张晓丽
中车永济电机有限公司（机加事业部） 山西 永济 044502
摘 要：本文主要在奥氏体不锈钢焊接性进行分析的基础上，针对奥氏体不锈钢与碳钢之间进行的异种钢焊接，从焊接特点、焊接方法、焊接工艺几个方面进行详细的研究，从而解决实际生产中出现的焊接问题。
关键词：奥氏体不锈钢 异种钢 焊接
O 前言
随着各类微型矿用隔爆电机发展，我公司又成功研制了YBC-750、YBC-900等大型水冷隔爆电机。在水冷系统中，水嘴部位的焊接为不锈钢和碳钢之间的焊接，属于异种钢焊接，在焊后水压检测过程中水口部位多次漏水，经过渗透探伤打磨后发现在焊缝中存在裂纹。针对此现象我们从焊接特点、焊接方法、焊接工艺几个方面进行详细的研究，从而解决裂纹问题的发生。
1 母材的物理特性
由于奥氏体不锈钢的Cr、Ni含量较高，因此在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐蚀性。在我公司的钢结构中，广泛使用 1 Cr18Ni9型奥氏体不锈钢。下面（表1 ）中对不锈钢与碳钢的物理性能进行比较。通过表1对奥氏体不锈钢与碳钢主要物理参数的比较，奥氏体不锈钢线膨胀系数比碳钢约大50%，奥氏体钢热导率比碳钢的低，仅为其1/3左右；奥氏体钢电阻率可达碳钢的5倍。由物理性能比较，不锈钢与碳钢之间焊接就存在一定的难度，由于两种金属的线膨胀系数相差很大，焊接产生较大的残余应力
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通过表1对奥氏体不锈钢与碳钢主要物理参数的比较，奥氏体不锈钢线膨胀系数比碳钢约大50%，奥氏体钢热导率比碳钢的低，仅为其1/3左右；奥氏体钢电阻率可达碳钢的5倍。
由于物理性能比较，不锈钢与碳钢间焊接就存在一定的难度，由于两种金属的线膨胀系数相差很大，焊接时容易产生较大的残余应力。
2、奥氏体不锈钢焊接性：
2.1 晶间腐蚀
焊缝在450～850℃停留，或在焊接热循环作用下，加热至450～850℃热影响区内，晶粒边界处析出碳化铬(C23C6 ),使晶界奥氏体局部贫铬，晶粒失去联系，丧失耐腐蚀能力。
2.2 热裂纹
焊接奥氏体不锈钢时，焊缝和近缝区易产生热裂纹。对焊接热裂纹的敏感性较高，易产生弧坑裂纹、液化裂纹奥氏体不锈钢具有低的热导率、高线膨胀系数，焊接接头在冷却过程中可形成较大拉应力；奥氏体钢焊缝易产生方向性很强的柱状晶，促使有害杂质的偏析，形成晶间低熔点液态夹层。
2.3 析出脆性σ相
在奥氏体中存在铁素体时，焊缝在650℃～850℃停留时间过长，有可能析出一种脆硬的金属间化合物，降低塑性、韧性和抗晶间腐蚀性能。
3 低碳钢的焊接性
低碳钢焊接性能非常好，不存在裂纹及气孔倾向。
4 焊接方法选择
焊条电弧焊、非熔化极气体保护焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、等离子焊等方法都可用于不锈钢的焊接。选择焊接方法时，要根据母材的焊接性，接头力学性能、耐腐蚀性能要求确定。
焊条电弧焊具有适应各种焊接位置与不同板厚的优点，但效率较低。钨极氩弧焊具有热输入小，焊接质量优良的特点，特别适于薄件的焊接。熔化极富氩气体保护焊是高效优质的焊接方法，对于中厚板应采用射流过渡熔滴过渡形式，薄板采用短路过渡形式。结合我车间实际，可以采用焊条电弧焊和MAG焊接。
5 焊材的选择
5.1 舍费勒组织图
从各元素对不锈钢组织的影响和作用程度来看，基本上有两类元素，一类是形成或稳定奥氏体的元素，有碳、镍、锰、氮和铜等；另一类是缩小甚至封闭相区即形成铁素体的元素，有铬、硅、钼、钛、铌、钽、钒、钨和铝等。
为了判断钢中所有合金对组织的影响，需要多元相图，但这不容易表示出来。Schaeffler-组织图是一种简单适用的方法，用钢中所有能够缩小奥氏体温度范围的合金元素（称为Cr当量）来计算含量，用钢中所有能够扩大奥氏体温度范围的合金元素（称为Ni当量）来计算含量，从而分析图中的某一点合金组织。
5.2焊接成分的稀释：
从舍夫勒组织分析图中可以看出，在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，在未有焊材熔敷金属填充时，这两种钢s与m同等比例混合的成分，可由舍夫勒图求得即为图中之点a，可以认为这就是待焊母材。具有点a成分的母材再与成分为f或f’的焊条金属相熔合后，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E2-26-21-15,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E1-23-13-15,即23-13型），则由a-f连线可知，如由a-f连线可知，如希望焊缝具有A+F双向组织，熔合比必须在0.3以下（图中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，用碳钢焊条是根本避免不了马氏体出现的。因此正确选用焊接材料，选用低含碳量和含稳定化元素Ti、Nb的焊材、含适量铁素体促进元素（Cr、Mo、Si等）的焊材、限制焊缝中杂质含量；使焊缝组织形成奥氏体—铁素体双相组织。
通过以上分析，查阅了焊丝标准，确定对于1 Cr18Ni9与Q235A之间的焊接应采用ER309焊丝，能够有效的避免马氏体的产生，并形成奥氏体—铁素体双相组织，控制焊接裂纹的生成。
6 焊接工艺要点
(1)采用小的线能量，小电流、窄焊道、多道焊、不摆动快速施焊；气体保护焊焊接电流在160～180A；保护气体：Ar83%＋He15%＋CO2 2%。
7 结论
在以上分析的基础上，我们选用了A307焊条或ER309焊丝，采用上述工艺进行焊接，焊接后进行探伤及水压检测，未发现裂纹问题。
参考文献
【1】中国机械工程学会焊接学会 《焊接手册》 机械工业出版社 1997版
【2】周振丰 《焊接冶金学（金属焊接性）》 机械工业出版社 2006版