本文通过理论分析和试验研究，对不锈钢-低碳钢焊接接头的金相组织、力学性能、裂纹敏感性进行了探讨，本研究对于优化焊接工艺、提高焊接接头的使用寿命等具有重要的理论意义和实际应用价值。

在石油化工、造纸、纺织印染机械及酿酒设备中，有许多结构是采用异种钢焊接而成的。如各种容器、罐体结构内壁与腐蚀介质接触的部位常采用不锈钢，而基座，法兰等不与腐蚀介质接触的部位采用碳钢或低合金钢。异种奥氏体钢的焊接结构能节省大量不锈钢，大大降低设备的成本。异种金属焊接接头要满足工程上复杂工况下的性能要求，关键在于解决异种金属的焊接性问题。

一、304不锈钢与低碳钢异种钢焊接性分析

低碳钢和304不锈钢的化学成分和物理性能有较大的差别，因此焊接接头的成分和性能变化比较复杂，焊接时常出现以下几个主要问题。

（一）焊缝金属容易产生裂纹

碳素钢与304不锈钢焊接时，焊缝金属产生裂纹的主要原因是由于稀释作用，焊缝中的奥氏体形成元素含量减少，出现脆硬的马氏体组织，导致焊缝产生裂纹。为了防止母材金属对焊缝的稀释作用，使焊缝不产生裂纹，在焊接生产中常采用下列措施：

1.严格控制焊缝的稀释率。实践表明，焊缝的稀释率控制在30%以下，能有效地防止裂纹倾向。而母材金属对焊缝的稀释作用，主要通过选择焊接方法与填充材料来解决。

2.采用过渡层。焊接低碳钢与304不锈钢时，可先在低碳钢的坡口表面用含铬镍量高的焊条堆焊一层奥氏体过渡层，然后再将过渡层与不锈钢焊接。

（二）焊接接头的塑性和韧性降低

碳素钢与304不锈钢焊接时，焊接接头塑性和韧性降低的主要原因是熔合区出现脆性层。出现脆性层的原因有：

1.焊接时由于熔池边缘金属温度较低、流动性差，熔化的母材金属和填充材料不能充分混合，其结果是母材金属所占比例较大，在碳素钢母材金属侧的熔合区金属中，容易形成与焊缝内部成分不同的脆性层。

2.碳素钢母材金属的稀释作用大。由于碳素钢含碳量比不锈钢多，碳素钢对焊缝的稀释作用较强，使熔合区的脆性层中含铬、镍量减少，其组织成为高硬度的马氏体，所以脆性增加，塑性和韧性下降。

（三）熔合区产生软化(脱碳层)和硬化(增碳层)现象焊接碳素钢与304不锈钢时，熔合区出现软化和硬化是碳的迁移造成的。所谓碳的迁移就是碳从碳素钢母材金属中通过熔合区向焊缝迁移。其结果是靠近熔合线的碳素钢母材金属侧出现脱碳层(铁素体)而软化，在焊缝侧出现增碳层而硬化。碳的迁移使熔合线处碳的浓度差发生突变。

（四）焊缝金属容易剥离

所谓“剥离”就是指焊接异种金属时，由于物理性能和化学成分相差很大，焊后焊缝金属自动与母材金属脱裂的现象。

焊接碳素钢与304不锈钢时，因为不锈钢的线胀系数比碳素钢大，热导率比碳素钢小，焊后会产生很大的热应力。当应力值超过焊缝金属的强度极限时，就会沿熔合线产生裂纹，最后导致焊缝金属剥离。

为防止焊缝金属产生剥离现象，应采取以下两个有效措施：一是合理改善焊接接头的应力分布。二是严格控制冷却速度。

二、研究内容与试验方法

（一）研究内容

1.比较焊条电弧焊与TIG焊对304不锈钢与低碳钢异种钢焊接接头焊缝组织及力学性能的影响。

2.研究304不锈钢与低碳钢异种钢焊接接头热裂纹敏感性。

（二）试验方法

1.试样及焊接工艺参数

试验材料：Q235A钢，1Cr18Ni9Ti钢。

试验尺寸：90×45×6mm。

焊接材料：A102焊条，HCr18Ni13焊丝。

2.304不锈钢与低碳钢异种钢焊接接头裂纹敏感性试验

采用巴东拘束裂纹敏感性试验方法。此法用于对接焊缝焊接时可得较大的拘束度，故对焊缝金属中形成裂纹的敏感性较强，也有可能在母材热影响区内产生裂纹。将不锈钢-低碳钢样板以对接接头的形式摆放在一不小于30mm厚的平板上，用手工电弧焊将焊件式样四周以固定焊缝焊牢。待焊件冷却后焊接试验焊缝。

三、试验结果及分析

（一）焊条电弧焊焊缝及HAZ组织

奥氏体+铁素体，呈枝晶状分布；上方母材热影响区的显微组织，奥氏体+铁素体+碳化物，呈带状分布。

钢一侧HAZ显微组织，过热区显微组织为珠光体和铁素体，略呈魏氏组织态，比母材粗大。

（二）TIG焊焊缝及HAZ组织

图3中白色为奥氏体，黑灰色为碳化物析出物，能明显看见碳化物从晶界析出，呈条状分布。图4中也有碳化物析出，呈带状分布，奥氏体晶粒明显粗大。

（三）熔合区组织

从图5和图6可知无论焊条电弧焊还是TIG焊焊接接头中熔合区的显微组织都较容易辨认。组织形状因成分不同而各异，从熔合区到母材有几个过渡区，呈“三明治”结构形式。

（四）焊接接头断裂强度

拉伸试验结果见表2。从试验结果上看，焊条电弧焊与TIG焊焊接接头强度都有所降低。焊条电弧焊之所以断在焊缝，主要由于A102焊条含碳量较低。

四、焊接头裂纹敏感性

采用A102焊条电弧焊，直流反接进行的巴东拘束试样。试样焊接接头热影响区出现肉眼能观察到的表面裂纹，表明裂纹倾向较大。

采用填丝与不填丝焊钨极氩弧焊，直流正接进行的巴东拘束试样。试样焊接接头均出现肉眼宽肩的表面裂纹，采用渗透检查也没有观察到表面裂纹，表明裂纹倾向不大。

五、结论

1.珠光体—奥氏体异种钢焊接接头的组织，明显分为三个主要特征区域，即焊缝金属区、熔合区和热影响区。各区域的组织和成分分布决定于焊接材料的化学成分及焊接工艺。

2.珠光体—奥氏体异种钢焊接接头组织，从焊缝金属区经熔合区到热影响区的组织具有典型的“三明治”结构。

3.焊接方法和焊接材料的选择对异种钢接头组织和性能具有很大影响。

4.从拉伸试验结果可知不锈钢和低碳钢焊缝中，低碳钢一侧由于碳的迁移及母材的稀释作用，其性能降低。实际应用中，应注意这一点，并采取一定措施减小其影响。

5.采用A102焊条电弧焊焊接珠光体—奥氏体异种钢，焊接接头有较大裂纹倾向；采用填丝（HCr18Ni13）与不填丝焊钨极氩弧焊焊接珠光体—奥氏体异种钢，焊接接头裂纹倾向不大。