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技術百科
1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)與Q235碳鋼的異種鋼焊接技術研究
公司技術部
問題的提出：我公司生產制造的煤倉疏松機倉內疏松器耙片耙桿部分在安裝中需現場焊接，耙片材質為1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)；耙桿材質為Q235碳鋼。這兩種材質的焊接屬于異種鋼焊接，而1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)的焊接性能較差，焊接時接頭易產生裂紋缺陷。同時，兩種材料的熱導率和線膨脹系數有很大差異。為了保證焊接質量，公司工程技術人員和安裝人員認真分析了該產品兩種材料的焊接性能及存在的問題，在此基礎上制訂了有針對性的焊接工藝方案。
一、焊接性能分析
1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)與Q235碳鋼的化學成分及理化性能如表1、2所示。
化學成分對照表 表1
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牌號
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等級
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化學成分%
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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不銹鋼)
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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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力學性能對照表 表2
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牌號
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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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冷彎試驗
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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縱
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a
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橫
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1.5a
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1Cr17Mn6Ni5N
(201不銹鋼)
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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不銹鋼) Cr的含量為16.0~18.0，同時含有不大于0.15%的C。Cr本身能增加鋼的奧氏體穩定性，加入碳后經固熔再空冷會發生馬氏體轉變，因此1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)焊縫和熱影響區焊后狀態的組織為硬脆的馬氏體組織。另外1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)的碳當量『C』約為1.56%，所以它的焊接性能較差。由于1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)的導熱性較Q235碳鋼差，焊接殘余應力較大。因此從高溫直接冷卻到100～120℃以下時很容易產生冷裂紋。同時由于焊接熱循環的作用，使不銹鋼材料產生較大的過熱傾向，晶粒易粗化，熱影響區會出現粗大的鐵素體和碳化物組織，塑性降低，冷卻時易引起脆化。如再有氫的作用產生冷裂紋的傾向更加明顯。
二、焊接中的主要問題
由于1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)和Q235碳鋼的化學成分差異很大，因此它們的焊接屬于異種鋼焊接，要在熔焊的條件下獲得可靠的焊接接頭存在幾個方面的問題：
1、熱導率和比熱熔的差異
熱導率和比熱熔嚴重影響著被焊材料熔化、熔池的形成以及焊接區溫度場和焊縫的凝固結晶。1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)熱導率約為Q235碳鋼的一半，這么大的差異可使兩者的熔化不同步，形成熔池和金屬結合不良，導致焊縫結晶條件惡化，焊縫性能和成形不良。
2、線膨脹系數的差異
由于1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)和Q235碳鋼的線膨脹系數不同，造成它們在形成焊接連接之后的冷卻過程中，焊縫兩側的收縮量不同，導致焊接接頭出現復雜的高應力狀態，進而加速裂紋的產生。
3、焊縫稀釋與形成過渡層
1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)和Q235碳鋼焊接時同樣存在焊縫稀釋和形成過渡層的問題，導致Q235碳鋼一側焊縫形成脫碳層而1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼) 一側焊縫形成增碳層，隨著擴散的持久，使得Q235碳鋼一側的含碳量降低，變成了鐵素體組織，并使焊接接頭的焊縫組織成為奧氏體家鐵素體。
三、焊接工藝措施
為了獲得無裂紋的焊接接頭，在焊接時應注意盡量避免焊接接頭熔合線組織與焊縫金屬的不一致性，使1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼) 一側沒有顯著的稀釋現象，我們在工藝上采取了如下措施：
1、正確選擇焊接材料
1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)與Q235碳鋼焊接接頭的焊縫金屬化學成分主要取決填充金屬。為了保證結構使用性能的要求，焊縫金屬的成分應力求接近與其中一種鋼的成分。為了盡可能減小構件的焊接變形，可采取手弧焊對稱焊接，焊條選用E5015或E309牌號焊條。
2、控制預熱溫度和層間溫度
預熱溫度和層間溫度的控制對減少裂紋的形成有一定影響。預熱溫度過高，會導致焊縫的冷卻速度變慢，有可能引起焊接接頭晶粒邊界碳化物的析出和形成鐵素體組織，大大降低接頭的沖擊韌性；預熱溫度過低，則起不到預熱的作用，無法防止裂紋的形成。根據現場實際操作效果看，1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)與Q235碳鋼的預熱溫度和層間溫度控制在150～300℃為宜。
3、控制焊后冷卻溫度與保溫時間
工件焊后必須經緩慢冷卻，切忌急冷。冷卻至100～150℃時實施保溫，保溫時間控制在0.5～1h,這樣可以使焊接接頭的晶體組織全部轉變為馬氏體。
4、嚴格操作工藝
為防止1Cr17Mn6Ni5N(201不銹鋼)焊接一側晶體粗大，產生脆化和裂紋，除做好上述幾點控制外，還應注意以下幾個方面：
a) 選用小的熱輸入、小的焊接電流；
b) 采用較快的焊接速度；
c) 選用合理的焊接方法，注意電弧稍偏向于Q235碳鋼母材一側，使兩母材金屬受熱均勻一致；
d) 由于需要多遍焊接，應注意前一遍焊縫冷卻至200～300℃后再焊第二遍；
e) 焊后進行緩冷。
具體焊接工藝參數選用見表3.
工藝參數 表3
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項目
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焊接
方式
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焊條
牌號
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直徑
（mm）
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Cr
當量
（%）
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預熱
溫度℃
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焊后緩
冷溫度
℃
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保溫
時間
（h）
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焊 接
電流(A)
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焊接
速度(mm/s)
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熔合比
（%）
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參數
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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、結束語
通過上述方案的實施，收到了較為理想的效果，整個過程焊接接頭良好，未見產生裂紋。因此，我們可以取得以下結論：對于兩種不同鋼種的異種鋼焊接，只要方法得當、參數合理、精心施工，就能獲得滿意的焊接效果，滿足焊接結構的使用要求。
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