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技术百科
1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢)与Q235碳钢的异种钢焊接技术研究
公司技术部
问题的提出：我公司生产制造的煤仓疏松机仓内疏松器耙片耙杆部分在安装中需现场焊接，耙片材质为1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢)；耙杆材质为Q235碳钢。这两种材质的焊接属于异种钢焊接，而1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢)的焊接性能较差，焊接时接头易产生裂纹缺陷。同时，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，公司工程技术人员和安装人员认真分析了该产品两种材料的焊接性能及存在的问题，在此基础上制订了有针对性的焊接工艺方案。
一、焊接性能分析
1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢)与Q235碳钢的化学成分及理化性能如表1、2所示。
化学成分对照表 表1
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牌号
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等级
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化学成分%
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C
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Mn
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Si
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S
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P
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Ni
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Cr
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Mo
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N
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≤
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Q235
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A
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0.14~0.22
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0.30~0.65
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0.30
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0.05
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0.045
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1Cr17Mn6Ni5N
(201不锈钢)
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0.15
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5.50`7.50
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1.00
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0.03
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0.06
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3.50~5.50
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16.0~18.0
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/
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0.25
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力学性能对照表 表2
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牌号
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σa2
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σb
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δs
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ψ
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Αb
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HB
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HRB
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HV
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冷弯试验
B=2a 180°
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Q235
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225
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375～550
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25
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27
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纵
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a
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横
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1.5a
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1Cr17Mn6Ni5N
(201不锈钢)
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/ MPa
≥
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/%
≥
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/J
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≤
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275
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520
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40
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45
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241
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100
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253
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1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢) Cr的含量为16.0~18.0，同时含有不大于0.15%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1Cr17Mn6Ni5N(201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1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢)的碳当量『C』约为1.56%，所以它的焊接性能较差。由于1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢)的导热性较Q235碳钢差，焊接残余应力较大。因此从高温直接冷却到100～120℃以下时很容易产生冷裂纹。同时由于焊接热循环的作用，使不锈钢材料产生较大的过热倾向，晶粒易粗化，热影响区会出现粗大的铁素体和碳化物组织，塑性降低，冷却时易引起脆化。如再有氢的作用产生冷裂纹的倾向更加明显。
二、焊接中的主要问题
由于1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢)和Q235碳钢的化学成分差异很大，因此它们的焊接属于异种钢焊接，要在熔焊的条件下获得可靠的焊接接头存在几个方面的问题：
1、热导率和比热熔的差异
热导率和比热熔严重影响着被焊材料熔化、熔池的形成以及焊接区温度场和焊缝的凝固结晶。1Cr17Mn6Ni5N(201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，形成熔池和金属结合不良，导致焊缝结晶条件恶化，焊缝性能和成形不良。
2、线膨胀系数的差异
由于1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢)和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、焊缝稀释与形成过渡层
1Cr17Mn6Ni5N(201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1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢) 一侧焊缝形成增碳层，随着扩散的持久，使得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家铁素体。
三、焊接工艺措施
为了获得无裂纹的焊接接头，在焊接时应注意尽量避免焊接接头熔合线组织与焊缝金属的不一致性，使1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢) 一侧没有显著的稀释现象，我们在工艺上采取了如下措施：
1、正确选择焊接材料
1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢)与Q235碳钢焊接接头的焊缝金属化学成分主要取决填充金属。为了保证结构使用性能的要求，焊缝金属的成分应力求接近与其中一种钢的成分。为了尽可能减小构件的焊接变形，可采取手弧焊对称焊接，焊条选用E5015或E309牌号焊条。
2、控制预热温度和层间温度
预热温度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。根据现场实际操作效果看，1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢)与Q235碳钢的预热温度和层间温度控制在150～300℃为宜。
3、控制焊后冷却温度与保温时间
工件焊后必须经缓慢冷却，切忌急冷。冷却至100～150℃时实施保温，保温时间控制在0.5～1h,这样可以使焊接接头的晶体组织全部转变为马氏体。
4、严格操作工艺
为防止1Cr17Mn6Ni5N(201不锈钢)焊接一侧晶体粗大，产生脆化和裂纹，除做好上述几点控制外，还应注意以下几个方面：
a) 选用小的热输入、小的焊接电流；
b) 采用较快的焊接速度；
c) 选用合理的焊接方法，注意电弧稍偏向于Q235碳钢母材一侧，使两母材金属受热均匀一致；
d) 由于需要多遍焊接，应注意前一遍焊缝冷却至200～300℃后再焊第二遍；
e) 焊后进行缓冷。
具体焊接工艺参数选用见表3.
工艺参数 表3
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项目
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焊接
方式
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焊条
牌号
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直径
（mm）
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Cr
当量
（%）
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预热
温度℃
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焊后缓
冷温度
℃
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保温
时间
（h）
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焊 接
电流(A)
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焊接
速度(mm/s)
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熔合比
（%）
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参数
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手工短弧焊
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E5015或E309(A302或307)
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φ2.5～3
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5～6
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150~300
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100~150
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0.5～1.0
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80～100
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2～3
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≤30
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四、结束语
通过上述方案的实施，收到了较为理想的效果，整个过程焊接接头良好，未见产生裂纹。因此，我们可以取得以下结论：对于两种不同钢种的异种钢焊接，只要方法得当、参数合理、精心施工，就能获得满意的焊接效果，满足焊接结构的使用要求。
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