不耐亚硫酸腐蚀。
2．焊接工艺
不同高铬钢手弧焊时焊接材料及预热、回火温度见表2－6－14，气体保护焊的焊接材料见表2－6－15。
表2－6－14 不同高铬钢手弧焊时焊接材料及预热、回火温度［2］
表2－6－15 不同高铬钢气体保护焊的焊接材料［2］
(三)珠光体钢与铁素体钢的焊接
1．珠光体钢与铁素体钢的焊接性
珠光体钢与铁素体钢焊接时，过热区晶粒急剧长大而引起脆化，且含Cr量越高，高温停留时间越长，接头脆性倾向就越严重；焊后的接头室温韧性很低，焊接接头容易产生裂纹。由于珠光体钢与铁素体钢物理性能、化学成分(尤其是含Cr量)存在差异，影响了焊接接头的力学性能、使用性能及抗裂能力。
2．焊接材料
选用焊接材料时，应尽量避免焊缝金属产生对裂纹敏感的显微组织、脆性层和低强度区，且在高温下工作不会变脆。
珠光体钢与铁素体钢焊接既可选用珠光体焊条(E5015－B1、E5515－B2、E5515－B2－V)，也可采用高铬奥氏体焊条(如E1－23－13－16、E1－23－13－25、E0－18－12Mo2－16)。焊缝金属的化学成分取决于所选用的焊接材料和熔合比。选用合金元素含量较少的珠光体焊接材料，焊缝塑性较好，脆性扩散层也较小。
用珠光体焊条焊接高铬不锈钢(Ⅶ类)时，为了尽量减小扩散层和限制脱碳区中晶粒的长大，必须在熔敷金属中加入碳化物形成元素(主要是铬)。因此，珠光体钢与高铬钢(Ⅶ类)焊接时，应选用E5503－B1、E5515－B1、E5515－B2等焊条，尽量不用E4316、E4315、E5016、E5015等焊条。如果工件厚度较大，且要求焊缝有高的塑性，则应选用E5503－B1、E5515－B1或E5515－B2等焊条先在高铬钢坡口面堆焊一层过渡层，然后用E4316、E4315、E5016或E5015等焊条焊接。
对于珠光体钢和高铬铁素体钢(Ⅷ类钢)的焊接接头，不应采用E5515－B1、E5503－B1、E5515－B2等焊条，因为铁素体钢含有大量铬(17%～28%)，容易在熔合线产生热裂纹。这类异种钢的焊接，最好采用E1－16－25Mo6N－15、E1－23－13－16、E1－23－13－15等奥氏体焊条。
焊接高铬的铬钼热稳定钢(V类)时，可选用E5515－B2焊条；对于铬钼钒钢(VI类)与高铬钢的异种接头，应在坡口上先用R417(E6015－B3－VNb)焊条堆焊一层过渡层，然后再用E5515－B2焊条焊接。
珠光体钢与高铬钢的焊接用焊条见表2－6－16，气体保护焊的焊接材料见表2－6－17。
表2－6－16 珠光体钢与高铬钢焊接用焊条［2］
注：①括号内为GB／T983－1995型号。
表2－6－17 珠光体钢与高铬钢气体保护焊的焊接材料［4］
3．焊接工艺
珠光体钢与高铬钢焊接可选用手工电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、CO2气体保护焊等方法。
珠光体钢与高铬钢(VⅢ类)焊接时，焊前不预热，以防止热影响区粗晶脆化，选用较小线能量焊接，多层焊时，采用窄焊道，层间温度小于100℃；对厚度大的接头，锤击焊缝周围，以减小焊接应力，为了防止裂纹，则需焊前预热，预热温度小于150℃，含铬量高时，预热温度可达200～300℃。焊后需热处理，一般是回火，以降低残余应力，使接头组织均匀化，并提高塑性和耐蚀性。
珠光体钢与马氏体高铬钢焊接时，应焊前预热和焊后热处理，预热温度按淬硬倾向大的钢选取。焊件厚度越大，预热温度越高，一般在150～400℃范围内。多层焊时，层间温度与预热温度相同。焊后热处理可显着降低残余应力，改善接头性能，防止产生冷裂纹。但预热温度过高，异种接头中的马氏体高铬钢侧容易引起晶界碳化物沉淀，形成铁素体，使韧性显着降低，通过高温回火得不到改善，应选用调质处理。
预热温度、回火温度的选择见表2－6－16、表2－6－17。
表2－6－18、表2－6－19分别为Q235和铁素体不锈钢、Q235和马氏体不锈钢的焊接工艺。
表2－6－18 Q235+铁素体不锈钢的焊接工艺［3］
注：①括号内为GB／T983－1995型号。
表2－6－19 Q235+马氏体不锈钢的焊接工艺［3］
注：①括号内为GB／T983－1995型号。