汤彦斌

（四川省西核机电设备制造有限公司，四川成都610500）

0 前言

随着现代焊接技术的不断发展，不锈钢与低合金钢的焊接结构越来越多。以某公司的焊接阀板为例，该阀板主要由2根轴和1块法兰构成，如图1所示，其中左轴头和右轴头采用316L不锈钢，阀板法兰采用Q345B低合金钢，由于两种材质之间焊接性的差异，需选用合适的焊接方法和焊接材料并合理制定焊接工艺。

1 316L不锈钢与Q345B低合金钢的焊接性

焊接性是说明材料对焊接加工的适应性，是指在一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式下，能否获得优质焊接接头的难易程度和该焊接 接头能否在使用条件下可靠运行。316L不锈钢和Q345B低合金钢的主要化学成分及力学性能如表1～表4所示。

图1 焊接阀板结构

1.1 316L不锈钢

316L不锈钢焊接时易产生以下问题[1]：

表1 316L不锈钢化学成分%

表2 316L不锈钢力学性能

表3 Q345B低合金钢化学成分%

表4 Q345B低合金钢力学性能

（1）应力腐蚀开裂。

316L钢属于奥氏体不锈钢，导热系数小，线膨胀系数大，焊接时焊缝在拘束状态下，焊后接头残留的应力较大。如果接头表面与酸性介质接触，首先发生电化学腐蚀，经一段时间后，表面产生狭长的微裂纹，在裂纹端部产生应力集中，加之渗入裂纹内的呼吸介质起到锲入作用，促使裂纹向前扩展，从而破坏新鲜的金属表面，继续发生腐蚀，焊接残余拉应力可加速裂纹的扩展，严重时可使焊接头产生脆性断裂。

（2）热裂纹。

316L钢的热裂倾向较一般结构钢大，Cr、Ni等金属元素含量较多，在焊缝凝固时，其中的S、P等有害杂质易形成液态夹层和易溶夹层，聚积在熔池中心区域，在接头拉应力作用下开裂，冷却后形成热裂纹。

1.2 Q345B低合金钢焊接性

Q345B是一种低合金钢，含有一定量的合金元素及微合金化元素，可保证应有的强度、塑性和韧性。Q345B钢焊接热影响区组织和性能对焊接热输入较敏感，也存在一定的淬硬倾向[3]。

1.3 不锈钢与低合金钢的焊接特点

由于不锈钢与低合金钢的化学成分、力学性能及物理性能的差别，焊缝容易产生气孔、夹渣，焊缝及近缝区易产生裂纹等缺陷。焊缝中的裂纹在承受交变或冲击载荷时迅速扩展，最后导致焊接接头断裂。因此，焊接时必须采取有效的措施防止裂纹产生[4]。

表5 不锈钢焊接及堆焊用焊丝[5]

2 焊接方法

2.1 焊接方法的选用

选择气体保护焊方式。目前生产中最常用的是CO2保护焊和钨极氩弧焊，其焊接设备和成本较低。由于阀板的法兰和轴是精加工后焊接，采用CO2保护焊时会产生飞溅，焊缝成形不够美观。因此采用钨极氩弧较为合适。

钨极氩弧焊的优点是电弧稳定，即使在很小的焊接电流下仍可稳定燃烧；填充焊丝熔滴不通过电弧，不会产生飞溅，焊缝致密，表面无焊渣，成形美观；氩气能有效地隔绝周围空气，且它本身不与金属反应，焊接过程中电弧还能自动清除熔池表面氧化膜，非常适合不锈钢的焊接。

2.2 焊接材料的选用

考虑到两种不同材质钢的综合性能和焊接性能，选用不锈钢焊丝。通过实验比对以及根据标准手册中不锈钢焊丝的特征用途可知，选用牌号为H1Cr24Ni13的焊丝焊接过程中不会产生合金元素的烧损、金属飞溅和气孔、氧化等缺陷，同时保证了焊后焊缝金属中合金元素的含量，焊接接头力学性能满足设计及使用需要。焊丝成分如表5所示。

3 焊接工艺过程

3.1 焊前准备

左右轴经加工后按焊接要求加工焊接坡口，法兰以斜面作焊接面，将左右轴头装配于法兰两端，在焊接专用工装上安装并固定。

为避免焊接时碳及杂质的混入，焊前用丙酮擦净焊缝两侧 20～30mm范围；并用不锈钢丝刷刷掉焊丝表面氧化皮后用丙酮擦净。因钨极氩弧焊的抗气孔能力较弱，必须在焊前清理焊接工件。

3.2 焊接过程

焊前进行定位焊，先用氧-乙炔将两种钢加热至700～800℃，引弧时提前5～10s输送氩气，以排除工件焊接处的空气。焊接参数如表6所示。

该产品焊接视线较好，应尽量采用短弧，焊接时焊嘴与工件表面距离不超过10mm，焊嘴尽量垂直或与工件表面保持较大夹角，以增强保护效果，同时减小热影响区宽度和防止工件变形。焊接时采用同向焊接，根据焊缝大小，焊枪除作直线运动外，允许作适当的横向摆动。将焊丝往复地加入熔池，同时应注意在熔池前面呈熔滴状加入，填充焊丝需均匀，不扰乱氩气流。焊丝头部应始终放在氩气保护区内，以免氧化。焊接达到约85%时，应增加焊条，然后缓慢拉开，防止产生过深的弧坑。依照此方法焊接2～3层即可完成该产品的焊接。

表6 焊接参数

采用手工氩弧焊接时，因弧柱集中、电流密度大、弧温较高、紫外线辐射比普通电弧焊强得多，易对人的眼睛和皮肤造成伤害，所以必须加强保护措施。

3.3 焊后处理

为防止轴和法兰焊接后变形及热应力集中，在产品焊接好后，应对其进行保温时效处理，方法为：将其埋入石英砂内，工件四周保证砂厚150～200mm，保温15～20 h，既能改善接头性能，又能降低焊接应力。

3.4 焊缝质量检测

每焊接一层都使用着色渗透探伤剂HG-3通用型进行检测，均无夹渣、裂纹等焊接缺陷。如果焊缝有焊接缺陷则用砂轮机彻底清除缺陷再补焊，补焊后再进行检测，直到焊缝无缺陷。

焊接后为满足工件表面质量，对其进行抛光处理。处理后实物如图2所示。

4 结论

分析316L不锈钢和Q345B低合金钢异种钢的焊接性能，采用钨极氩弧焊作为优选焊接方法，并确定焊丝牌号为H1Cr24Ni13，制定出相应焊接工艺，并进行焊接实验。结果表明，本研究提出的焊接工艺能有效防止异种钢焊接时产生焊接缺陷，获得良好的焊接效果，焊接产品性能完全满足设计和实际使用要求，并提高了生产效率。

图2 成品照片

参考文献：

[1]赵喆敏.奥氏体不诱钢316L焊接性能探讨[J].机械管理开发，2002（增刊）：12-14.

[2]贾耀卿.常用金属材料手册[M].北京：中国标准出版社，1999.

[3]刘徐源，朴志民，王晓虎，等.低合金高强度结构钢[S].北京：中国标准出版社，2009.

[4]刘中青，刘凯.异种金属焊接技术指南[M].北京：机械工业出版社，1997.

[5]尹士科.焊接材料手册[M].北京：中国标准出版社，2000.

[6]付荣柏.焊接变形的控制与矫正[M].北京：机械工业出版社，2006.