异种金相体不锈钢薄壁管焊接工艺研究

李云艳 喻高旗 唐启涛

摘要：本文对奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti和马氏体不锈钢1Cr17Ni2的薄壁管焊接进行工艺研究。通过原理分析和工艺试验件，确定了合适的焊接方法、焊丝和工艺控制措施，并进行严苛的焊接检验，焊接性能良好。将研究成果用于批量生产，焊缝质量全部满足产品要求。此项工艺研究能为异种金相体不锈钢薄壁管的焊接提供一套成熟的工艺方案。

关键词：异种金相体不锈钢;焊接方法;工艺参数

前言

近年来，在航空、航天等诸多领域，零件需在复杂多变的恶劣环境下正常服役。零件的组成部位需在不同工作环境承受不同的强度、耐腐蚀等要求，此时零件要满足不同工作条件对材质提出的不同要求，发挥不同材料的性能优势，需采用异种不锈钢制造的焊接结构。

在实际研究中，碳钢与不锈钢、合金钢与不锈钢、同金相体不锈钢的焊接工艺进行了广泛的研究，而不同金相体不锈钢焊接的研究较少，其中1Cr18Ni9Ti不锈钢和1Cr17Ni2不锈钢就属于不同金相体，它们分别为奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢。本文以1Cr18Ni9Ti不锈钢和1Cr17Ni2不锈钢在薄壁管的焊接为例分析异种金相体不锈钢薄壁管的焊接工艺。

1焊接性分析

焊接性分析主要包括工藝焊接性和使用性能，工艺焊接性是指材料在焊接加工中是否容易形成接头或产生缺陷，使用性能是指焊接完成的接头在其使用条件下是否能可靠运行。由此，焊接性主要影响因素是材料因素和设计结构因素。

1.1材料分析

1Cr18Ni9Ti为奥氏体不锈钢，抗拉强度σb≥539N/mm2，经冷加工后有高强度，其焊接性能良好，常用的焊接方法均可对其进行焊接，如激光焊、TIG焊、MIG焊等。1Cr17Ni2为马氏体不锈钢，抗拉强度σb≥1079N/mm2，具有较高强度，且耐硝酸及有机硝酸腐蚀，焊接性能良好。

1Cr18Ni9Ti和1Cr17Ni2两种材料虽同属不锈钢，但金相不同，其物理、化学性能及化学成分等有显著差异，从焊接性和操作技术上都比同种材料难于控制，其焊接主要难点有三点：第一，焊接过程中，由于金相组织的变化会使焊接接头的性能恶化，造成焊接困难;第二，焊接熔合区合热影响区的力学性能较差，特别是塑性和韧性明显下降;第三，接头塑韧性的下降以及焊接应力的存在，焊接接头容易产生裂纹，尤其是焊接熔合区和热影响区更容易产生裂纹，甚至发生断裂。

1.2 结构分析

1Cr18Ni9Ti的管壁厚度为1mm，1Cr17Ni2的管壁厚度为1.5mm，均属于超薄壁厚。不锈钢焊接过程中铁液发粘，再加上管壁超薄，焊接有一定的难度。

热输入较大时，出现焊缝表面不均匀、焊漏、焊接变形大等质量问题，不能满足产品质量。热输入较小时，焊缝根部出现未焊透等缺陷，不能满足产量质量。

2焊接工艺

焊接异种钢材料时，会产生一层成分、组织及性能与母材不同的过渡层，过渡层的性能对焊接接头的整体性能有很大的影响。

因此，结合原理分析和工艺试验件，尝试采用适合的焊接方法、焊接参数和工艺控制措施来保证焊接质量：第一，采用合适的焊接方法，选择合适的熔合比，尽量缩短被焊材料在液态停留的时间，以防止或减少生成金属间化合物。第二，选择合适的焊丝，能很好的结合两种母材，以阻止脆性化合物相的产生和提高接头的强度性能。第三，焊接时要严格控制焊接参数，同时增加工艺控制措施，保证焊缝质量。

2.1 焊接方法选择

薄壁管壁厚很小，最常见的是采用激光焊进行焊接，而激光焊对零件的间隙要求非常苛刻，结合零件结构的常规性，选用了熔焊。熔焊分为熔化极气体保护焊（如TIG焊）和非熔化极气体保护焊（如MIG焊），其熔合比不同。

过大的熔合比，会增加母材对焊缝金属的稀释率，使过渡层更为明显，则异种不锈钢薄壁管应选择熔合比较小的焊接方法。MIG焊的熔合比为10%～80%，TIG焊的熔合比为20～40%，由上，1Cr18Ni9Ti和1Cr17Ni2的薄壁管焊接选择TIG焊（钨极氩弧焊）。

2.2 焊丝选择

2.2.1 理论分析

异种钢焊接时，主要依据母材的成分组织和焊件的工作条件来选择合适的焊接材料。1Cr18Ni9Ti和1Cr17Ni2的薄壁管需具有良好的抗裂性和耐腐蚀性能。运用Scheaffler焊缝组织图预测焊缝组织，确保焊缝成分合理（保证塑性、韧性和抗裂性）。按《焊接工程师手册》要求以及多年积累的焊接经验，工程师初步选定了以下三种焊丝：H0Cr21Ni10Mn6、H1Cr18Ni9Ti和H1Cr16Ni25Mo6N。

2.2.2 金相分析

采用以上三种焊丝在9件试验件上进行焊接，并将焊缝组织进行金相分析。

采用焊丝H1Cr16Ni25Mo6N焊接时，焊缝金相组织处于单相奥氏体，该组织抗热裂性能差，不适用;采用焊丝H1Cr18Ni9Ti焊接时，焊缝金相组织处于奥氏体+马氏体，该组织耐腐蚀性能差，不适用;采用焊丝H0Cr21Ni10Mn6焊接时，此焊缝金相组织为奥氏体+铁素体双相组织，其抗裂性和耐腐蚀性均良好。

故选用采用焊丝H0Cr21Ni10Mn6，以满足质量要求。

2.3 焊接参数

2.3.1焊接电流

焊接电流是影响焊接质量的关键因素，不锈钢在焊接过程中有热裂纹倾向及贫铬现象，严格控制热输入量尤为重要。电流过小，缺少足够的热输入，不能使母材充分熔化，形成未焊透。电流过大，薄壁管壁厚小，极易焊漏，不满足质量要求。

经过多件试验件的摸索，将焊接电流控制25A～35A最为合适。

2.3.2工艺控制措施

周围空气的侵入会导致焊缝或热影响区出现裂纹、气孔等缺陷，焊接时需增加焊缝内外气体保护。

不锈钢焊接时在特定温度区间（450℃～850℃）易产生区域贫铬现象，异种金相体不锈钢焊接更加明显，会导致焊接接头出现晶间腐蚀现象。不锈钢焊接时，一般不需要焊前预热，也不需要焊后热处理，则应该严格控制冷却速度和温度

为尽量减少焊接接头在危险温度范围内停留时间，采用焊接过程中通气降温和焊后快速水冷的工艺控制措施。

3 焊缝检验

薄壁管焊缝属于一级焊缝或二级焊缝，焊接质量要求严格。焊缝检验需进行100%外观检验（10倍放大镜）、100%X光检验、100%液压试验和100%气密试验。

焊接后，全部试验件焊缝表面无裂纹、无表面气孔、无咬边、无凹坑等缺陷，焊缝圆滑过渡。全部试验件焊缝内部X光无气孔、无夹渣、无未焊透等缺陷。焊缝承受35MPa液压试验，保持5分钟，无漏油、渗油、永久变形和损坏现象。焊缝承受4Mpa气密试验，保持1min，无漏气现象。焊接质量均满足一级焊缝要求，焊缝性能良好。

4研究应用

将此项异种金相体不锈钢薄壁管的一套成熟的工艺方案用于航空产品-弹射座椅内的伸缩套管的焊接。该零件的材料为1Cr18Ni9Ti和1Cr17Ni2，管壁为1mm，是异种金相体不锈钢薄壁管的典型零件，焊缝等级为一级焊缝。

批量生产时，焊缝质量满足产品要求，合格率为100%，产品质量稳定。

5结论

异种金相体不锈钢薄壁管的焊接存在一定难度，但选择合适的焊接方法和焊接参数，适当增加一些工艺控制措施，焊接质量可以很好的控制，得到良好的焊接性能。

以1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢和1Cr17Ni2马氏体不锈钢，管壁为1mm的异种金相体不锈钢薄壁管为例，选用H0Cr21Ni10Mn6焊丝进行TIG焊，选用焊接电流、快速水冷、内部通气等工艺控制措施，焊接质量良好，批量生产焊接质量稳定。

异种金相体不锈钢薄壁管的焊接工艺重点在于焊接方法和焊材的选用，同时需要增加合适的工艺控制措施。