不锈钢焊接研究现状和发展趋势

1不锈钢焊接研究现状和发展趋势摘要不锈钢具有多种优点，且焊接性良好，但是传统的焊接方法由于种种原因导致其接头缺陷严重，因此新的焊接方法的研发迫在眉睫。本文主要分析了不锈钢传统焊接方法的各种优缺点，进而对激光--MIG复合焊焊接不锈钢这一新的焊接方法做了一定的研究，分析了国内外的研究进展，并对其发展做了展望。关键词不锈钢、激光--MIG复合焊、研究现状、发展趋势0引言不锈钢由于其表面光洁，具有不锈和耐蚀性并有其他许多优良性能，在许多工业领域、装饰业以及日常生活中得到了广泛的应用。而近年来迅速发展起来的铁素体不锈钢由于其价格经济，综合性能优良和表面更加光亮等日益受到钢铁制造企业及用户的重视。但是由于工艺不当、材料有缺陷等原因会对不锈钢焊接接头造成种种缺陷。如：焊接接头的脆化、焊缝的均匀腐蚀、接头的点蚀、应力腐蚀破裂、易产生热裂纹，由于导热系数小线膨胀系数大，易于形成联生结晶方向性强的柱状晶的焊缝组织，焊缝组织成分复杂[1]。以上问题都极大的限制了不锈钢的应用。于是发展新型焊接工艺尤其是新型的焊接方法迫在眉睫。因此各种各样新型焊种应运而生，如搅拌摩擦焊、激光焊等。此处我们的研究项目是激光焊接不锈钢。1不锈钢的焊接性分析不锈钢作为现代工业中一种重要的材料，已有100多年的历史。因不锈钢具有高强度、可焊接性、抗腐蚀性、易加工性和表面具有光泽性等许多优异的特性，在宇航、化工、汽车、食品机械、医药、仪器仪表、能源等工业及建筑装饰方面得到了广泛而重要的应用。但随着石油化工工业、军事工业及海洋开发的迅速发展，对不锈钢提出了更高的要求，传统的不锈钢已经适应不了特殊行业和特殊功能领域的使用要求，因此，不锈钢材料也逐步向功能性和特殊性方向发展，出现了超级不锈钢和满足各种特殊功能要求的功能性不锈钢。铁素体不锈钢含铬量在11％～30％，具有体心立方晶格结构，在使用状态下以铁素体组织为主。铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢(如AISI304等)相比，具有强度高，冷加工硬化倾向较低，导热系数大、线膨胀系数小等优点。传统的铁素体不锈钢由于钢中的C和N等间隙元素含量比较高，因此存在韧性差，耐蚀性和焊接性差等缺点，因此其应用范围极其有限。近年来，由于不锈钢精炼技术的发展，AOD、VOD等工艺的应用，已经能生产出低碳、氮和氧的超纯铁素体不锈钢，使得上述铁素体不锈钢的缺点2得到了一定程度的改善并进一步发展了许多新的焊接性好、加工性能优良的新品种。这类铁素体不锈钢的特点就是中、高铬，不含或含少量镍，同时添加了有益金元素铌、钛、钼等该类不锈钢成形性、耐蚀性和焊接性优良[2]。奥氏体铬镍不锈钢的使用是最广泛的，良好的耐蚀性是这类不锈钢的特点，它也可被用于需要其低导磁率、良好的零下低温韧性、高的高温强度等场合。奥氏体不锈钢成功焊接的一个重要部分是通过选择焊缝金属的类型、焊接工艺和焊后热处理来控制其成分和显微组织。当这类钢的成分变得复杂、断面更大或使用条件要求更广时就会产生一系列的问题。为了解决这些问题，就需要有较多的冶金知识。虽然这些问题很少发生，但对材料的消耗和重要的焊接件来说，应尽早解决这些问题[3]。2不锈钢的焊接研究现状2.1不锈钢的手工钨极氩弧焊连接手工钨极氩弧焊电弧热量集中且操作灵活方便，适宜应用于焊接情况复杂多变的石油、化工野外现场施工中。在焊接工艺上要求其采用短弧快速的小线能量焊接，尽量减小焊缝过热，以防止焊接接头应力腐蚀开裂和热裂纹的产生。因焊缝过热减小，也就相应减少了焊缝金属在敏化温度区停留的时间，焊接接头的晶间腐蚀倾向减小。手工钨极氩弧焊焊接不锈钢使用的弧焊电源一般采用普通直流氩弧焊机，在条件允许的情况下最宜采用脉冲氩弧焊机。手工脉冲氩弧焊工艺对于不锈钢焊件的全位置焊、窄间隙焊以及要求单面焊双面成形的管件、薄件均显示出独特的优越性，是一种高效、优质、经济、节能的先进焊接工艺。奥氏体不锈钢的热导率低，在同样的焊接电流下可获得比结构钢大的熔深。为了获得一定尺寸的焊缝，同时为了防止过热，焊接电流应比焊接普通低合金钢时小10％～20％，并且倾向于采用细直径的焊丝。这样既可达到所需的溶深，又使得焊道截面相对减小，即焊接电流的相对减小有利于提高焊缝抗裂性能[4]。2.2不锈钢的钎焊连接钎焊（SolderingandBrazing）：利用熔点比母材（被钎焊材料）熔点低的填充金属（称为钎料或焊料），在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填缝，与母材相互溶解与扩散，而实现零件间的连接的焊接方法。较之熔焊，钎焊时母材不熔化，仅钎料熔化；较之压焊，钎焊时不对焊件施加压力。钎焊形成的焊缝称为钎缝。钎焊3所用的填充金属称为钎料。钎焊过程：表面清洗好的工件以搭接型式装配在一起，把钎料放在接头间隙附近或接头间隙之间。当工件与钎料被加热到稍高于钎料熔点温度后，钎料熔化（工件未熔化），并借助毛细管作用被吸入和充满固态工件间隙之间，液态钎料与工件金属相互扩散溶解，冷疑后即形成钎焊接头。陈志林[5]等人对不锈钢不锈钢钎焊接头电化学行为进行了研究。其结论是：(1)多元合金铁基堆焊层焊态组织主要是马氏体和残余奥氏体，具有较高的抵抗急冷急热软化能力。(2)多元合金铁基堆焊层经500℃~018℃冷热循环处理后，其硬度值基本不变：经560℃~8℃冷热循环超过80次后，硬度有所增加，达56．3HRC；然后，随循环上限温度的升高。经冷热循环处理后，硬度有所降低，当该堆焊层经700℃~18℃冷热循环120次后，其硬度为42．5HRC。张秉刚[6]等人对铬青铜与双相不锈钢电子束熔钎焊接头形成机制进行了研究。结论是：(1)采用不等厚接头形式及电子束以一定偏移量作用于铜侧可形成连接性能良好QCrO．8／1Cr21Ni5Ti电子束熔钎接头。(2)铬青铜与双相不锈钢电子束熔钎焊接头的焊缝组织为宏观均匀的Cu(SS．Fe)相，熔钎界面上部形成了与焊缝及钢侧母材连接良好的一薄的α+ε相熔合过渡层，下部为钎合面。(3)QCrO．8与1Cr21Ni5Ti不等厚偏铜电子束熔钎焊接头形成过程可大致分为四个阶段，匙孔形熔池形成阶段、熔合过渡层形成阶段、钎缝形成阶段、最终组织形成阶段[7]。2.3不锈钢的电阻焊连接电阻焊（resistancewelding）就是将工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。电阻焊利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。电阻焊方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊、对焊。梁海、张玉克[8]选用先进的中频逆变式直流焊机，采用大电流、短时间和陡升的电流波形前沿的加热规范，以及步进式焊接进给方式，1:10大厚度比电阻缝焊可以形成质量良好的内部和外部的焊缝，矫正了焊缝熔核偏移现象，焊缝熔核呈环形焊透特征。(0.2+2.2)mm大厚度比不锈钢缝焊组件接头的熔核宽度达到了1.75mm，焊透率大于10%，工艺撕破良好，焊缝外形美观，压痕均匀。焊缝在水中进行1.6MPa压力气密试验2min不泄漏。以新型的中频逆变直流电阻缝焊工艺和设备代替了传统的储能式电阻焊工艺和设备，实现了大厚度比电阻缝焊，为推广应用积累了经验。丁成钢[9]等人对不锈钢电阻点焊的工艺进行了详细的研究。最终得出结论：(1)不锈钢1.5mm4薄板点焊时，采用中等偏硬的点焊规范，接头的外观、平滑度及熔核尺寸和力学性能均达到了相关标准的要求。(2)待焊表面涂抹密封胶后，可使点焊接头产生结合线伸入缺陷，熔核直径和接头的力学性能略有下降，但符合标准的要求；接头的外观、平滑度不受影响。(3)点焊熔核组织呈典型的奥氏体柱状晶形态，待焊表面涂抹的密封胶对接头的组织无不良影响。胡礼木[10]对电阻对焊接头的性能进行了研究。得出结论：(1)含钼、氢较低的双相钢SAF2304的电阻对焊接头的tcpt为6℃，比母材的下降了9℃。(2)含钼、氨较高的3种双相钢SAF2205的电阻对焊接头的为23~30℃。与母材相比下降幅度在10℃以内。其力学性能也有所下降，下降幅度约为20%，表现出较好的焊接性能和焊后抗点蚀性能。(3)超级取相钢SAF2507的电阻对焊接头的与其母材的相当，高达65~68℃。力学性能略有下降，且热影响区窄，晶粒长大倾向小，表现出极好的焊接性能和焊后抗点蚀性能。2.4不锈钢的搅拌磨擦焊连接拌摩擦焊（FrictionStirWelding）是由英国焊接研究所（TWI）于1991年提出的专利焊接技术。搅拌摩擦焊问世以来，引起了各国学者和研究机构的广泛重视，成为了国内外的研究热点。搅拌摩擦焊在开发初期主要是应用于铝及其合金系列的材料，目前铝合金的应用已经基本成熟[10-11]。基于大型铝搅拌摩擦焊结构的成功，并借鉴铝合金对其在焊接机理、工艺、组织性能和搅拌摩擦头方面的研究，国外不锈钢的搅拌摩擦焊正积极进行探讨，许多文章提到了钢的搅拌摩擦焊的可行性,报道了搅拌摩擦焊缝与母材的机械性能，但都还是处于初步研究阶段[12-14]。不锈钢搅拌摩擦焊具有其他传统焊接方法不具备的优点。FSW低的热量输入（相对熔化焊而言）在热影响区产生很小的冶金学改变和最小的扭曲及残余变形的特点，在焊接厚板时尤其重要比如在造船和车辆工业上。而且，由于FSW过程是固相连接过程，不锈钢中的氢致裂纹问题可能被消除。另外，搅拌摩擦焊的固相特性消除了焊接烟雾。这些优点可能使得不锈钢的搅拌摩擦焊得到广泛应用。不锈钢搅拌摩擦焊在搅拌摩擦焊在未来的发展中是一个新兴的课题，国外对不锈钢搅拌摩擦焊的系统研究还不是很多，只是对304不锈钢进行了初步的研究。在国内，兰州理工大学对不锈钢搅拌摩擦焊进行了探索性研究，已取得初步成果——搅拌摩擦焊在不锈钢材料连接工程化应用的关键是：高熔点、高硬度搅拌摩擦头材料的选择，搅拌摩擦头几何形状的优化设计和寿命的有效提高。2.5不锈钢的埋弧焊连接埋弧焊（含埋弧堆焊及电渣堆焊等）是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。其固有的5焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，使其成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。近年来，虽然先后出现了许多种高效、优质的新焊接方法，但埋弧焊的应用领域依然未受任何影响。从各种熔焊方法的熔敷金属重量所占份额的角度来看，埋弧焊约占10%左右，且多年来一直变化不大。李杰[15]等人对奥氏体不锈钢埋弧焊拼排焊接进行了一系列实验，取得了一定的进展。从其研究中我们可以知道：（1）在合理的焊接规范及焊接材料下，奥氏体不锈钢自动埋弧焊焊缝质量良好，管屏焊后整体变形小，奥氏体不锈钢采用埋弧焊并排是可行的。（2）厚度为δ=8mm扁钢必须开坡口，才能完全达到未焊透C值考核要求。（3）选用的GXS-340、TFS-330及CHF601焊剂与GWS-347及TW347焊丝组合均适合奥氏体不锈钢管排埋弧焊并排焊接，但GXS-340脱渣性能比TFS-330及CHF601略差，推荐采用TFS-330及CHF601。邱葭菲[16]等人对不锈钢埋弧焊工艺进行了实验。其结论是：(1)对奥氏体不锈钢06Crl9Nil0采用埋弧焊工艺焊接，焊接接头的力学性能、工艺性能及耐腐蚀性能能满足焊接生产的需要，可代替焊条电弧焊和钨极氩弧焊。(2)焊剂HJ260及焊剂SJ601配用相应的焊丝进行焊接，均能满足产品焊接质量要求，但采用SJ601焊剂焊接的接头力学性能要优于采用HJ260的且SJ601焊剂的堆积密度小。相同焊缝焊接时焊剂消耗量小，有利于经济效益的提高。(3)根据奥氏体不锈钢的物理性能和埋弧焊工艺特点。对奥氏体不锈钢进行埋弧焊时，应采用较小的热输入、快速焊、控制好道间温度，以防止接头过热，提高接头耐腐蚀性能。2.6不锈钢的激光焊连接激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的一种高效精密的焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰