1Cr13不锈钢与Q235碳钢的异种钢焊接技术

1Cr13不锈钢与Q235碳钢的异种钢焊接技术

1 前言某水库检修闸门门槽主轨设计采用的结构是断面为40×60mm 的1Cr13不锈钢焊接固定在厚度为50mm的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100～120℃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。

3．31Cr13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，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150～300℃。4．3 焊后温度的控制及回火热处理

焊后必须缓慢冷却至100～150℃，保温0．5～1h，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700～730℃范围内，保温时间在4～5h。

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200～300℃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://202.114.88.54/new/jsgyx09/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，晶间腐蚀和热裂纹是主要问题，也是其可焊性的主要问题。对

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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：