碳钢和不锈钢的异种钢焊接技术及工艺研究

随着经济的发展,工业的不断进步,尤其是工业产品不断更新,新材料不断被研发,工业发展带动工艺实施手段,进一步为人们提供源源不断的创新产品,满足当下对灵活多变产品和新工艺的需求。因此,高强度、良好塑性且耐腐蚀性强的不锈钢材料在焊接中受到广泛使用,但从经济角度考量,普通碳钢的价格比不锈钢更便宜,在合适条件下也可以作为常用材料进行加工制造。许多设计也可以使用普通碳钢和不锈钢相结合,组成异种钢接头焊接。文章通过介绍普通碳钢和不锈钢的对接情况,分析两种钢材的物理性能,制定科学的焊接方法,并研究焊接技术及工艺参数,对焊接过程和最终结果进行检测,得到两种钢材在焊接过程中的技术要点和变形控制方法。

关于普通碳钢和不锈钢相结合的异种钢焊接,在施工中需要严格控制焊接方式,采取正确的焊接手段,精确控制焊接工艺参数,再选用科学合理的焊接材料,就能达到异种钢焊接接头的设定标准。通常情况下,普通碳钢和不锈钢这两种不同的钢材在制造维修过程中也有应用,且得到了优质的焊接接头及整体使用效果。文章在了解不锈钢和普通碳钢的性能后,通过介绍两种钢材的焊接性能,分析焊接问题,希望对异种钢焊接的焊接技术进行提高;研究施工过程中需要控制的重点,为今后异种钢焊接的设计维修提供可借鉴的经验。

1焊接性能分析

在钢中适量添加铬、镍及少量钼、钛、氮等元素可以形成超低碳的不锈钢,多种金属元素的加入能够在金属表面形成抗氧化的薄膜,避免金属与环境发生氧化反应,保证金属的耐腐蚀性能,并提高金属的塑性韧性等特质。另外添加金属形成合金薄膜也能提高不锈钢的机械性能和焊接性能,帮助金属形成更稳定的焊接特性,选用碳钢时也要选用Q235-A碳钢,该碳钢的含碳量较低,具备较好的加工性能和焊接性能。焊接产生变形也与焊接的结构设计有关,焊接材料的性能和焊接结构的设计是影响变形最主要的原因。约束度加大,焊接产生的变形随之减小。在整体焊接过程中构件的约束度随着焊接的进行而改变,这种变化没有任何规律。而焊接过程中除了构件受到约束度影响,还有外界的约束导致焊接效果受到影响。因此在焊接中,复杂的构件自身产生的约束作用对焊接的影响占据主要部分,外界约束产生间接影响,两种约束相互影响产生不规则变化会随着焊接进程而不断变化。为降低不规则变化对焊接过程影响,在结构设计中需提高稳定性,主要采用加强板或加强筋的方式,也能提高焊接结构的刚性。这种做法也会导致焊接的工作量增多,甚至导致约束度变化更大,焊接的不确定性因素增多,因此要慎重使用,运用得当才能减少焊接变形。

2材料的焊接条件

焊接就是将两种不同物理性质的材料相连,因此两种不同材料的分子构成之间的作用力是影响焊接连接是否成功的本质。当焊接的金属材料在固体状态或液体状态下都能相互融合时,焊接连接的性能即呈现良好状态。当焊接的金属只有在液体状态下互溶,在固体状态下互溶程度受到限制时,焊接后的性能受到两种金属材料过渡状况的影响。焊接连接也可以由合金组成,这种合金必须能形成金属化合物,焊接性能会受到合金形成的金属化合物的脆性影响。当焊接需要的两种金属在固体状态和液体状态下都不能相互溶和或只能微量融合,则这两种金属无法形成有效的焊接连接。因此,运用科学的焊接方法,选取合适的焊接金属材料,才能获得优质的焊接接头。焊接产生变形不仅与材料属性有关,构件也会受到材料的物理性能影响进而产生变形,尤其是材料的热传导系数,当该系数较小时,焊接就会产生明显的变形。而材料的力学性能也会对焊接产生较为复杂的变形。尤其是材料受热膨胀对变形的影响,当材料受热膨胀表现明显时,焊接变形的发生率随之升高。当焊接处于高温状态时,材料的屈服极限产生变化,并随温度逐渐升高而影响焊接的变形,而材料的弹性模量同样受到温度的影响。当弹性模量随着温度上升而加大时,焊接的变形会随之减小。而当温度上升引发屈服极限上升时,导致残余应力的升高,焊接的变形加大,构件材料会在多种诱发因素影响下发生塑性变形,甚至断裂。

3焊接中的主要问题

不锈钢和碳钢的含碳量差距较大,将两种材质的钢材进行焊接即为异种钢焊接。但不锈钢相较于碳钢,其导热性较差,因此直接从高温骤冷致使大量裂纹出现。焊接是冷热循环的过程,不锈钢的热倾向比碳钢大,导致在焊接冷却过程容易出现塑性变形,因此,使用两种材料进行焊接时必须考虑以下问题。

3.1熔点的差异

碳钢与不锈钢这两种金属的熔点不同,尤其是材质不同的碳钢和不锈钢之间,差距较大的熔点导致晶体的扩散不一致,导致焊接的性能变化较大。两种金属中低熔点的金属量流失较多,在焊接过程中出现烧损,形成高质量焊接接头的可能性降低。

3.2热导率和比热容的差异

异种金属焊接也要受到导热率和比热容的影响,这两种物理性质又对被焊材料熔化、熔池的形成产生影响,同时导热率影响着焊接过程中形成的温度场,比热容影响焊缝结晶的形成过程。测量发现不锈钢的导热效率是碳钢的三分之一,这样巨大的导热差距致使两种金属不在同一时间熔化,导致形成的熔池时间过长,与金属的结合不足,无法形成合格的焊缝结晶,影响焊缝接头。

3.3线膨胀系数的差异

碳钢和不锈钢的线膨胀系数也具有较大差距,这种差距会导致焊接后的冷却时长不一致,焊缝的收缩程度也不同,致使焊接的接头应力状态复杂,促使裂纹的产生,严重甚至会出现金属脱落状况。

3.4电磁性的差异

碳钢和不锈钢的电磁性不同,也会导致焊接产生的电弧不稳定,影响焊接质量,严重情况为电弧燃烧不充分导致焊缝缺陷的形成。3.5形成脆性化合物

两种物理性质不尽相同的金属在焊接过程中容易形成各种脆性的金属化合物,这些脆性化合物会影响焊接成品的力学性能,甚至导致焊缝的塑性下降

4焊接要点控制措施

4.1选择焊接材料

碳钢和不锈钢的焊接接头的化学成分由填充金属决定,在分析两种金属的焊接性能后,需要调整焊缝金属,控制碳钢中碳的含量,确保金属性能,保障焊缝具有一定的抗裂性能,使焊接后的成品性能得到保证。另外,焊接材料的储存需严加管理,在使用焊接材料时做好准备工作,提前烘焙焊接材料并及时发放。焊接设备增多且种类增加,因此使用方法增多且需要使用人员具备较高的焊接技术,并配足轮换焊接工作人员,甚至需要设立焊接准备工作的部门协助焊接人员做好焊接准备工作。焊接准备工作包括设备装置的合理布置,检查设备的损耗率及故障发生率,使用前检查零件使用情况,及时补充需要的零件,记录设备使用状况并做好设备维修保养记录,按照要求检验焊材是否符合标准,并备足焊接所需的各种用料。安排合适的焊接前准备工作和焊接顺序不仅能提高工作效率,也能避免焊接材料产生变形。在焊接零部件装配时,拆分整体结构,分解为简单施工的部件和复杂施工的部件,分开焊接。最后组装焊接成整体,降低脆弱焊缝对整体结构的影响,给变化大的焊缝足够空间收缩,降低整体不规则变化影响焊接质量。拆分焊接将不规则焊缝进行分开处理,降低其对整体的影响,降低这种大焊缝对整体构件的危害,以上划分焊缝的方式也应该由焊接难易度进行区分。4.2焊接操作方法

影响焊接变形的是材料、结构和工艺,这也是影响焊接产生变形的三个主要因素。在材料选择已经固定的情况下,焊接的变形主要受到设计情况和施工工艺的影响。当设计科学合理时,提高施工工艺是减少焊接开裂和变形最有效的方式。但当设计不合理时,施工工艺就会相应的提高难度和复杂程度,不仅降低工作效率,延缓生产需要的时间,也产生了材料浪费提高生产成本。因此在焊接操作上,主要在设计和施工工艺上控制焊接过程的变量。首先是焊接设计方面可以采取的措施。通过对焊缝进行尺寸和形式的设计降低焊接变形。焊接需要的工作量和最终呈现的焊接产品系变形情况受到最初焊缝尺寸选择的影响。当焊缝尺寸选择过大时,焊接时需要的工作量加大,最终成品的变形也随之增大,必须在产品的结构能承受荷载固定的情况下,在设计选择之初采取小尺寸焊缝。丁字接头和十字街头能受到荷载较大。因此强度固定的情况下,可以选择开坡口焊缝。相较于常见的角焊缝来说,这种焊缝能降低焊缝的金属,进而降低焊接的变形。在焊接技术未得到提升时,焊接设计时常常会选用大焊缝,原因是缺少对焊缝的了解,这种选择也会导致大焊缝影响焊接效果,焊接产生变形。焊接设计之初要尽量避免设计过多焊缝,通过选择合适的筋板,在设计结构过程中选择固定的筋板形状,并合理设置筋板位置,尽量降低焊缝存在设计数量,减少过度焊接保护产品的焊接量达到减少变形的目的。除了减少焊缝避免焊接变形的方式外,还可以通过设计科学设计焊缝的焊接位置,通过合理设计将焊缝安置在截面上,并尽量在中轴附近,这些焊缝的位置可以降低对结构的变形影响。其次是在工艺选择上采取措施减少焊接变形。焊接产品过程中需要进行的一系列措施叫做工艺措施,主要有焊接前的预防,焊接过程的质量控制以及焊接后的纠偏措施。在实际施工过程中,有些步骤可以减免,但这种理论设计在实践中与真实焊接情况具有一定偏差,毕竟焊接是一个存在变量随时变化的过程,不仅是简单的零部件搭配,而是有目的的将构件组装成成品并产生一定效果。这个过程需要将部件进行焊接组装,也就需要进行焊接工艺设计,因此事前准备,进程控制和事后纠偏是理论上对整个焊接过程的质量控制。

4.3焊后处理与检验

焊接工作完成后,及时进行焊后热处理,焊后热处理的作用有消除焊接残余应力、稳定结构的形状和尺寸。细化晶粒减少畸变,改善母材焊接接头的性能,包括提高焊缝金属的塑性降低热影响区硬度,提高韧性改善疲劳强度,提高抗应力腐蚀的能力。进一步释放焊缝金属中的有害气体,尤其是氢,防止延迟裂纹的发生。待冷却到室温进行焊缝质量的检测,如果发现焊缝存在气孔或裂纹等严重质量问题时,该焊接成品无法正常使用,因此焊后检验是焊接的最后一道工序,关系到产品的使用性能和真实寿命,焊后检验最主要的工作就是检验焊接接头的性能。这种检验主要是事后控制,如果发现质量问题只能返工,对于减少材料浪费节约施工进度方面并无贡献,因此事前控制是提高焊接技术最重要的步骤,在实际焊接过程中需要对三个阶段的质量控制严格执行,保障焊接变形在可控范围之内。

5结束语

综上所述,文章通过探讨碳钢和不锈钢的异种钢焊接性能,对焊接技术在事前、事中、事后三个阶段的质量控制提出建议,希望在材料选择。施工工艺改进及产品结构设计三个方面做出提高,从而提高焊接技术减少焊接变形,希望为异种钢的焊接提供可借鉴的经验。

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