当进行碳钢管和不锈钢管焊接时,由于异种金属在显微组织,化学成分、物理性能等方面存在较大差异,难以同时顾及两种材料的焊接性,因此焊接过程中存在更为复杂的问题,主要包括以下几点:

1)物理性能差异

在碳钢管/不锈钢管异种金属焊接过程中,热导率、比热容的差异是制约焊接接头性能的重要因素。一般来说,不锈钢管的热导率约为碳钢管1/3,二者热导率的差异容易使焊接过程中熔化不同步。线膨胀系数的差异同样对焊接接头性能有举足轻重的影响,在冷却过程中,由于焊缝两侧的收缩量不同,易于造成焊缝或HAZ产生裂纹。另外,由于碳钢管不锈钢管在电磁性上存在差异,使焊接电弧产生不稳定现象,焊后会产生很大的热应力,降低焊接接头性能。

2)碳迁移与焊缝稀释现象

对于碳钢管/不锈钢管异种金属焊接,通常采用不锈钢管焊材为填充材料,意味着焊缝区的CrNi含量较高,此时,在碳钢管焊缝连接界面存在较大的碳浓度差,在浓度差驱动力下碳元素将会向熔合线迁移,并在此处形成脱碳层和增碳层。一般来说,增碳层的厚度不会太大,主要位于熔合区的马氏体层中,因为碳元素在a-Fe中的扩散能力比在p-Fe中大很多,碳元素难以跨过奥氏体/类马氏体界面作长程扩散,。此外,母材向焊缝熔解并稀释焊缝金属,将会极大程度降低熔合线附近Cr元素浓度,降低抗腐蚀性能同时增加裂纹产生倾向。

3)熔合区脆硬层

由于焊接过程中存在明显的元素迁移现象,焊缝中部与靠近熔合线处焊缝边缘在化学成分上存在较大差异。熔合线附近的液态金属平均温度较中部焊缝低,电磁搅拌能力弱,金属流动性差,易于在此处形成组织、成分不均匀区域。文献表明,熔合线附近的焊缝极易产生脆硬马氏体,使焊缝的塑性和韧性显著降低,甚至导致熔合区的破坏。

对于碳钢管/不锈钢管异种金属焊接,一般从焊接材料的合理选择、科学的坡口设计、焊接工艺优化(应采用小电流、高电压、快速焊,焊前进行预热)、熟悉焊接操作、注重焊后缺陷检测等方面对接头质量进行控制。目前,焊接方法主要集中于手工电弧焊、MIG焊、TIG焊、激光焊等,将不可避免产生上述焊接过程中存在的问题。