奧氏體不銹鋼與碳鋼在物理性能方面（如熱導(dǎo)率、線脹系數(shù)）有很大差異，在化學(xué)成分方面的差異更大。為了獲得一個(gè)滿意的異種鋼焊接接頭，必須對(duì)兩種鋼的性能、化學(xué)成分、組織和形成焊接接頭可能出現(xiàn)的各個(gè)具體問題進(jìn)行分析，要從焊接方法、焊接材料和焊接工藝的選擇著手，協(xié)調(diào)處理多種矛盾，力求得到解決。
1. 焊接方法的選擇
奧氏體-珠光體組配的鋼材副焊接時(shí)，除了考慮生產(chǎn)效率和具體焊接條件外，還在考慮熔合比對(duì)其質(zhì)量的影響。通常希望熔合比越小越好，以降低焊縫金屬的稀釋程度，避免裂紋的產(chǎn)生。
用熔焊方法焊接這個(gè)鋼材副時(shí)，有非熔化極和熔化極氣體保護(hù)焊、埋弧焊和焊條電弧焊等方法。表5-5列出了上述焊接方法熔合比調(diào)節(jié)范圍。非熔化極鎢極氬弧焊的熔合比最寬，可在10％～100％范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而焊條電弧焊熔合比調(diào)節(jié)范圍最窄，只有15％～30％。由表5-5和圖5-4可知：采用非熔化極鎢極氬弧焊時(shí)，如果不采用填充焊絲進(jìn)行焊接，其熔合比最大；而采用填充焊絲施焊時(shí)，熔合比可以調(diào)節(jié)得小些。焊條電弧焊除了熔合比范圍小外，它還具有操作方便、靈活，不受工況條件限制的優(yōu)點(diǎn)，所以在異種鋼焊接時(shí)，得到廣泛地采用。
表5-5 幾種焊接方法的熔合比調(diào)節(jié)范圍
2. 焊接接頭的形式與坡口的選擇
異種金屬焊接接頭的形式，根據(jù)被焊金屬的焊接性、焊接結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境條件，可選用下列形式：
a. 用焊接材料直接施焊 這是常用的焊縫形式，即在選用合適的焊接材料和工藝規(guī)范的情況下，直接在被焊異種金屬副的待焊處施焊，來(lái)獲得一個(gè)優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。
b. 母材一側(cè)先堆焊過(guò)渡層焊縫的形式 對(duì)于鋼材較厚的異種金屬，為了減輕異種金屬間碳的擴(kuò)散程度，在碳化物穩(wěn)定性較低的珠光體鋼待焊處先堆焊一層含鈮、鈦、釩等強(qiáng)碳化物合金元素的珠光體鋼焊接材料作為過(guò)渡層，然后將該過(guò)渡層與奧氏體不銹鋼焊成異種金屬的焊接接頭。過(guò)渡層焊縫中應(yīng)有比母材更多的強(qiáng)碳化物形成元素，這樣有利于降低淬硬傾向。這樣，焊前不必預(yù)熱，或降低預(yù)熱溫度，可以減少產(chǎn)生裂紋的傾向。過(guò)渡層焊縫形式如圖5-6所示，焊接非淬火鋼時(shí)，過(guò)渡層厚度8為5～6mm；焊接淬火鋼時(shí)，厚度8要增加到9mm。焊接厚度大于30mm的剛度大的部件時(shí)，推薦采用圖5-6c所示的過(guò)渡層焊縫形式。
c. 加中間過(guò)渡件的雙焊縫的接頭形式 采用一般珠光體類型的低合金耐熱鋼焊接材料焊接奧氏體型不銹鋼與鉻鉬耐熱鋼時(shí)，焊縫中難免要出現(xiàn)馬氏體組織，焊接時(shí)易出現(xiàn)裂紋，常溫性能也較差。而且此焊接接頭在高溫工作時(shí)壽命很短，有的只服役幾千小時(shí)就開始破壞。通常在制造廠將焊接性較好的中間過(guò)渡件同異種鋼副的不銹鋼接頭焊成一個(gè)整體，在安裝工地再進(jìn)行兩種不同成分的珠光體鋼焊接，最后形成所需要的焊接接頭如圖5-7所示。其中間過(guò)渡件多半選用含有鈮、釩、鈦等強(qiáng)碳化物形成元素的珠光體鋼。
例如，對(duì)用E309型不銹鋼焊條焊接2.25CrlMo鋼＋12Cr18Ni9鋼的異種鋼焊接接頭，在600℃時(shí)作持久試驗(yàn)，結(jié)果表明，由于碳的強(qiáng)烈擴(kuò)散，最后拉斷于熔合區(qū)。若選用含鈮的2.25CrlMo鋼作為中間過(guò)渡件，或者在2.25CrlMo鋼一側(cè)待焊處用含鈮的2.25CrlMo鋼焊條堆焊一層過(guò)渡層，仍用E309型焊條進(jìn)行施焊，在上述相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，碳的擴(kuò)散程度明顯減弱，持久強(qiáng)度得到提高，最后拉斷于鉻鉬鋼一側(cè)。
以焊條電弧焊為例，從圖5-8中可以看出不同焊接接頭形式和焊縫層數(shù)對(duì)母材金屬熔合比的影響是很大的。表5-6列出了焊接坡口的角度對(duì)母材在焊縫中所占比例的估計(jì)值。堆焊時(shí)母材的熔合比最小，隨著堆焊層數(shù)的增加，熔合比也隨之降低；焊接坡口越大，熔合比越小；焊縫寬度越大，熔合比也越小，并隨著焊縫層數(shù)的增多，熔合比也下降。通常選用U形坡口來(lái)代替V形坡口。多層焊時(shí)，根部焊縫的熔合比最大。
3. 焊接材料的選擇
異種金屬焊接接頭的焊縫及熔合區(qū)的組織和性能主要取決于焊接材料。以焊條電弧焊焊接珠光體鋼Q235＋奧氏體不銹鋼12Cr18Ni9為例，來(lái)介紹焊接材料的選擇，主要考慮下列因素。
a. 細(xì)致分析和調(diào)整珠光體鋼焊縫的稀釋作用
為確保焊縫金屬成分和組織良好，分別選用J507（E5015型）和A132（E347型）、A302（E309型）、A402（E310型）等牌號(hào)的焊條進(jìn)行焊接，分析得知焊縫金屬成分和組織是很不相同的。用J507（E5015型）焊條焊接上述異種鋼時(shí)，可計(jì)算出熔敷金屬的鉻和鎳當(dāng)量，對(duì)應(yīng)于圖5-4中b點(diǎn)。焊縫基本上是馬氏體組織，當(dāng)然是不可采用的。用A132焊條（18-8型）施焊時(shí)，焊縫金屬基本上是奧氏體＋馬氏體組織，且靠近Q235鋼一側(cè)，馬氏體數(shù)量越多形成脆性破壞的起始區(qū)域越大，因而也不適用。用w（Ni）＞12％的A302（25-13型）或A402（25-20型）焊接施焊時(shí)，得到的焊縫金屬組織是奧氏體＋鐵素體組織或全部為奧氏體組織。這是由于鎳含量較高，起到穩(wěn)定奧氏體組織的作用，是較為理想的焊接材料。
部分奧氏體不銹鋼焊條熔敷金屬的鐵素體形成元素和奧氏體形成元素的當(dāng)量見表5-7。
b. 抑制熔合區(qū)碳的擴(kuò)散
眾所周知，提高焊接材料的鎳含量，是抑制熔合區(qū)中碳擴(kuò)散最有效的手段。隨著焊接接頭使用工作溫度的提高，要阻止焊接接頭中碳的擴(kuò)散，鎳含量必須提高。通常根據(jù)異種鋼焊接接頭的工作溫度，可有4個(gè)鎳含量等級(jí)的焊縫。在350℃以下溫度服役，焊縫金屬中w（Ni）為10％；在350～450℃溫度時(shí)，w（Ni）為19％；在450～550℃溫度時(shí)，w（Ni）為31％；而在550℃溫度以上長(zhǎng)期工作，則要求焊縫金屬中w（Ni）為47％。
c. 改變焊接接頭的應(yīng)力分布
在高溫下工作的異種鋼焊接接頭中，如果焊縫金屬的線脹系數(shù)與奧氏體型不銹鋼接近，那么溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力）就集中在珠光體鋼一側(cè)熔合區(qū)內(nèi)；如果焊縫金屬的線脹系數(shù)與珠光體鋼相接近，那么溫度應(yīng)力將集中在奧氏體型不銹鋼一側(cè)熔合區(qū)內(nèi)。由于珠光體鋼通過(guò)塑性變形來(lái)吸收應(yīng)力的能力較差，所以高溫應(yīng)力集中在奧氏體型不銹鋼一側(cè)比較有利。國(guó)外常用與珠光體鋼線脹系數(shù)相接近的Cr15Ni70鎳基材料，作為焊接材料來(lái)焊接珠光體鋼＋奧氏體型不銹鋼。
d. 提高焊縫金屬抗裂紋能力
珠光體鋼與奧氏體型不銹鋼焊接時(shí)，為了避免在焊縫金屬中出現(xiàn)裂紋，在不影響使用性能的前提下，最好使焊縫金屬中含有一定數(shù)量的鐵素體組織，以阻止熱裂紋的產(chǎn)生。
總之，上述異種鋼焊接時(shí)，若焊接接頭工作溫度不超過(guò)500℃，選用的焊條有A302、A307、A402或A407等幾種牌號(hào)，它們?cè)谝话愕娜酆媳葪l件下能保證焊縫金屬的成分和性能。鎳基焊條對(duì)抑制熔合區(qū)中碳擴(kuò)散和改變焊接接頭應(yīng)力分布有利，適用工作溫度大于500℃或工作溫度波動(dòng)頻繁的焊接結(jié)構(gòu)。A402、A407焊條或鎳基焊條施焊后，焊縫金屬為單相奧氏體組織，有熱裂紋傾向。在焊接耐蝕結(jié)構(gòu)或非苛刻條件下的高溫結(jié)構(gòu)中用得不多。用A302或A307焊條焊接后，在焊縫金屬中含有一定數(shù)量的鐵素體組織，只要把熔合比控制在30％以下，就能得到較高的抗裂性能和耐腐蝕性能的奧氏體＋鐵素體組織，因而在生產(chǎn)上應(yīng)用較廣。
國(guó)內(nèi)某些企業(yè)在焊接上述兩類鋼的對(duì)接焊縫時(shí)，曾進(jìn)行過(guò)焊接試驗(yàn)：將焊接試件全部加工成V形坡口，先在珠光體鋼一側(cè)坡口用A302或A307牌號(hào)焊條堆焊兩層，然后與06Cr18Ni11Ti鋼板進(jìn)行對(duì)接裝配，使用A132焊條對(duì)06Cr18Ni11Ti鋼板與有堆焊層的珠光體鋼進(jìn)行焊接，均未發(fā)現(xiàn)任何顯微裂紋，且綜合力學(xué)性能較好，見表5-8。表中后三對(duì)試樣，不論其厚度如何，均要進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后回火熱處理，才能使焊接接頭達(dá)到滿意的結(jié)果。
對(duì)于重要的奧氏體不銹鋼與珠光體耐熱鋼焊接結(jié)構(gòu)，已廣泛采用鎳基合金型焊接材料。常用的鎳基合金型焊接材料是“因科鎳”類焊條和焊絲，其化學(xué)成分見表5-9。焊條具體牌號(hào)有“因科A”和“因科B”兩種。這兩種焊條的化學(xué)成分類似，“因科A”焊條需用直流電源進(jìn)行施焊，而“因科B”采用交流電源施焊。因此，在電弧偏吹難以克服時(shí)，應(yīng)盡量采用“因科B”。焊絲牌號(hào)有“因科鎳”82等，主要供鎢極氬弧焊、埋弧焊和等離子弧焊接時(shí)使用。
4. 焊接熱參數(shù)的選擇與操作要領(lǐng)
焊接珠光體耐熱鋼＋奧氏體型不銹鋼時(shí)，有關(guān)焊條、焊前預(yù)熱和焊后熱處理的選擇可參見表5-10。
異種鋼焊接時(shí)，焊接參數(shù)選擇的原則為降低母材在焊縫金屬的熔合比，希望熔合比小且穩(wěn)定不變。首先，焊條或焊絲直徑應(yīng)盡量選用小一點(diǎn)；其次，在焊接參數(shù)上要選用小的熱輸入。在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量選用小的焊接電流，快的焊接速度。與焊條直徑對(duì)應(yīng)的焊接電流見表5-11。
焊工操作要領(lǐng)與奧氏體型不銹鋼焊接一樣，不允許焊條（或焊絲）作橫向擺動(dòng)；希望進(jìn)行多層多道焊，以減少熱源在焊縫邊緣的停留時(shí)間，減少碳的遷移，同時(shí)也能減少熔合比，對(duì)提高焊接接頭耐熱性也有好處。
5. 珠光體鋼強(qiáng)度等級(jí)不同帶來(lái)的影響與其合金元素有關(guān)
珠光體類的低合金鋼與低碳鋼相比，除了碳含量相近外，前者隨著低合金鋼強(qiáng)度等級(jí)不同，還含有數(shù)量不等的錳、鉬、鈦、釩、鈮、鋁等合金成分，要按照鋼材強(qiáng)度等級(jí)選擇匹配的焊接材料。由于合金成分大多屬于穩(wěn)定碳化物形成元素，在強(qiáng)度等級(jí)不太高的低合金鋼與奧氏體型不銹鋼焊接時(shí)，碳主要被結(jié)合在穩(wěn)定碳化物之中，固溶碳較少，在焊接接頭上產(chǎn)生馬氏體組織的可能性較小，因而對(duì)異種鋼的焊接是有利的。此種接頭同低碳鋼-奧氏體型不銹鋼焊接接頭相比，高溫下發(fā)生碳遷移的速度和程度都要較慢些。但是，對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)較高的低合金鋼來(lái)說(shuō)，在異種鋼的焊縫及熱影響區(qū)易出現(xiàn)淬硬組織和產(chǎn)生裂紋的傾向。為了防止這些缺陷的產(chǎn)生，在低合金鋼一側(cè)待焊處焊前需要預(yù)熱，預(yù)熱溫度為200～300℃，焊后根據(jù)焊接構(gòu)件的剛性程度決定是否需要退火來(lái)消除焊接殘余應(yīng)力。
