在動(dòng)力裝置、石油化工和造紙?jiān)O(shè)備中，有許多焊接結(jié)構(gòu)是奧氏體不銹鋼與珠光體鋼焊接而成的。奧氏體型不銹鋼用于容器、罐體結(jié)構(gòu)內(nèi)壁接觸腐蝕介質(zhì)或耐高溫的部位，常用的材質(zhì)有Cr18Ni9系列和Cr23Ni13系列；珠光體鋼則用于其余要求不苛刻的部位，其材質(zhì)有低碳鋼、低合金鋼、鉻鉬熱穩(wěn)定性鋼等。使用這種焊接結(jié)構(gòu)能節(jié)省大量的不銹鋼材料，大大降低設(shè)備的成本，所以得到廣泛采用。
異種鋼焊接時(shí)，每一種（側(cè)）母材受到焊接熱循環(huán)而發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變以及隨之可能出現(xiàn)的各種焊接問題，如淬火硬化、退火或回火軟化、冷裂紋、再熱裂紋、液化裂紋等，都和同種材料焊接時(shí)基本相同，因此在此不再重復(fù)。以下所要討論的異種鋼焊接性問題只是集中于焊縫和熔合區(qū)。因?yàn)檫@里的金屬成分組成十分復(fù)雜，受到兩種不同成分的母材和第三種成分的填充材料的共同制約，且又受到焊接工藝的強(qiáng)烈影響。
1. 焊縫的成分、相組成及其調(diào)控
奧氏體不銹鋼（A）與珠光體鋼（B）焊接時(shí)，焊縫金屬平均成分由兩種不同類型的母材（A和B）同填充金屬（C）混合所組成。由于珠光體鋼中不含有或僅含有少量的合金元素，若它溶入焊縫金屬的份額增大，則會(huì)沖淡焊縫金屬的合金濃度，從而改變焊縫金屬的化學(xué)成分和組織狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為母材對(duì)焊縫金屬的稀釋作用。
對(duì)于奧氏體型不銹鋼與珠光體鋼的焊縫，希望母材在焊縫金屬中所占比例要小，即稀釋度小一些而且要求熔合比穩(wěn)定，其目的是減少焊縫裂紋，保證焊接接頭的性能。影響焊縫稀釋程度的因素很多，有焊縫形狀、焊接電流、電弧電壓、焊接速度等。焊接方法不同對(duì)焊縫稀釋程度影響很大，圖5-3所示列出了幾種焊接方法可獲得熔合比的范圍。
在Q235鋼與12Cr18Ni9 不銹鋼的焊縫金屬中，如果由于焊縫的過分稀釋，可使焊縫中熔合比（％）奧氏體形成元素不足，結(jié)果在焊縫中出現(xiàn)馬氏圖5-3 焊接方法對(duì)熔合比的影響體組織，使焊接接頭的脆性增大，導(dǎo)致焊接接頭形成裂紋?？梢越柚趫D5-4不銹鋼（舍夫勒）組織圖來討論分析，首先將鋼的各合金元素含量按下列公式折算成鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量：鉻當(dāng)量Cra（％）＝w（Cr）＋w（Mo）＋1.5w（Si）＋0.5w（Nb）；鎳當(dāng)量Ni。g＝w（Ni）＋30w（C）＋0.5w（Mn）。再在圖5-4找出相應(yīng)的點(diǎn)，即可知該鋼焊縫的正常冷卻組織中的相組成。
例如，12Cr18Ni9鋼與Q235鋼沒有焊接以前，經(jīng)過鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的計(jì)算，見表5-3。分別為圖5-4中的a、b兩點(diǎn)，如果不加填充金屬進(jìn)行鎢極氬弧焊，假定這兩種金屬熔入焊道的中比例各為一半，其熔合比分別是50％，則在圖5-4中可找到對(duì)應(yīng)的f點(diǎn)。從圖中可以看出f點(diǎn)所處焊縫金屬的位置為馬氏體組織。眾所周知，馬氏體組織是一個(gè)又脆又硬的組織，容易使焊縫產(chǎn)生裂紋。
采用焊條電弧焊時(shí)，對(duì)常用的幾種焊條的熔敷金屬進(jìn)行過鉻和鎳當(dāng)量的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5-4。首先選用不銹鋼焊條牌號(hào)A102（E308型）作為填充金屬，其鉻、鎳當(dāng)量對(duì)應(yīng)于圖5-4中c點(diǎn)。此焊條焊接這兩種材料時(shí)，假定這兩種母材熔入焊縫金屬中數(shù)量相同，即兩種母材混合熔化后鉻和鎳當(dāng)量仍為原來的f點(diǎn)，則當(dāng)母材的熔合比發(fā)生變化時(shí)，焊縫中的鉻和鎳當(dāng)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿fc線段各點(diǎn)移動(dòng)而變化。當(dāng)母材熔合比為40％時(shí)，即兩種母材在焊縫中各占20％的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，焊縫的鉻鎳當(dāng)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)于g點(diǎn)；當(dāng)母材的熔合比為30％時(shí)為h點(diǎn)，此時(shí)焊縫組織為奧氏體＋馬氏體，焊接接頭仍有形成裂紋的可能。在完全相同和條件下，若改變焊條的熔敷金屬成分，用A307牌號(hào)焊條（即E309型）進(jìn)行施焊，則焊條熔敷金屬鉻和鎳當(dāng)量為圖5-4中d點(diǎn)。如果母材的熔合比為40％，焊縫的鉻和鎳當(dāng)量相當(dāng)于圖5-4中i點(diǎn)，此時(shí)焊縫金屬接近為全部奧氏體組織，也有可能產(chǎn)生裂紋；若熔合比為30％，焊縫的鉻和鎳當(dāng)量相當(dāng)于圖5-4中j點(diǎn)，此時(shí)焊縫金屬含有體積分?jǐn)?shù)為2％的鐵素體的奧氏體組織，對(duì)抗裂性和耐蝕性都是有利的。若采用A407焊條（E310型）施焊，則焊條熔敷金屬鉻和鎳當(dāng)量為圖5-4中e點(diǎn)，如果母材熔合比仍為30％～40％（即焊縫位于圖5-4中fe線段中k、l兩點(diǎn)），焊縫金屬為單相奧氏體組織，也易使焊接接頭產(chǎn)生裂紋。
這三種不同牌號(hào)的不銹鋼焊條，其焊條熔敷金屬的鉻鎳當(dāng)量見表5-4。
綜上分析，焊接12Cr18Ni9不銹鋼與Q235鋼時(shí)，若不加填充金屬或用焊條電弧焊采用A102焊條施焊時(shí)，焊縫金屬不可避免地要出現(xiàn)脆硬的馬氏體組織，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋。用A307焊條施焊時(shí)，焊縫金屬的熔合比要控制在30％以下，才能獲得較為理想奧氏體＋鐵素體雙相組織。用A407焊條施焊，焊縫金屬組織為單相奧氏體組織，焊接接頭也有形成熱裂紋的傾向。根據(jù)以上分析可知，由于珠光體鋼的稀釋作用，焊縫金屬成分和組織會(huì)發(fā)生很大變化。但是通過焊接方法和焊接材料的選擇以及對(duì)母材金屬熔合比的控制，可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)調(diào)整焊縫金屬的成分和組織。
2. 焊縫邊緣的成分過渡層
焊縫金屬熔池邊緣，金屬在液態(tài)持續(xù)時(shí)間最短，溫度也較熔池中部低，液體金屬流動(dòng)性較差，容易結(jié)晶形成固態(tài)。由于珠光體鋼一側(cè)與奧氏體不銹鋼焊接材料的化學(xué)成分和填充金屬不能充分混合，在此側(cè)的焊縫金屬中珠光體鋼所占份額增大，且越靠近熔合線稀釋程度就越大。而在焊縫金屬熔池中心，其稀釋程度就小。這樣，在珠光體鋼與奧氏體型不銹鋼焊接時(shí)，相鄰珠光體一側(cè)熔合線的焊縫中存在一個(gè)成分梯度很大的過渡層。在過渡層中存在一層馬氏體組織，硬度很高，形成一個(gè)高硬度的馬氏體脆性層，有可能使熔合區(qū)遭到破壞，降低了焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。
過渡層的形成與焊接參數(shù)有很大關(guān)系：當(dāng)選用大的熱輸入進(jìn)行焊接時(shí)，焊接電流很大，焊接速度慢，焊縫金屬熔池邊緣高溫停留時(shí)間延長(zhǎng)。增加熔池邊緣高溫停留時(shí)間，有助于增加熔池邊緣液態(tài)金屬的流動(dòng)性和拌攪作用，使過渡層的寬度減小。同時(shí)馬氏體脆性層與過渡層里含鎳量有關(guān)：當(dāng)過渡層中w（Ni）低于5％～6％時(shí)，將產(chǎn)生馬氏體組織如圖5-5所示。從圖中可以看出，脆性層寬度B與焊縫中鎳含量成反比。當(dāng)填充金屬選用H08Cr21Ni10時(shí)，脆性層寬度為B1，是比較大的；當(dāng)采用Cr15Ni25Mo6 填充金屬時(shí)，此時(shí)脆性層寬度縮小到B3；當(dāng)使用鎳基焊接材料時(shí)，脆性層將會(huì)完全消失。
3. 熔合區(qū)的碳擴(kuò)散
奧氏體型不銹鋼與珠光體鋼焊成焊接接頭，在焊后熱處理或高溫運(yùn)行服役時(shí)，其熔合區(qū)附近會(huì)發(fā)生碳由珠光體鋼母材向奧氏體不銹鋼焊縫的擴(kuò)散。在碳化物形成元素含量低的珠光體鋼一側(cè)產(chǎn)生脫碳層，而相鄰的奧氏體不銹鋼焊縫一側(cè)產(chǎn)生增碳層。
碳擴(kuò)散的結(jié)果，熔合區(qū)的珠光體組織由于碳含量降低而轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體組織導(dǎo)致軟化，且在高溫的長(zhǎng)時(shí)間作用下，鐵素體晶粒還會(huì)顯著地長(zhǎng)大；同時(shí)增碳層中的碳化物也變得粗大，硬度非常高。焊接接頭在這種軟硬交接層的抗蠕變性能大大降低，在高溫下長(zhǎng)時(shí)間服役，交接處會(huì)出現(xiàn)蠕變孔洞并逐漸發(fā)展成為顯微裂紋，最后導(dǎo)致焊接接頭斷裂失效。
此外，若提高奧氏體不銹鋼與珠光體鋼焊縫中的鎳含量，就可以減輕碳從珠光體鋼母材向奧氏體不銹鋼焊縫金屬中的擴(kuò)散遷移。若選用鎳基合金作為填充金屬，這種碳的擴(kuò)散遷移就不存在。
4. 熔合區(qū)的熱應(yīng)力
焊態(tài)的接頭通常都存很大的殘余應(yīng)力，焊縫及其附近的金屬處于拉應(yīng)力狀態(tài)，其余部分的金屬受到壓應(yīng)力的作用。然而在異種鋼接頭中，由于奧氏體不銹鋼的線脹系數(shù)比珠光體鋼大，從而導(dǎo)致焊接接頭殘余應(yīng)力增大。這樣，異種鋼接頭在高溫下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行期間，更突出的表現(xiàn)在運(yùn)行溫度波動(dòng)（特別是開、停車）時(shí)，焊接接頭處于熱疲勞狀態(tài)。如果采用鎳基合金作為填充材料，由于鎳基合金的熱脹系數(shù)與珠光體鋼相近，在珠光體鋼母材一側(cè)，焊接殘余應(yīng)力就可能減少。
根據(jù)以上分析可見，以?shī)W氏體不銹鋼為填充金屬焊接奧氏體-珠光體異種材料副時(shí)，成分不均勻所導(dǎo)致的脆性過渡層、碳擴(kuò)散問題以及膨脹系數(shù)所導(dǎo)致的溫度差應(yīng)力和變溫疲勞問題均發(fā)生在珠光體鋼一側(cè)焊縫的熔合區(qū)，因而成為矛盾的焦點(diǎn)。大量的失效案例均證明了這一點(diǎn)。
5. 延遲紋
氫在不同的組織中，其溶解度和擴(kuò)散系數(shù)也不同且與溫度有關(guān)。例如，當(dāng)溫度為500℃時(shí)，氫在奧氏體組中溶解度為4cm3／100g，而在鐵素體組織中為0.75cm3／100g；在溫度為100℃時(shí)，氫在奧氏體組織中溶解度降到0.9cm3／100g；而在鐵素體組織中的溶解度只有0.2cm3／100g。氫在奧氏體的擴(kuò)散率可比其在鐵素體中小二、三個(gè)數(shù)量級(jí)。在異種金屬焊接時(shí)珠光體鋼一側(cè)的熔合線區(qū)，奧氏體焊縫中大量過飽和氫不易直接向大氣逸出，而是向擴(kuò)散系數(shù)大得多的珠光體鋼中擴(kuò)散，造成珠光體鋼中擴(kuò)散氫的聚集，從而為延遲裂紋創(chuàng)造了條件。因此，異種鋼焊接接頭珠光體鋼的冷裂紋的傾向應(yīng)當(dāng)比同種鋼焊接時(shí)更為嚴(yán)重，特別是當(dāng)成分過渡區(qū)中有較厚的馬氏體脆性層時(shí)尤為突出。
