浅谈异种钢焊接

比必须在０．３以下（图１中ｄ为临界点）。假如焊条金属也为１８—８型，设其组成与母材Ｓ相同，则
焊缝金属的组成必在ａ—Ｓ连线上，此时只有熔合比小于０．１５时方可避免焊缝出现马氏体组织。显然，
簇 用碳钢焊条根本避免不了马氏体出现。由此可知，异种钢焊接时，为确保焊缝成分合理（保证塑性、
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１异种钢的焊接性分析
１．１焊缝成分的稀释
珠光体钢与奥氏体钢相连接的异种钢焊接接头，一般都是采用超合金化焊接材料，或者是高 ＣｒＮｉ奥氏体钢，或者是Ｎｉ基合金。 设１８—８不锈钢（ｓ）与低碳钢（ｍ）焊接，焊接时有大体相当数量的Ｓ与ｍ熔入焊接熔池，在未有焊 条熔敷金属填充时，这两种钢ｓ与ｍ同等比例混合后的成分，可由舍夫勒图求得，即为图１中之点 ａ。可以认为这就是待焊母材。参见图１，具有点ａ成分的母材再与成分为ｆ或ｆ’的焊条金属相熔
比钢中成分影响还要显著。所以，碳的迁移并不一定是碳浓度差所造成的，而往往可具有上坡扩散
的性质。
为了减少碳迁移现象或减小碳迁移过渡层的宽度，除了合理选择成分合适的珠光体钢（例如应
含有较多强碳化物形成元素）外，应力求焊缝中存在能增大碳活度系数的元素。实践表明，焊缝中
含有一定量Ｎｉ可较显著地减少增碳层及脱碳层宽度。
必须控制焊后热处理。焊后加热温度与加热时间对碳迁移的影响非常明显，尤其是温度的影响
（注意：不宜采用火焰加热，可选用中频、工频感应法或远红外加热法预热，另外Ａ类异种钢焊接
管壁厚度不大于６ｍｍ的ＡＢ、ＡＰ组异种钢焊接，不必预热，ＡＭ组异种钢焊接应预热，预热温度为
１００＊Ｃ．１５０＂Ｃ。Ｍ类异种钢焊接应进行预热，预热温度为２５０＂Ｃ．３５０＂Ｃ。）。由图２可见，回火参数ＬＭＰ
２异种钢焊接工艺措施
２．１简述
为防止形成凝固过渡层，最好是在珠光体钢的坡口面上先堆焊一层２３－１３型之类的奥氏体金属 隔离层。这样也可使最易出问题的那部分焊缝（在珠光体钢上）是在拘束度极小的情况下完成的。 在隔离层堆焊完成并经过检查后，奥氏体钢与隔离层间的连接就成为奥氏体钢与奥氏体钢之间的焊 接情况，于是即可选用普通的奥氏体钢填充金属。
浅谈异种钢焊接
论文编号：ＤＬＨＪ一２００４０２８１２
赵泽昕
（北京电力建设公司）
摘要：本文主要从分析原理入手分析异种钢焊接的焊接性和容易出现的问题。先从异种钢焊接分类 入手分析异种钢焊接的焊接性，从中选出较多见的奥氏体钢与马氏体钢焊接作为重点示例，从焊接 成分的稀释、凝固过渡层的形成、碳迁移过渡层的形成、残余应力的形成各个方面具体分析异种钢
料的稀释作用，另外，这种方式不太经济。 最后指出，若复合钢与奥氏体不锈钢焊接时，可以先在复合钢的坡口面上进行隔离层堆焊，然
越大，脱碳层及增碳层的宽度也越大（ＬＭＰ式中，常数取１０）。显然，异种钢接头的焊后热处理，
从碳迁移角度考虑是不适宜的。
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１．４残余应力的形成
异种钢焊接接头，由于两种钢的线膨胀系数相差很大，不仅焊接时会产生较大的残余应力，而 且在使用中如有循环温度作用，也会形成热应力。异种钢接头中的焊接残余应力，即使通过焊后热 处理也难以消除。在焊态时，奥氏体焊缝（Ｃｒ２５Ｎｉ２０）承受拉应力，珠光体母材（２０Ｃｒ３ＭｏＷＶ）受 压应力。焊后回火处理，并未能消除残余应力，而只是使焊接残余应力作了重新分布。实际上，在 回火加热时是发生了应力松弛过程，但在随后冷却过程中，随着弹性性能的恢复，异种钢焊接接头 不均匀的热收缩性会重新引起残余应力，这应当属于“回火残余应力”。熔合区附近的回火残余应力 的特征，仍然是奥氏体焊缝受拉应力，珠光体钢母材受压应力。
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图１
韧性及抗裂性），必须做到： Ａ正确选择超合金化的焊接材料。 Ｂ适当控制熔合比或稀释率。 应当指出，珠光体钢与奥氏体钢焊接时，由于电弧偏吹现象的存在，两点的熔化量不可能完全
学成分上差异越大，不完全混合区越明显，即浓度梯度越明显。因为这种成分上的过渡变化区是因
熔池凝固特性而造成，故可称为凝固过渡层。
实验指明，填充金属或焊缝金属平均ｃｒ、Ｎｉ当量对凝固过渡层中马氏体的形成有明显影响。对
同一母材（低合金钢）选用ｃｒ、Ｎｉ当量不同的填充金属，凝固过渡层中形成不同宽度的马氏体脆化
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合后，即构成焊缝金属，具体组成应落在ａ—ｆ或ａ—ｆ’的连线上，并取决于熔合比的大小。若焊条
金属为ｆ’ （相当于焊条Ｅ２—２６—２ｌ一１５，即２５—２０型），熔合比高达０．７仍可保证焊缝不呈现马氏体
组织，而为单相奥氏体。从抗热裂角度考虑，这种组织不理想。若焊条金属为ｆ（相当于焊条
Ｅ卜２３—１３—１５，即２３一１３型），则由ａ—ｆ连线可知，如希望焊缝具有Ａ＋Ｆ（即Ｙ＋８）双相组织，熔合
这种残余应力的存在，对工作性能往往是不利的。特别是在循环温度下工作时，由于形成热应 力或热疲劳而可能产生裂纹。这时，最好避免使异种钢接头处在这种工况下，或者根本就不采用异 种钢接头。若不能避免异种钢接头时，应尽量选用线膨胀系数介于珠光体钢与奥氏体钢之间的Ｉｎｃｏｎｅｌ 合金作为焊接材料，可以减轻热应力的产生。
（不论在面心立方结构或体心立方结构中），而且在所有温度下，碳在ｎ．Ｆｅ中的扩散活动能力均比
在Ｙ—Ｆｅ中大得多（在９１０＂Ｃ时大３９倍，在７５５＂１２时大１２６倍，在５００＂１２时大８３５倍）。此外，碳迁移
现象还和下列因素有关：（１）碳在液态铁中的溶解度大于在固态铁中的溶解度；（２）碳在Ｙ．Ｆｅ中的
溶解度大于在ａ－Ｆｅ中的溶解度；（３）奥氏体焊缝中含有更多的碳化物形成元素（主要是Ｃｒ）。这些
３复合钢的焊接特点
随着工艺及制作水平的提高，复合钢应用也越来越广，在这里浅谈一下复合钢的焊接特点。 复合钢板是由较薄的不锈钢与较厚的珠光体钢复合轧制而成的双金属板。珠光体钢部分称为基 体，主要满足强度和刚度的要求；不锈钢部分称为覆层，多由Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ、ｃｒ＿１８Ｎｉｌ２Ｍ０２Ｔｉ、 Ｃｒ２３Ｎｉ２８Ｍ０３Ｃｕ３Ｔｉ等制造，主要满足耐蚀性能要求。覆层通常处于容器里层，其厚度一般只占总厚 度的１０％一２０％。 常见复合钢结构的焊接施工可有两种情况：（１）先从基体一侧开始焊接；（２）先从覆层一侧开 始焊接。一般情况常采用先从基体一侧开始焊接的方案，待覆层部分焊接时，可以采到铲根方式， 也可以预加工方式来处理。 基体与覆层可分别选用各自适用的焊接材料来焊接。关键是接近覆层的过渡部分，必须考虑基 体材料的稀释作用，应选用ｃｒ、Ｎｉ含量足够的奥氏体填充金属来焊接过渡部分，以免出现硬脆组织。 若复合钢的基体较薄时，也可用奥氏体填充金属焊接复合钢的全厚度。此时，更须考虑基体材
层。Ｃｒｅｑ／Ｎｉ。值越小，马氏体脆化层宽度越小。一般，在Ｃｒ量大体一定的条件下，提高焊缝含Ｎｉ
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量是有利的。
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１．３碳迁移过渡层的形成
异种钢焊接时（特别是多层焊）或焊后回火处理以后，往往可以看到低合金一侧的碳通过焊缝
边界（熔合线）向高合金焊缝中“迁移”的现象，分别在焊缝边界两侧形成脱碳层和增碳层。在低
隔离层堆焊方法广泛用于不锈钢管与低合金钢管的焊接。
２．２直接施焊法
利用高合金焊接材料直接完成珠光体钢与奥氏体钢的焊接。主要条件是要保持珠光体钢坡口面 熔深最小，同时焊接材料要选择适当，以防止外在拘束条件下的焊缝中产生裂纹。
这种方法虽然也常采用，但并不理想。
２．３“过渡段”的利用
有两种情况，一种是着眼于防止碳迁移现象，选用含Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ量较高的一段珠光体钢作为 过渡段，先与原珠光体钢焊接起来，然后再与奥氏体钢焊接。过渡段与奥氏体钢的焊接，可采用隔 离层堆焊法或者采用直接施焊法。
焊接性。然后提出异种钢焊接工艺措施，主要提出两种焊接方法一直接施焊法、利用“过渡段”焊
接。最后分析复合钢的焊接特点。 关键词：异种钢焊接珠光体钢奥氏体钢熔合比过渡层残余应力复合钢
在当今的电厂建设工程中，各种未接触的钢材常会出现，这样，异种钢的焊接就越来越多。在
这里，由我来把本人对异种钢焊接的一点认识介绍给大家。
另一种情况是着眼于简化工地施工工艺，即先在车间有利条件下用隔离层堆焊法焊成一个短的 珠光体钢与奥氏体钢的异质接头过渡段，待在工地施工时已是同质接头问题，即珠光体钢与珠光体 钢焊接，奥氏体钢与奥氏体钢焊接，施工方便，易于保证质量，焊接过程中应尽可能采用小的热输 入量，多层多道焊，严格控制层间温度。Ａ Ｂ组、Ａ Ｐ组异种钢焊接的层间温度不应超过１５０ ６Ｃ。 对Ｍ类、Ｂ类及ＡＭ组异种钢焊接，一般应按预热温度较高一侧的钢材要求来设置异种钢焊接的层 间温度。
都决定着碳在母材或焊缝中的活度。凡能提高母材中碳的活度而降低焊缝中碳活度的因素，都应有
利于加强碳从母材向焊缝中迁移。一般说来，碳化物形成元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ等）都降低碳
的活度系数；而非碳化物形成元素（Ｓｉ、Ａ１、Ｎｉ等）都增大碳的活度系数，并且在液态或固态中的
影响趋势是一致的。但碳在固态时的活度系数要大于在液态时的活度系数。这种钢所处状态的影响，
一般，根据钢材供货金相组织形态，异种钢焊接分为３类６组：Ａ类异种钢接头的一侧为奥氏
体钢，另一侧为其他组织形态钢种；Ｍ类异种钢接头的一侧为马氏体钢，另一侧为非奥氏体的其他
组织形态钢种；Ｂ类异种钢接头的一侧为贝氏体钢，另一侧为珠光体钢，其主要组合见表。
异种钢焊接接头类别、组别
类别
组别
异种钢接头两侧金属分类
ＡＭ
Ⅷ＋Ｖ
Ａ
ＡＢ
ＡＰ
Ⅷ＋Ⅳ Ⅷ＋ＩⅡ
ＭＢ Ｍ
ＭＰ
Ｂ
Ｂｐபைடு நூலகம்
Ｖ＋Ⅳ
Ｖ＋Ⅲ Ⅳ＋Ⅲ
我在这里主要谈一下珠光体钢与奥氏体钢的焊接与热处理。因为在现今生产实际中，珠光体钢 与奥氏体钢焊接更为多见（包括复合钢板的焊接）。本文中，即以珠光体钢与奥氏体钢的焊接与热处 理为代表进行讨论，着重阐述这两种钢焊接时的接合性能问题，包括焊缝化学成分的控制、凝固过 渡层的形成及碳迁移过渡层的形成及大型焊接结构件焊后热处理等，接头的应力状态也是问题之一。 最后谈一下复合钢焊接施工特点。
１．２凝固过渡层的形成
上面所谈到的焊缝化学成分是指焊缝中间部位的平均成分，实际上，靠近焊缝边界（熔合线）
的成分常常显示出浓度梯度的特征。
事实上人们早己了解，熔化的母材金属和熔化的填充金属，在熔池内部和熔池边缘相互混合的
情况是不同的，在熔池靠近焊缝边界的很窄范围内存在一个“不完全混合区”。填充金属与母材在化
应当避免先在奥氏体钢上熔敷碳钢或低合金钢的隔离层，因为这样可导致形成硬脆的马氏体组 织焊缝。为防止出现碳迁移现象，也应进行隔离层堆焊。此时先在珠光体钢的坡口面上用Ｖ、Ｎｂ、Ⅱ
等含量较高的焊条堆焊第一隔离层，然后再用适当的奥氏体焊条堆焊第二隔离层。例如，９／４ＣｒｌＭｏ与 １Ｃｒｌ８－Ｎｉ９Ｔｉ异种钢焊接接头，直接采用奥氏体焊条（如２５—２０型）堆焊一个隔离层，虽然防止了硬脆 马氏体凝固过渡层的出现，但在６００ ４Ｃ高温工作时却仍因碳迁移而断裂于熔合区。若先用９／４ＣｒｌＭｏＮｂ 焊条在９／４ＣｒｌＭｏ钢坡口面堆焊一个隔离层，然后用奥氏体焊条再堆焊一个隔离层，则接头性能可大 为改善。
相同，珠光体钢一侧的熔化量可能要大一些。这时，图１中所示出的点ａ位置实际上还要向左侧移 动一些，则熔合比的限制就要更严格一些。
另外，在采用焊条Ｅ卜２３—１３一（Ａ３０２／Ａ３０７）时，熔合比也不可过小，否则焊缝组成靠近ｆ点（图 Ｉ）时，所得组织中８相可能偏多，易于导致。相脆化。因此，多层焊时，除了根部第一层，后几层 所用焊条金属中的ｃｒ、Ｎｉ含量可以减少一些，１８—８型焊条（ＥＯ一１９—１０Ｎｂ一（Ａ１３２／Ａ１３７））也许就可 能适用。
合金一侧的母材上形成脱碳层，在高合金焊缝一侧形成增碳层，这种脱碳层与增碳层总称为碳迁移
过渡层。通过硬度测定可以表明碳迁移过渡层的存在。增碳层是由于碳扩散迁移而析出碳化物（在
Ｃｒ－Ｎｉ奥氏体焊缝中主要是Ｃｒ的碳化物）所造成。由此形成的硬度突变现象对接头工作性能是有害
的，易在此部位造成破坏。
之所以产生碳的迁移现象，是因为作为间隙原子的碳的扩散性要比其他溶质元素大１０４—１０６倍