15CrMo低合金钢与1Cr18Ni9不锈钢的焊接工艺
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15CrMo低合金钢与1Cr18Ni9不锈钢的焊接工艺
随着现代石油化工事业的发展，管部件会选用多种材料来满足使用性能。现代焊接技术的发展，已经可以将不同性能的材料焊接成复合零部件，采用异种金属焊接结构能够充分利用材料的优异性能，如耐蚀性、耐高温、耐磨性等，而且还能节省Ti、Cu、Ag等贵重金属，从而降低成本。因此，采用异种金属焊接，越来越受到人们广泛的重视。
一、低合金钢与奥氏体不锈钢焊接的特殊问题
1、焊缝的稀释以及熔合比控制
焊接低合金钢与奥氏体钢组成的接头时，由于低合金钢母材中一般含合金元素较低，即使采用高合金的Cr-Ni奥氏体钢或基合金作为焊接材料，低合金钢母材也对整个焊接金属的合金成分具有冲淡作用，即所谓的稀释作用。焊缝被稀释的结果，使其奥氏体形成元素的含量不足，焊缝中可能形成马氏体组织，于是焊接接头的质量低劣，甚至引起裂纹。所以，焊接这类异种钢时应设法补充焊缝中的合金元素，适当采用高合金的焊接材料，其中有益的奥氏体形成元素的含量要高于奥氏体侧的母材。另外，要适当控制熔合比。
2、熔合区的化学不均性
（1）过渡区形成硬化层。在焊接热源的作用下，在熔池边缘液态金属温度较低，流动性较差，在液态停留时间较短。由于低合金钢和奥氏体钢填充金属材料的成分相差悬殊，在熔池边缘上，熔化的母材与填充金属就不能很好的熔合，结果在低合金钢这一部分焊缝金属中。所以低合金钢和奥氏体不锈钢焊接时，在紧靠低合金钢一侧熔合线的焊缝金属中，会形成和焊缝金属内部成分不同的过渡层。离熔合线越近，低合金钢的稀释作用越强烈，过渡层中的含铬、镍量也越少，过渡层将由奥氏体+马氏体区和马氏体区组成。明显地降低焊接接头的韧性，使用过程中容易出现局部脆性破坏。因此，当工作要求接头的低温冲击韧性较好时，应选用含镍量较高的焊条。
（2）熔合区的碳扩散与脱碳。当焊件热处理或使用中长时间处于高温工作时，低合金钢和奥氏体钢界面附近反应扩散使碳迁移，结果低合金钢一侧形成脱碳层而软化，在奥氏体一侧形成增碳层而硬化。由于两侧性能相差悬殊，接头受力时可能引起应力集中，降低接头高温持久强度和塑性。
3、焊接接头的高应力状态
这类异种钢焊接接头中会产生较大的热应力，其原因是奥氏体钢和焊缝金属和线膨胀系数比低合金钢母材大1.5倍左右，而热导率却只有低合金钢的1/2左右，在周期性加热和冷却条件下工作时，接头承受严重的热交变应力，会在低合金钢一侧的熔合区产生热疲劳裂纹。
接下来，以15CrMo低合金钢与1Cr18Ni9奥氏体不锈钢焊接为例（直径168×7.11mm管子，水平固定对接），谈谈该异种钢的焊接工艺和焊接施工方案。
二、15CrMo低合金钢与1Cr18Ni9不锈钢的焊接工艺
1、直接施焊法。利用高合金焊接材料直接在异种钢接头上施焊，这时应该设法减小15CrMo母材在焊缝中的比例，比如选用小焊接电流，高焊接速度，采用细焊条和细焊丝，适当增大坡口角度，施焊层数也要比焊接同种钢时适当增多等等。
（1）焊接方法选择。这类异种钢焊接时，焊接方法选择除了应考虑生产率和具体焊接条件外，还应考虑熔合比的影响，尽量减少熔合比，以降低对焊缝的稀释作用。因此，选用氩弧焊封底，手工焊盖面比较合适。
（2）焊接材料的选用。1Cr18Ni9不锈钢与15CrMo低合金钢焊接时，氩弧焊封底选用TGS-309焊丝，手工焊选用A307焊条。此时只要把；母材的熔合比控制在40%以下，就能得到较高抗裂性能的奥氏体+铁素体双向组织。 （3）焊接工艺参数。为降低熔合比，焊接时应用小直径焊条和焊丝，尽量使用小电流、高电压和快速焊接。焊接工艺参数表（见表）
焊接方法及层次 焊接材料 焊丝焊条直径（mm） 极性 焊接电流（ A ） 焊接电压（ V ） 氩气流量（L/min） 钨极直径（mm）
氩弧打底 TGS-309 2.4 直流正接 90-110 10-12 8-12 2.5
手工焊 填充 A307 2.5 直流反接 50-85 22-26 / /
盖面 A307 3.2 直流反接 80-120 22-26 / /
2、预堆焊层法。在未施焊异种钢接头之前，在母材自那上拘束条件下，先在15CrMo低合金钢母材的结合面或坡口面上堆敷一层高合金焊接材料，然后再与1Cr18Ni9奥氏体不锈钢拼接。由于预堆焊层的存在，异种钢焊接就变成了同种钢的焊接，于是可按奥氏体钢进行焊接。预堆焊层的坡口形式（见图1）
焊接方法:采用氩弧焊，选用TGS-309焊丝在15CrMo低合金钢坡口上堆焊二层至三层，堆焊厚度5-6mm，用磨光机（不锈钢专业砂轮片）修磨整齐，然后采用氩弧焊封底和手工焊填充盖面，选用TGS-308焊丝和A137焊条进行焊接。
三、操作要点 1、定位焊。定位焊时为防止缩孔产生，焊接电流不能太大，电弧不能突然熄灭，要在收弧处反复送丝3-4点，保证填满弧坑。定位焊长度不宜太短，通常控制在15-20mm左右，并且定位焊点3-4处，定位后，对其焊位要进行修磨斜坡度，才能进行根部封底。
2、充氩保护。为了保证管内清洁度，采用TGS-309焊丝，所以要求对管内进行充氩保护。如果是短管或法兰焊口，可采用管内充氩法，如果是长管对接，则要用易溶纸封住管内口两侧，并离开管口200mm，从焊缝间隙向管内充氩。氩气流量不宜过大，一般在8-10L/min。
3、TLG封底层。封底层焊接时，每半圈最好一气呵成。仰焊部位焊缝不宜过小，要在2-3mm之间，这样能送丝充分，不容易内凹，且送丝速度要均匀，防止背面夹丝。收弧前要把弧坑填满，在坡口收弧。一般打底层焊缝厚度以3mm左右为佳，太薄时易产生烧穿或背面氧化。
4、填充盖面层。在保证质量的前提下，应选用小的焊接电流和较快的焊接速度，焊条少作横向摆动，以窄焊缝为宜，焊接时，不允许在坡口外引弧和收弧，仰缝至立缝段可采用断弧法。
5、其他注意事项。焊条须经350°焙烘1小时。控制层间温度，一般小于100℃。焊缝处清渣要用不锈钢刨锤和不锈钢丝刷、不锈钢丝轮。磨光机打磨修复缺陷要用不锈钢专用砂轮片。对焊层焊后要认真仔细修磨，特别是管内口应无咬边、无气孔、无夹渣等缺陷。经着色检验后方可施焊。
结语：以上分析了异种钢材焊接的特殊性和可焊性，并且制定了两种焊接操作方案，即直接施焊法和预堆施焊法。只要选用合理地焊接规范，一定能获得综合机械性能较好，较为理想的焊接接头。实践证明，此焊接工艺操作简便，氩弧焊、手弧焊应用普遍，不受焊接位置、形状的限制，又能降低成本。因此，在我们施工生产中得到广泛应用。
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