0Cr13与Q235异种金属焊接工艺

一、前言

毕业设计题目为“0Cr13/Q235异种金属焊接工艺与组织研究”，针对题目，设计焊接工艺。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。

二、焊接性能分析

0Cr13不锈钢和Q235碳钢的化学成分及物理性能如表1、2所示。

                   表1    Q235碳钢和0Cr13不锈钢的化学成分表

                       表2   Q235碳钢和0Cr13不锈钢的物理性能表                                                                            

0Cr13不锈钢的Cr含量在11．5％～13．5％，同时匹配有不大于0．08％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0Cr13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，0Cr13的碳当量约为2．76％，因此它的焊接性较差。由于0Cr13不锈钢的导热性较Q235碳钢差，焊接残余应力较大，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，0Cr13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。

三、焊接中的主要问题

由于0Cr13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，在熔焊的条件下获得的焊接接头存在许多问题。

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。0Cr13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。

2、线膨胀系数的差异

由于0Cr13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、0Cr13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0Cr13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。

四、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0Cr13不锈钢一侧没有显著的稀释现象，在工艺上应采用以下措施：

1、正确选择焊接材料

0Cr13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，焊缝金属的成分应尽力接近于其中一种钢的成分。为了尽量减小构件的焊接变形，应采用对称焊接的手工电弧焊方法，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。

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。0Cr13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℃。

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、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。

                                  表    3

对于0Cr13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。