不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术要点探讨

张亚云

（江苏省靖江中等专业学校，江苏 靖江 214500）

目前随着我国经济的不断发展，工业水平在不断进步，尤其很多工业产品都得到了创新性发展，其中工业生产中新材料的研发为工业发展带来了新的发展方向和思路，使人们的生产生活有了更多的选择。其中，在工业生产过程中采用高强度、塑性好、耐腐蚀的不锈钢成为主要的设备选择材料之一，在焊接工艺中受到广泛的应用，但是由于不锈钢的制作工艺较为复杂，采用的材料较好，导致其价格相比于普通钢材而言要更贵，导致很多企业、工厂在选择焊接材料的时候会采用普通碳钢进行代替，但是效果却远不如不锈钢[1]。为了能够确保质量不下降而价格要低于不锈钢，就要对焊接材料进行创新型应用，将普通碳钢和不锈钢相结合，采用不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术能够有效替代不锈钢材料。因此，通过分析2 种钢——普通碳钢和不锈钢的物理性能、化学性能，对焊接条件和焊接过程中存在的问题进行研究，能够更好地寻找到不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术，从而为异种钢的焊接设计提供参考[2]。

1 焊接性能分析

1.1 物理性能

304L 不锈钢丝在纯奥氏体不锈钢中属于超低碳不锈钢类型，该不锈钢中含有大量的镍等合金元素，通过与这些稀有元素相融合能够在金属设备表面形成一层致密的氧化薄膜，这种氧化薄膜相比于普通钢材而言具有不易溶解性，其特点是更加坚固，能够对金属设备材料起到有效的隔离作用，避免设备在长期与空气等接触中发生化学反应，能够有效提高设备的耐腐蚀性，使设备的使用寿命得到延长。同时，304L 不锈钢材机械性能、焊接性能、塑性、柔韧性及加工性能都要优于普通的钢材，在日常生产生活中304L 较为常见，内部的Cr（铬）含量基本处于18%~20%之间，能够有效提高奥氏体稳定性[3]。

1.2 化学性能

由表1 可知，不锈钢和碳钢的化学成分及其含量主要包括C（碳）、Si（硅）、Mn（锰）、P（磷）、S（硫）、Ni（镍）和Cr。相比于普通钢材而言，在不锈钢中添加铬、镍及少量钼（Mo）、钛（Ti）、氮（N）等化学元素，能够使其形成超低碳不锈钢，从而有利于在金属设备表面形成致密的抗氧化薄膜，避免金属设备发生氧化反应，有效提高设备的耐腐蚀性，同时由于添加了很多化学成分，能够有效提高钢材的塑性韧性[4]。

表1 不锈钢和碳钢的化学成分及其含量 （%）

2 不锈钢与碳钢的异种钢焊接条件

在工业上不锈钢与碳钢的异种钢是否具有焊接条件主要取决于这些钢材内部原子和分子的作用力，与物质处于何种物理状态没有直接联系，换言之就是当钢材的状态为液态或固态时，只要相互之间原子和分子的作用力足够大，能够互溶，那么就能够进行焊接，从而形成新物质，且具有较好的性能。另外，即使不锈钢与碳钢的异种钢处于液态或固态状态时存在液态无限互溶，固态却有限互溶的情况也能够进行焊接，但是生成的新物质性能的好坏程度要取决于2 种金属的性能。因此，在进行工业焊接时首先要考虑所焊接物质的性能，在焊接时要选择合适的材料，并采用针对性的技术，然后进行有效焊接[5]。

不锈钢与碳钢的异种钢在焊接时，就是将具有不同物理性质的2 种材料进行连接，2 种材料是否能够有效焊接在一起，与材料之间分子的作用力有直接关系。在焊接时，能够采用合金材料，这种合金材料要为金属化合物，但是在焊接时，要注意焊接性能会受到金属化合物脆性影响。因此，在焊接过程中，要选择合适的金属材料，才能使其获得良好的焊接接头，使其不容易产生形变[6]。

3 不锈钢与碳钢的异种钢在焊接中遇到的问题

由于不锈钢和碳钢的化学性质存在一定的差异，在工业焊接过程中将2 种材料焊接在一起属于异种钢焊接，在对不锈钢与碳钢的异种钢进行焊接时，需要采用较为专业的技术，避免在焊接过程中出现各种问题。例如由于不锈钢的导热性能与碳钢相比较差，在焊接过程中从高温直接冷却时会出现更多的裂纹，因此，在焊接过程中，要注意不锈钢与碳钢的异种钢在焊接中遇到的问题。其中主要包括以下几点。

3.1 熔点差异

由于不锈钢和碳钢不同，其熔点不通，在对2 种钢材进行焊接时，要注意两者之间的熔点，当熔点相差较大时，会导致焊接性能降低。例如，在焊接过程中熔点较低的金属会出现金属流失现象，出现金属流失现象与蒸发现象有一定的关系，同时由于合金元素出现大量烧损现象，导致焊接性能降低，从而产生出的焊接接头不符合行业标准。由于碳钢与不锈钢的熔点各不相同，尤其是材质不同的碳钢和不锈钢，会存在熔点相差较大的现象，当熔点差距较大时会导致晶体出现扩散不一致的现象，导致焊接性能发生较大的改变[7]。

3.2 热导率和比热容差异

在现代工业中，影响金属焊接技术的因素与金属采用的热导率和比热容差异有关，金属的热导率和比热容对焊接技术的好坏具有重要的影响，会直接影响焊接材料熔点和焊缝凝固结晶的质量好坏。在实际焊接过程中，不锈钢热导率是碳钢的1/3，两者之间存在较大的差异，这样的差异会导致不锈钢和碳钢熔化时间不同步，导致金属结合效果不理想，从而影响焊接过程，导致焊缝性能较差。同时，不锈钢和碳钢在进行异种钢金属焊接时还受到比热容的影响，在比热容的影响下，会使不锈钢和碳钢的熔化出现一定的偏差。由于在焊接过程中受到热导率和比热容的影响，热导率会影响不锈钢和碳钢在焊接过程中形成的温度场，比热容会影响不锈钢和碳钢焊缝结晶的形成过程；由于不锈钢和碳钢具有较大的导热差，会导致熔池形成时间过长，在结合过程中存在金属结合不足现象，从而影响焊缝接头的质量。

3.3 线膨胀系数差异

在焊接过程中，由于不锈钢和碳钢线膨胀系数不一样，导致2 种材料在焊接后进行冷却时产生的焊缝收缩量不同，从而导致不锈钢和碳钢的接头处会出现高应力现象，导致焊接效果受到一定影响，使得焊缝处产生裂纹，当线膨胀系数较大时，还会导致焊缝与金属出现剥离现象。由于碳钢和不锈钢之间的线膨胀系数差异较大，使得冷却时长不一致，导致焊缝收缩程度不同，造成焊接接头的应力较为复杂，不利于接头质量的稳定。

3.4 电磁性差异

在实际焊接过程中，由于不锈钢和碳钢具有电磁性差异，导致在焊接时存在各种不稳定的现象，容易发生焊接电弧偏弧或者电弧燃烧不稳定现象，使得焊缝处变形。不锈钢和碳钢出现电磁性差异主要是由于碳钢和不锈钢钢管、厚壁的电磁性不同，从而导致在焊接时出现电弧不稳定现象，最终影响焊接质量[8]。

3.5 形成脆性化合物

在实际焊接过程中，当不锈钢和碳钢的异种钢进行金属焊接时，会在焊缝处形成另一种新物种，属于金属间化合物，这些金属间化合物的物理属性较脆，因此也被称为脆性化合物，脆性化合物的接头处力学性能较弱，导致接头和焊缝处的塑性和韧性降低。当不锈钢和碳钢的异种钢进行金属焊接后，即使接头处具有较好的性能，但是在实际焊接过程中还是会生成其他一些物种，例如生成贫铬层，这种贫铬层具有一定的碳化物，导致设备在使用过程中会出现被腐蚀的情况，因此，为避免出现上述情况，在焊接过程中要采用低碳物质。

4 不锈钢与碳钢的异种钢的焊接工艺

4.1 选择焊接材料

在分析不锈钢与碳钢的异种钢的焊接工艺时，在对不锈钢和碳钢的异种钢进行焊接时，首先要选择焊接材料。由于焊接处的金属化学成分主要由填充金属所决定，加上不锈钢与碳钢的异种钢属于不同金属，在焊接时具有不同的焊接属性，因此通过选择合适的焊接材料，能够有效改变焊缝的组织性能，使焊接接头应力分布得到改善，能够有效避免出现碳扩散等情况。为了避免不锈钢与碳钢的异种钢焊接时焊缝性质出现不稳定情况，在选择材料时要选择应力相互接近的材料，在工业上主要选择奥氏体不锈钢焊条。为了能够有效完善不锈钢与碳钢的异种钢的焊接技术，在选择材料时要严格控制不锈钢与碳钢的异种钢碳钢的碳含量，在确保其金属性能不被改变的情况下，确保焊缝的抗裂性能不降低，使焊接成品质量得到保障。同时，在对焊接材料进行储存时，要加强对焊接材料的管理，在进行焊接时要提前烘焙焊接材料，当焊接设备较多且种类较为复杂时，要及时确定不同设备的焊接材料，避免出现材料混用的情况。另外，还要做好焊接材料的验收工作，按照相关标准检验焊接材料，在组装焊接材料的时候，要对焊缝的收缩程度进行合理把控，避免出现材料收缩不好的情况，影响最终的焊接效果[9]。

4.2 焊接接头坡口

在对不锈钢与碳钢的异种钢进行焊接时，焊接接头焊接工艺好坏直接影响整个焊接过程，其中不锈钢与碳钢的异种钢焊接接头坡口是考核焊接接头工艺好坏的直接参考依据。在对不锈钢与碳钢的异种钢进行焊接时，会出现大小不同的坡口，一般而言在焊接时厚度为4 mm 以内不用开坡口，直接采用焊接的方式进行不锈钢与碳钢的异种钢连接即可，当焊接厚度介于4~6 mm 之间时，焊缝处可以直接采用双面焊接的方式，同样不需要开坡口，当焊接厚度大于6 mm 时，就可以定义为大数值，在焊接过程中要开焊接接头坡口，从而有效确保焊接熔合区的性能保持相对稳定，在开焊接接头坡口时，一般都采用V或X 形坡口[10]。

4.3 焊接操作方法

由于不锈钢和碳钢物质的含碳量较低，在焊接过程中不需要在高温条件下进行，常温即可以进行焊接，其焊接效果较好。当焊接温度低于5 ℃时，在焊接前需要进行预热，当板厚大于20 mm 时在焊接前同样需要预热，在焊接工作完成后，要进行消除应力热处理，从而使不锈钢与碳钢的异种钢在焊接时能够完美融合在一起，形成无裂纹的焊接接头。在现代工业中，对不锈钢与碳钢的异种钢进行焊接时，采用的焊接操作方法主要包括4 种形式：第一种是手工弧焊方式，第二种是热输入小且电流小的快速焊接方式，第三种是短弧焊方式，第四种是多层焊接方式。目前，影响不锈钢与碳钢的异种钢焊接效果的主要因素包括材料选择、结构和焊接工艺，这3 个因素是影响焊接产生变形的直接因素。在焊接过程中，当材料处于固定状态时，不锈钢与碳钢的异种钢焊接变形主要与其工艺有关，因此在对不锈钢与碳钢的异种钢进行焊接时，要根据焊接的具体情况选择合适的工艺[11]。

4.4 焊后要检验

在对不锈钢与碳钢的异种钢进行焊接后，为确保焊接稳定，接头符合相关标准，在焊接后工作人员要进行关于不锈钢与碳钢的异种钢焊接的检验工作，在检验过程中要采用测量仪器对不锈钢与碳钢的异种钢的焊接外缝进行外观检测，避免出现气孔、裂纹、焊瘤等问题，造成焊接不良，从而有效提高焊接材料的品质。同时，在完成焊接工作以后，还要进行有效热处理，从而有效消除在焊接过程中产生的多余的应力，确保焊接的稳定性。通过开展焊后检验工作，能够有效提高产品的使用寿命，使焊接质量得到保障[12]。

5 结束语

综上所述，不锈钢与碳钢的异种钢在焊接时因为物理性能和化学性能的不同，导致焊接时存在一定的差异，不锈钢与碳钢的异种钢焊接条件主要是由材料内部原子和分子的作用力所决定。当前不锈钢与碳钢的异种钢在焊接中遇到的问题主要包括熔点差异、热导率和比热容差异、线膨胀系数差异、电磁性差异及形成脆性化合物等。在探究不锈钢与碳钢的异种钢的焊接工艺时要分别从焊接材料选择、焊接接头坡口、焊接操作方法及焊后检验等方面入手。通过对不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术要点进行分析，能够更好地规避各种焊接问题，获得良好的焊接效果，使材料的品质得到保障。