碳钢/不锈钢异种金属复合材料在工业制造中得到了广泛推广,针对该种材料的焊接方法及工艺研究也蓬勃发展。目前,对于碳钢/不锈钢异种金属复合材料的焊接方法选择以熔化焊为主,研究的侧重点为焊接工艺对显微组织、力学性能及耐腐蚀性能等方面的影响。

黄本生等人采用手工电弧焊(Shielded metal arc weldingSMAW)对Q235/316L进行焊接,选用了A132A042A022三种不同的不锈钢焊条为填充材料。研究表明,在Q235/316L异种金属焊接过程中,采用A042(高CrNi含量)焊条堆焊时,可以得到性能良好的焊接接头,其显微组织主要为奥氏体基体上分布一定数量的蠕虫状。铁素体。同时,当焊接电流为110 ~ 130 A,电压为23 ~33 v,焊接速度为50 mm/min,再经300x2h保温,空冷时效处理后,可得到综合性能优越的焊接接头。

赵东升等人建立了Q235/304异种金属的对接几何模型,采用双椭球体热源,计算了TIG焊的温度场和残余应力,研究了焊接工艺参数和焊接热源的位置对残余应力分布的影响。研究表明,焊缝附近存在残余应力较高区域,峰值残余应力出现在304不锈钢侧,其值接近304不锈钢的屈服强度。同时,当焊接热源偏向Q235时,该侧焊接残余应力峰值和高应力区范围变化较小,但是焊缝附近区域的塑性变形程度明显降低,304不锈钢侧的焊接残余应力峰值基本保持不变,高应力区域范围略有增加,焊缝附近区域的塑性变形程度明显增大。

R. Kacar等人采用爆炸焊对2205双相不锈钢/DIN-P335GH(与Q345R类似)进行焊接,研究了复合材料的硬度、抗剪切强度、及微观结构。结果表明,复合材料的连接界面呈波浪型,如下图所示。在连接界面两侧的硬度值相近,但在距离连接界面25 um处,两侧的硬度值均有增加现象。靠近连接界面的晶粒沿着爆炸冲击方向伸长,这意味着材料表现出良好塑性变形能力。

W.Chuaiphan等人采用TIG焊对1020碳钢/304不锈钢进行焊接,研究了不同焊丝对接头组织性能的影响。结果表明,采用309L308L焊丝所获得的组织为铁素体呈连续树枝状排列分布于奥氏体中,而使用316L焊丝获得的焊缝中为不连续的树枝状铁素体分散排列在奥氏体中。R.Rajeev122等人以碳钢为基体,在表面堆焊-层双相不锈钢,通过显微硬度试验发现,熔合区附近的硬度值较高,出现这种情况的原因是因为碳钢在高温环境下的稀释率上升,故而在碳钢熔合区附近形成一个硬度较高区域。

王能利等人采用钨极氩弧焊和焊条电弧焊两种方法对20/0Cr18Ni9复合钢管进行焊接,分别采用TGS-309焊丝、CHS-062焊条作为焊层和过渡层填充材料。结果显示,两种焊接接头的过渡层化学成分与0Cr18Ni9钢相似,属于同样电极电位区,且两种接头的过渡层焊缝组织均为a+,双相,凝固模式为AF+FA混合模式,但以FA模式为主。

两种焊接接头的抗拉伸强度处于两种母材之间,属等强匹配。

M.Sadeghian等人采用TIG焊对UNS S32750双相不锈钢/API X65钢进行焊接,研究了0.506 kJ/mm0.860 KJ/mm两种热输入条件下焊接接头的组织与性能。结果表明,随着焊接热输入降低,焊缝金属中的铁素体含量也呈下降趋势。当热输入为0.506kJ/mm时,X65HAZ产生了贝氏体和铁素体;当热输入为0.860 kJmm时,X65HAZ产生了珠光体和铁素体。随着焊接热输入增大,焊缝金属的硬度值有轻微的降低现象,焊缝的冲击韧性大幅增加,这是因为焊缝在高热输入条件下更多的铁素体向奥氏体进行转变。

S. M.Miranda以衬层为ASTM A240 S32506型双相不锈钢的Butting双金属复合为研究对象,在衬层-基层过渡处开J型槽口,采用多层多道焊对其进行连接。研究发现:熔池金属向母材渗透的最大阻碍是Marangoin效应,该效应形成的原因是熔池中s元素含量较低,s是一种对液相表面具有活化作用的元素。R.M.Miaranda还发现焊接电流、焊接速度的改变并不会增加熔池金属的渗透程度,但是若采用较大的焊接角度,渗透程度会增强。

黄本生等人采用GTAWSMAWQ345/316L进行焊接,并对接头的显微组织结构、力学性能、腐蚀性能等方面做了研究。结果表明,高Cr.Ni含量的焊材焊缝金属主要是由奥氏体和铁素体组成的,碳钢侧熔合线处出现了明显的碳迁移现象。力学性能测试结果表明,Q345/316L焊接接头的常温拉伸性能超过Q345,拉断位置处于Q345碳钢的HAZ,由于元素迁移及焊缝脆性组织的生成,焊缝的冲击韧性较差。耐腐蚀性试验采用模拟海水腐蚀环境,结果表明焊缝的耐腐蚀性较316L不锈钢低,腐蚀机理为:CI与焊缝表面接触后破坏了氧化膜,导致Fe基体被氧化成二价离子,生成不稳定的FeoFeOH2,进一步被氧化成三价离子,生成a-FeOOHy-FeOOH J.Q.Shen29等人采用激光焊(12 mm/s24 mm/s两种焊接速度)对铁素体不锈钢和低碳钢进行焊接。研究结果表明,焊缝金属的显微组织由少量的铁素体和板条马氏体组成,碳钢侧HAZ由上贝氏体和粗大马氏体组成。当增大焊接速度时,将会使焊缝和两种母材HAZ的宽度减小,并无有害相生成。显微硬度试验结果表明,焊缝>铁素体不锈钢>碳钢,焊缝的硬度最高是因为在此处生成了马氏体组织。焊接接头具有比碳钢更高的腐蚀电位,但低于铁素体不锈钢。

综上所述,关于碳钢/不锈钢异种金属复合材料的焊接主要是研究焊接方法、焊接工艺,热源多为大输入集中型,这样无疑会放大1.2.1节中所述问题。瞬间液相扩散焊是一种扩散型焊接方法,热源较为均匀,很适合用于该种材料的焊接。目前,关于TLP焊应用于碳钢/不锈钢异种金属焊接的报道较少,即便有少量报道也多集中于对工艺问题研究,并未彻底、全面的解决问题。