兩種牌號(hào)不同的鋼之間的焊接稱之為異種鋼焊接,目前隨著我國(guó)工業(yè)步伐的不斷加快,在機(jī)械電力石油化工等行業(yè)中,異種鋼焊接結(jié)構(gòu)被越來越多的廣泛使用.使用異種鋼焊接結(jié)構(gòu),能合理的使用材料,充分發(fā)揮每一種材料的特性.不但可以節(jié)約大量的高合金鋼,減輕設(shè)備的重量,降低成本而且能提高結(jié)構(gòu)的工作性能.因此使用異種鋼焊接結(jié)構(gòu),具有很大的經(jīng)濟(jì)意義和技術(shù)價(jià)值.
異種鋼焊接接頭中應(yīng)用最廣泛的是奧氏體 /珠光體、鐵素體異種鋼接頭即奧氏體類不銹鋼與珠光體類鋼（碳素鋼、Cr-Mo耐熱鋼、低合金高強(qiáng)鋼）、鐵素體鋼（高鉻鋼）之間的焊接,或采用奧氏體型填充材料焊接或堆焊珠光體綱和鐵素體鋼.對(duì)于異種鋼焊接接頭可分為兩種情況,第一類為同類異種鋼組成的接頭,這類接頭的兩側(cè)母材雖然化學(xué)成分不同,但都屬于鐵素體類鋼或都屬于奧氏體類鋼；第二類接頭為異類異種鋼組成,即接頭兩側(cè)的母材不屬于同一類鋼,例如一側(cè)為鐵素體類鋼,另一側(cè)為奧氏體類鋼(如奧氏體不銹鋼).對(duì)于母材都屬于鐵素體類鋼,其焊縫采用奧氏體不銹鋼焊條或鎳基焊條焊接的接頭,也屬于第二類接頭.
一、異種鋼焊接易產(chǎn)生的問題
異種鋼焊接接頭的焊縫金屬成分、組織、性能明顯不同于母材.所以,在焊接過程中以及接頭進(jìn)行焊后熱處理時(shí),或在低溫高溫腐蝕介質(zhì)等條件下運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生許多不同于同種鋼焊接接頭的特殊問題.這些問題主要集中在以下幾個(gè)方面：
（一）接頭中存在著化學(xué)成分的不均勻性.
異種鋼焊接接頭的化學(xué)成分不均勻性及由此而導(dǎo)致的組織和力學(xué)性能不均勻性問題極為突出.由于異種鋼焊縫金屬成分是由填充金屬成分、母材金屬成分及其融合比所確定的.不僅焊縫與母材的成分往往不同,就連焊縫本身的成分也是不均勻的,這主要是由于焊接時(shí)稀釋率的存在所造成的.這種化學(xué)成分的不均勻性對(duì)接頭的整體性能影響較大.譬如珠光體剛和奧氏體鋼焊接時(shí),通常是使用含高鉻、鎳的奧氏體鋼或鎳基合金等作填充金屬.熔焊時(shí)母材的熔入,使填充金屬受到稀釋,經(jīng)熔池的攪拌后形成的焊縫金屬成分大體是均勻的,但是過度稀釋的焊縫金屬就會(huì)在焊縫底部靠近母材邊緣出現(xiàn)馬氏體脆性組織.
(二)接頭熔合區(qū)組織和性能的不穩(wěn)定性.
在母材與焊縫金屬之間的熔合區(qū)由于存在著明顯的宏觀化學(xué)成分不均勻性,因此就引起組織極大的不均勻性,給接頭的物理化學(xué)性能、力學(xué)性能帶來很大影響.焊接或焊后熱處理或在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)發(fā)生元素的遷移尤其是碳元素的遷移.通常是在焊縫底部形成增碳層,在母材一側(cè)形成脫碳層.脫碳層會(huì)使焊接接頭在高溫下長(zhǎng)期工作時(shí)稱為蠕變斷裂最危險(xiǎn)區(qū)域.比如用奧氏體不銹鋼焊條焊接低合金鋼與奧氏體不銹鋼之間的異種鋼接頭,在熔合區(qū)就存在著“碳遷移”現(xiàn)象,使熔合區(qū)靠焊縫一側(cè)形成增碳層,而低合金鋼一側(cè)形成脫碳層,在此區(qū)域內(nèi)硬度變化劇烈,同時(shí)力學(xué)性能下降,甚至引起開裂.
（三）焊后熱處理是較難處理的問題.
異種鋼接頭的焊后熱處理是一個(gè)比較難處置的問題,如果處置不當(dāng),會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞異種鋼接頭的力學(xué)性能,甚至造成開裂.由于焊縫和母材的線脹系數(shù)不同在焊縫和母材之間產(chǎn)生很大的焊接殘余應(yīng)力.這一殘余應(yīng)力不能通過焊后熱處理來消除.熱處理后形成的回火殘余應(yīng)力比處理前的焊接殘余應(yīng)力還要大.對(duì)于同類異種鋼接頭,一側(cè)母材強(qiáng)度較低,要求的焊后熱處理溫度也較低,而另一側(cè)母材強(qiáng)度及合金元素含量較高,要求的焊后熱處理溫度較高,此時(shí)如果PWHT溫度選擇不當(dāng),會(huì)使強(qiáng)度低的一側(cè)母材強(qiáng)度下降過度.
二、 異種鋼焊接工藝措施
（一） 焊材選擇 .
正確地選用焊材是焊接異種鋼的關(guān)鍵,焊接接頭的質(zhì)量和使用性能與所選用的焊材密切相關(guān).異種鋼接頭的焊縫和熔合區(qū),由于合金元素被稀釋及碳的遷移等原因存在一個(gè)過渡區(qū),過渡區(qū)中不但化學(xué)成分、金相組織不均勻,而且物理性能、力學(xué)性能等通常也有很大差異,可能會(huì)引起焊接缺陷(如裂紋等)或嚴(yán)重降低性能.為此必須按照母材的成分、性能、接頭形式和使用要求等來正確選用焊材.即在接頭區(qū)域不能出現(xiàn)熱裂紋、冷裂紋及其它超標(biāo)的焊接缺陷,保證焊縫金屬具有所有要求的綜合性能.因此焊材選用的基本原則有以下幾點(diǎn)：
1、在焊接接頭不產(chǎn)生裂紋等缺陷的前提下,若焊縫金屬的強(qiáng)度和塑性不能兼顧時(shí),則應(yīng)選用塑性和韌性較好的焊材.
2、焊縫金屬性能只需要符合兩種母材中的一種,即可認(rèn)為滿足使用技術(shù)要求.一般情況下,選用焊材使焊縫金屬的力學(xué)性能及其他性能不低于母材中性能較低一側(cè)的指標(biāo),即認(rèn)為滿足了技術(shù)要求.但在某些情況下還應(yīng)從焊接工藝性能(如抗裂性等)方面來考慮.
3 、結(jié)構(gòu)鋼的異種鋼號(hào)焊接時(shí),對(duì)相同強(qiáng)度等級(jí)的結(jié)構(gòu)鋼焊條,一般應(yīng)選用抗裂性能好的低氫焊條.對(duì)于金相組織差別比較大的異種鋼接頭,如珠光體－奧氏體異種鋼接頭,則必須充分考慮填充金屬受到稀釋后焊接接頭性能仍然得到保障.
4、在滿足性能要求的條件下,選用工藝性能好、價(jià)低、易得的焊材.
5、 對(duì)于異類異種鋼接頭,一般均選用高鉻鎳奧氏體不銹鋼焊條或鎳基合金焊條.對(duì)于工作條件苛刻的重要接頭,首推選用鎳基合金焊條,因?yàn)殡m然它價(jià)格較貴,但可以減少或避免碳遷移,且其焊縫金屬的線膨脹系數(shù)介于鐵素體鋼和奧氏體鋼之間,對(duì)接頭的組織及力學(xué)性能都有好處.
（二）減少焊縫稀釋率控制熔合比.
異種鋼焊接前,坡口角度的設(shè)計(jì)應(yīng)有助于焊縫稀釋率的減少,應(yīng)避免在某些焊縫中產(chǎn)生應(yīng)力集中.焊接參數(shù)的選擇應(yīng)以減少母材金屬熔化和提高焊縫的堆積量為主要原則.對(duì)于異類異種鋼接頭,在選擇焊接規(guī)范時(shí),因設(shè)法降低熔合比.為此,應(yīng)選擇小直徑焊條或焊絲,盡量選用小電流快速焊.
（三）焊接預(yù)熱要求和焊后熱處理溫度的確定. 1、異種鋼焊前的預(yù)熱主要是為了降低焊接接頭的淬火裂紋傾向當(dāng)被焊的異種鋼中有淬硬鋼時(shí)則必須預(yù)熱,具體的預(yù)熱溫度應(yīng)根據(jù)焊接性差的鋼種來選擇.同類異種鋼預(yù)熱溫度的確定,一般按預(yù)熱要求高的一側(cè)來確定焊接預(yù)熱溫度,但對(duì)于異類異種鋼接頭,可以適當(dāng)降低預(yù)熱溫度,必要時(shí)經(jīng)試驗(yàn)后確定. 2、焊后熱處理.對(duì)于異種鋼焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理的目的是提高接頭淬硬區(qū)的塑性及減少焊接應(yīng)力.一般是當(dāng)母材的金相組織相同且焊縫金屬的金相組織也基本相同可以按照熱處理溫度要求高的一側(cè)母材來選定異種鋼接頭的PWHT溫度,但當(dāng)金相組織不同時(shí)若按上述原則進(jìn)行熱處理就有可能使接頭局部應(yīng)力升高而產(chǎn)生裂紋.異種鋼焊后熱處理是一個(gè)比較復(fù)雜的問題,因此焊后的熱處理規(guī)范選擇一定要事先做焊接工藝評(píng)定,以防使強(qiáng)度低的一側(cè)母材強(qiáng)度嚴(yán)重下降,出現(xiàn)強(qiáng)度不合格.
（四）、 采用預(yù)堆邊焊的方法進(jìn)行焊接 .
有時(shí)為了解決異種鋼接頭預(yù)熱和焊后熱處理難的問題,往往采用預(yù)堆邊焊的方法進(jìn)行焊接.其工藝順序?yàn)椋涸谛枰獰崽幚淼囊粋?cè)母材坡口先預(yù)堆邊焊1 ~2層與焊縫同種鋼的焊條→此側(cè)進(jìn)行PWHT→冷態(tài)焊接整個(gè)焊縫,然后接頭不再進(jìn)行PWHT. 這種做法,可減少熔合區(qū)成分不均勻所帶來的一些問題,也給接頭的熱處理帶來方便,但切記此時(shí)預(yù)堆邊焊層的厚度一定要保證大于或等于4mm,以起到隔離層的作用.
異種鋼接頭工作條件的特殊化,決定了異種鋼焊接的復(fù)雜性,如果能夠嚴(yán)格按照上述工藝措施進(jìn)行施焊一定能獲得良好的焊接接頭.但施工時(shí)也必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用合理的焊接材料、焊接方法和焊接工藝等,方能滿足使用.