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    碳鋼和不銹鋼的異種鋼焊接技術及工藝研究

    作者:www.fireeye100.com 點擊: 日期:2020-06-12 15:36
    隨著經濟的發展,工業的不斷進步,尤其是工業產品不斷更新,新材料不斷被研發,工業發展帶動工藝實施手段,進一步為人們提供源源不斷的創新產品,滿足當下對靈活多變產品和新工藝的需求。因此,高強度、良好塑性且耐腐蝕性強的不銹鋼材料在焊接中受到廣泛使用,但從經濟角度考量,普通碳鋼的價格比不銹鋼更便宜,在合適條件下也可以作為常用材料進行加工制造。許多設計也可以使用普通碳鋼和不銹鋼相結合,組成異種鋼接頭焊接。文章通過介紹普通碳鋼和不銹鋼的對接情況,分析兩種鋼材的物理性能,制定科學的焊接方法,并研究焊接技術及工藝參數,對焊接過程和最終結果進行檢測,得到兩種鋼材在焊接過程中的技術要點和變形控制方法。

    關于普通碳鋼和不銹鋼相結合的異種鋼焊接,在施工中需要嚴格控制焊接方式,采取正確的焊接手段,精確控制焊接工藝參數,再選用科學合理的焊接材料,就能達到異種鋼焊接接頭的設定標準。通常情況下,普通碳鋼和不銹鋼這兩種不同的鋼材在制造維修過程中也有應用,且得到了優質的焊接接頭及整體使用效果。文章在了解不銹鋼和普通碳鋼的性能后,通過介紹兩種鋼材的焊接性能,分析焊接問題,希望對異種鋼焊接的焊接技術進行提高;研究施工過程中需要控制的重點,為今后異種鋼焊接的設計維修提供可借鑒的經驗。

    1焊接性能分析

    在鋼中適量添加鉻、鎳及少量鉬、鈦、氮等元素可以形成超低碳的不銹鋼,多種金屬元素的加入能夠在金屬表面形成抗氧化的薄膜,避免金屬與環境發生氧化反應,保證金屬的耐腐蝕性能,并提高金屬的塑性韌性等特質。另外添加金屬形成合金薄膜也能提高不銹鋼的機械性能和焊接性能,幫助金屬形成更穩定的焊接特性,選用碳鋼時也要選用Q235-A碳鋼,該碳鋼的含碳量較低,具備較好的加工性能和焊接性能。焊接產生變形也與焊接的結構設計有關,焊接材料的性能和焊接結構的設計是影響變形最主要的原因。約束度加大,焊接產生的變形隨之減小。在整體焊接過程中構件的約束度隨著焊接的進行而改變,這種變化沒有任何規律。而焊接過程中除了構件受到約束度影響,還有外界的約束導致焊接效果受到影響。因此在焊接中,復雜的構件自身產生的約束作用對焊接的影響占據主要部分,外界約束產生間接影響,兩種約束相互影響產生不規則變化會隨著焊接進程而不斷變化。為降低不規則變化對焊接過程影響,在結構設計中需提高穩定性,主要采用加強板或加強筋的方式,也能提高焊接結構的剛性。這種做法也會導致焊接的工作量增多,甚至導致約束度變化更大,焊接的不確定性因素增多,因此要慎重使用,運用得當才能減少焊接變形。

    2材料的焊接條件

    焊接就是將兩種不同物理性質的材料相連,因此兩種不同材料的分子構成之間的作用力是影響焊接連接是否成功的本質。當焊接的金屬材料在固體狀態或液體狀態下都能相互融合時,焊接連接的性能即呈現良好狀態。當焊接的金屬只有在液體狀態下互溶,在固體狀態下互溶程度受到限制時,焊接后的性能受到兩種金屬材料過渡狀況的影響。焊接連接也可以由合金組成,這種合金必須能形成金屬化合物,焊接性能會受到合金形成的金屬化合物的脆性影響。當焊接需要的兩種金屬在固體狀態和液體狀態下都不能相互溶和或只能微量融合,則這兩種金屬無法形成有效的焊接連接。因此,運用科學的焊接方法,選取合適的焊接金屬材料,才能獲得優質的焊接接頭。焊接產生變形不僅與材料屬性有關,構件也會受到材料的物理性能影響進而產生變形,尤其是材料的熱傳導系數,當該系數較小時,焊接就會產生明顯的變形。而材料的力學性能也會對焊接產生較為復雜的變形。尤其是材料受熱膨脹對變形的影響,當材料受熱膨脹表現明顯時,焊接變形的發生率隨之升高。當焊接處于高溫狀態時,材料的屈服極限產生變化,并隨溫度逐漸升高而影響焊接的變形,而材料的彈性模量同樣受到溫度的影響。當彈性模量隨著溫度上升而加大時,焊接的變形會隨之減小。而當溫度上升引發屈服極限上升時,導致殘余應力的升高,焊接的變形加大,構件材料會在多種誘發因素影響下發生塑性變形,甚至斷裂。

    3焊接中的主要問題

    不銹鋼和碳鋼的含碳量差距較大,將兩種材質的鋼材進行焊接即為異種鋼焊接。但不銹鋼相較于碳鋼,其導熱性較差,因此直接從高溫驟冷致使大量裂紋出現。焊接是冷熱循環的過程,不銹鋼的熱傾向比碳鋼大,導致在焊接冷卻過程容易出現塑性變形,因此,使用兩種材料進行焊接時必須考慮以下問題。

    3.1熔點的差異

    碳鋼與不銹鋼這兩種金屬的熔點不同,尤其是材質不同的碳鋼和不銹鋼之間,差距較大的熔點導致晶體的擴散不一致,導致焊接的性能變化較大。兩種金屬中低熔點的金屬量流失較多,在焊接過程中出現燒損,形成高質量焊接接頭的可能性降低。

    3.2熱導率和比熱容的差異

    異種金屬焊接也要受到導熱率和比熱容的影響,這兩種物理性質又對被焊材料熔化、熔池的形成產生影響,同時導熱率影響著焊接過程中形成的溫度場,比熱容影響焊縫結晶的形成過程。測量發現不銹鋼的導熱效率是碳鋼的三分之一,這樣巨大的導熱差距致使兩種金屬不在同一時間熔化,導致形成的熔池時間過長,與金屬的結合不足,無法形成合格的焊縫結晶,影響焊縫接頭。

    3.3線膨脹系數的差異

    碳鋼和不銹鋼的線膨脹系數也具有較大差距,這種差距會導致焊接后的冷卻時長不一致,焊縫的收縮程度也不同,致使焊接的接頭應力狀態復雜,促使裂紋的產生,嚴重甚至會出現金屬脫落狀況。

    3.4電磁性的差異

    碳鋼和不銹鋼的電磁性不同,也會導致焊接產生的電弧不穩定,影響焊接質量,嚴重情況為電弧燃燒不充分導致焊縫缺陷的形成。3.5形成脆性化合物

    兩種物理性質不盡相同的金屬在焊接過程中容易形成各種脆性的金屬化合物,這些脆性化合物會影響焊接成品的力學性能,甚至導致焊縫的塑性下降

    4焊接要點控制措施

    4.1選擇焊接材料

    碳鋼和不銹鋼的焊接接頭的化學成分由填充金屬決定,在分析兩種金屬的焊接性能后,需要調整焊縫金屬,控制碳鋼中碳的含量,確保金屬性能,保障焊縫具有一定的抗裂性能,使焊接后的成品性能得到保證。另外,焊接材料的儲存需嚴加管理,在使用焊接材料時做好準備工作,提前烘焙焊接材料并及時發放。焊接設備增多且種類增加,因此使用方法增多且需要使用人員具備較高的焊接技術,并配足輪換焊接工作人員,甚至需要設立焊接準備工作的部門協助焊接人員做好焊接準備工作。焊接準備工作包括設備裝置的合理布置,檢查設備的損耗率及故障發生率,使用前檢查零件使用情況,及時補充需要的零件,記錄設備使用狀況并做好設備維修保養記錄,按照要求檢驗焊材是否符合標準,并備足焊接所需的各種用料。安排合適的焊接前準備工作和焊接順序不僅能提高工作效率,也能避免焊接材料產生變形。在焊接零部件裝配時,拆分整體結構,分解為簡單施工的部件和復雜施工的部件,分開焊接。最后組裝焊接成整體,降低脆弱焊縫對整體結構的影響,給變化大的焊縫足夠空間收縮,降低整體不規則變化影響焊接質量。拆分焊接將不規則焊縫進行分開處理,降低其對整體的影響,降低這種大焊縫對整體構件的危害,以上劃分焊縫的方式也應該由焊接難易度進行區分。4.2焊接操作方法

    影響焊接變形的是材料、結構和工藝,這也是影響焊接產生變形的三個主要因素。在材料選擇已經固定的情況下,焊接的變形主要受到設計情況和施工工藝的影響。當設計科學合理時,提高施工工藝是減少焊接開裂和變形最有效的方式。但當設計不合理時,施工工藝就會相應的提高難度和復雜程度,不僅降低工作效率,延緩生產需要的時間,也產生了材料浪費提高生產成本。因此在焊接操作上,主要在設計和施工工藝上控制焊接過程的變量。首先是焊接設計方面可以采取的措施。通過對焊縫進行尺寸和形式的設計降低焊接變形。焊接需要的工作量和最終呈現的焊接產品系變形情況受到最初焊縫尺寸選擇的影響。當焊縫尺寸選擇過大時,焊接時需要的工作量加大,最終成品的變形也隨之增大,必須在產品的結構能承受荷載固定的情況下,在設計選擇之初采取小尺寸焊縫。丁字接頭和十字街頭能受到荷載較大。因此強度固定的情況下,可以選擇開坡口焊縫。相較于常見的角焊縫來說,這種焊縫能降低焊縫的金屬,進而降低焊接的變形。在焊接技術未得到提升時,焊接設計時常常會選用大焊縫,原因是缺少對焊縫的了解,這種選擇也會導致大焊縫影響焊接效果,焊接產生變形。焊接設計之初要盡量避免設計過多焊縫,通過選擇合適的筋板,在設計結構過程中選擇固定的筋板形狀,并合理設置筋板位置,盡量降低焊縫存在設計數量,減少過度焊接保護產品的焊接量達到減少變形的目的。除了減少焊縫避免焊接變形的方式外,還可以通過設計科學設計焊縫的焊接位置,通過合理設計將焊縫安置在截面上,并盡量在中軸附近,這些焊縫的位置可以降低對結構的變形影響。其次是在工藝選擇上采取措施減少焊接變形。焊接產品過程中需要進行的一系列措施叫做工藝措施,主要有焊接前的預防,焊接過程的質量控制以及焊接后的糾偏措施。在實際施工過程中,有些步驟可以減免,但這種理論設計在實踐中與真實焊接情況具有一定偏差,畢竟焊接是一個存在變量隨時變化的過程,不僅是簡單的零部件搭配,而是有目的的將構件組裝成成品并產生一定效果。這個過程需要將部件進行焊接組裝,也就需要進行焊接工藝設計,因此事前準備,進程控制和事后糾偏是理論上對整個焊接過程的質量控制。

    4.3焊后處理與檢驗

    焊接工作完成后,及時進行焊后熱處理,焊后熱處理的作用有消除焊接殘余應力、穩定結構的形狀和尺寸。細化晶粒減少畸變,改善母材焊接接頭的性能,包括提高焊縫金屬的塑性降低熱影響區硬度,提高韌性改善疲勞強度,提高抗應力腐蝕的能力。進一步釋放焊縫金屬中的有害氣體,尤其是氫,防止延遲裂紋的發生。待冷卻到室溫進行焊縫質量的檢測,如果發現焊縫存在氣孔或裂紋等嚴重質量問題時,該焊接成品無法正常使用,因此焊后檢驗是焊接的最后一道工序,關系到產品的使用性能和真實壽命,焊后檢驗最主要的工作就是檢驗焊接接頭的性能。這種檢驗主要是事后控制,如果發現質量問題只能返工,對于減少材料浪費節約施工進度方面并無貢獻,因此事前控制是提高焊接技術最重要的步驟,在實際焊接過程中需要對三個階段的質量控制嚴格執行,保障焊接變形在可控范圍之內。

    5結束語

    綜上所述,文章通過探討碳鋼和不銹鋼的異種鋼焊接性能,對焊接技術在事前、事中、事后三個階段的質量控制提出建議,希望在材料選擇。施工工藝改進及產品結構設計三個方面做出提高,從而提高焊接技術減少焊接變形,希望為異種鋼的焊接提供可借鑒的經驗。