不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术要点探讨

不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术要点探讨

王鹏飞

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摘要：异种材料的焊接在工程领域有着广泛的应用，其中不锈钢和碳钢的异种钢焊接尤为引人关注。基于此，本文详细分析了不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术。

关键词：不锈钢；碳钢；异种钢；焊接技术

随着社会经济的发展与工业的进步，工业产品的种类、新材料的应用、新工艺的实施不断提出新的要求，取得了良好的进展。其中，不锈钢作为一种具有强度高、塑性好、耐腐蚀性好等优点的材料，在一些需防腐防锈设备的主要部件中的应用越来越广泛。然而，不锈钢价格远高于普通碳钢，从经济角度和设备使用条件来看，在结构设计中，常使用不锈钢和碳钢的异钢种接头焊接。

一、不锈钢与碳钢的异种钢焊接性能

1、物理性能。304L不锈钢丝属于纯奥氏体不锈钢中的超低碳不锈钢类型，这种不锈钢含有大量合金元素，如镍。通过与这些稀有元素融合，可在金属设备表面形成致密氧化薄膜，与普通钢材相比，这种氧化薄膜可溶性低，其特点是更坚固，能有效隔离金属设备材料，避免设备在长期接触空气等情况下发生化学反应，能有效提高设备耐腐蚀性，延长其寿命。同时，304L不锈钢机械性能、焊接性能、塑性、柔韧性和加工性能均优于普通钢。304L在日常生产生活中较常见，其内部Cr含量基本在18～20%，能有效提高奥氏体稳定性。

2、化学性能。不锈钢和碳钢化学成分与含量包括C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr。与普通钢相比，在不锈钢中添加Cr、Ni和少量化学元素如Mo、Ti、N等，能形成超低碳不锈钢，有利于在金属设备表面形成致密抗氧化薄膜，避免了氧化反应，有效提高了设备耐腐蚀性，而且因添加了许多化学成分，能有效提高钢的塑性及韧性。

二、不锈钢与碳钢的异种钢焊接条件

工业上不锈钢和碳钢的异种钢是否具有焊接条件，主要取决于这些钢的内部原子与分子作用力，与物质物理状态无直接关系，即当钢材处于液态或固态时，只要它们之间的原子和分子作用力足够大以互溶，则能焊接，形成具有良好性能的新物质。此外，即使不锈钢和碳钢之间的异种钢处于液态或固态状态时存在液态无限互溶，固态却有限互溶情况下也能焊接，然而，生成的新物质性能取决于这两种金属的性能。因此，工业焊接时，应先考虑焊接物质性能，焊接时选择合适材料，采用针对性技术，然后有效焊接。

当焊接不锈钢和碳钢的异种钢时，它们由两种具有不同物理性质材料连接，这两种材料能否有效焊接，直接关系到材料间的分子作用力。焊接时，可用合金材料，合金材料应为金属化合物，但在焊接过程中，需注意金属化合物的脆性可能会影响焊接性能。因此，焊接时要选择合适金属材料，以获得良好焊接接头并防止形变。

三、不锈钢与碳钢异种钢在焊接中遇到的问题

由于不锈钢和碳钢化学性质不同，在工业焊接中将两种材料焊接在一起属于异种钢焊接，在不锈钢和碳钢的异种钢焊接时，需用更专业技术来避免焊接中的各种问题。如与碳钢相比，由于不锈钢导热性差，焊接时当从高温直接冷却时，会出现更多裂纹，所以焊接时应注意不锈钢和碳钢异种钢在焊接时遇到的问题。

1、熔点差异。焊接时，熔点差异会影响焊接质量。当两种金属熔点相差大时，低熔点与高熔点金属处于两种不同状态，易导致过热区焊缝性能下降，并对焊接接头产生重大影响。因此，熔点差异限制了焊接的有效完成。

2、热导率和比热容差异。金属热导率和比热容是影响现代工业焊接技术重要因素，影响焊接材料的熔化和焊缝凝固结晶。不锈钢热导率数值约为碳钢三分之一，存在显著差异，这种差异会导致两种金属物质熔化时间不同步，金属结合效果差，最终影响工业生产中焊接过程，导致焊缝性能不良。

3、线膨胀系数差异。不锈钢和碳钢线膨胀系数不同，这种不同性能会导致两种金属在焊接连接后促使冷却后发生不同反应，焊缝收缩量不同，接头处会出现高应力状态，这种状态对焊接有不良影响，最终导致焊缝或热影响区出现裂纹，甚至导致焊缝和金属剥离。

4、电磁性差异。当异种金属形成焊接连接时，电磁性差异表现在当两种金属电磁性显著不同时，焊接电弧不稳定，这将在焊接后产生显著热应力，并导致焊缝成形变坏。

5、形成脆性化合物。在化学工业中，金属焊接后在焊缝处形成新物质，成为金属间化合物，这些物质具有脆性物理性能，可能会对接头力学性能产生重大影响，甚至降低焊缝塑性与韧性。一些金属在焊接后的接头处具有良好性能，但易形成其他物质，如在热影响区的晶界处形成贫铬层，该贫铬层包含碳化物，一旦产生，在使用中可能会导致设备间晶间腐蚀。为避免企业生产中的一系列问题，焊接会运用低碳物质。

四、不锈钢与碳钢的异种钢焊接工艺

1、选择焊接材料。在分析不锈钢与碳钢异种钢焊接工艺时，在不锈钢与碳钢焊接异种钢时，应先选择焊接材料。由于焊接处金属化学成分由填充金属决定，而不锈钢和碳钢的异种钢属于不同金属，焊接时具有不同焊接属性，所以经选择合适焊接材料，可有效改变焊缝组织性能，改善焊接接头应力分布，有效避免碳扩散等情况。为避免不锈钢和碳钢异种钢焊缝性质不稳定，应选择具有相接近应力材料，工业上主要选用奥氏体不锈钢焊条。为有效完善不锈钢与碳钢异种钢焊接工艺，在选材时应严格控制其含碳量，在确保其金属性能不发生改变的同时，保证焊缝抗裂性不降低，确保焊接成品质量。同时，在存放焊接材料时，要加强对其的管理。焊接时，焊接材料应提前烘焙，焊接设备种类多且复杂时，应及时确定不同设备的焊接材料，避免材料混用。此外，要开展焊接材料的验收工作，按相关标准检验焊接材料，组装焊接材料时，应合理控制焊缝的收缩程度，避免材料收缩不良，影响最终焊接效果。

2、焊接接头坡口。在不锈钢和碳钢异种钢焊接时，焊接接头焊接工艺质量直接影响整个焊接过程。其中，不锈钢与碳钢异种钢焊接接头的坡口是考核焊接接头工艺质量直接参考依据。当焊接不锈钢和碳钢异种钢时，可能会出现不同尺寸坡口，一般来说，在焊接时，当厚度在4mm以内时，无需开坡口，不锈钢和碳钢异种钢连接可直接采用焊接方式进行，当焊接厚度在4～6mm时，可直接在焊缝处进行双面焊接，无需开坡口，当焊接厚度大于6mm时，可将其定义为大数值，在焊接过程中，应开焊接接头坡口，以有效确保焊接熔合区性能保持相对稳定。当开焊接接头坡口时，通常使用V形或X形坡口。

3、焊接操作方法。由于不锈钢和碳钢的碳含量较低，焊接可在常温下进行，无需在高温条件进计，能获得更好焊接效果。当焊接温度低于5℃时，需在焊接前预热，当板厚大于20mm时，焊接前也需预热。焊接工作完成后，应进行应力消除热处理，以确保不锈钢和碳钢异种钢在焊接中能完美融合在一起，形成无裂纹焊接接头。在现代工业中，焊接不锈钢和碳钢异种钢时，主要使用四种焊接方法：手工弧焊、热输入小且电流小快速焊接、短弧焊、多层焊接。目前，影响不锈钢和碳钢异种钢焊接效果的因素包括材料选择、结构和焊接工艺，这是影响焊接变形直接因素。焊接时，当材料处于固定状态时，不锈钢和碳钢异种钢焊接变形主要与其工艺程有关，所以在不锈钢和碳钢异种钢焊接时，应根据具体焊接情况选择合适工艺。

4、焊后要检验。不锈钢和碳钢异种钢焊接后，为确保焊接稳定性和接头符合相关标准，焊接后工作人员需对不锈钢和碳钢异种钢进行检验，在检验过程中，应使用测量仪器对不锈钢和碳钢异种钢焊接外焊缝进行外观检测，以避免出现气孔、裂纹和焊瘤等，引起焊接不良，从而有效提高焊接材料质量。同时，在完成焊接工作后，应进行有效的热处理，以有效消除焊接中产生的多余应力，确保焊接稳定性。通过进行焊后检验，能有效提高产品使用寿命，确保焊接质量。

参考文献：

[1]杨钊.不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术研究[J].中国金属通报，2019(02):116-117.