65Mn與Q235異種鋼的焊接

現代工業的發展和科學技術的進步，對焊接構件的性能提出了更高、更苛刻的要求，除需滿足通常的力學性能外，還要滿足如耐磨性、高溫強度、耐腐蝕性、低溫韌性、導電性、導熱性等多方面的性能要求。

在這種情況下，任何一種金屬材料都不可能完全滿足整體焊接結構的使用要求，即使可能有某種金屬材料相對比較理想一些，也常常由于十分稀缺、價格昂貴，而不能在工程中實際應用，而異種材料焊接的出現很好的解決了這一問題。特別是異種鋼的焊接，最大限度的利用了各種鋼的性能，做到了“物盡其用”的效果。

在機械制造業中，異種鋼焊接構件得到越來越廣泛的應用，它不但能滿足不同工作條件對材質的要求，而且通過焊接的方法連接成不同幾何形狀的零部件，生產、修復簡便而且成本低，但是異種鋼焊接時存在著嚴重的焊接性問題。

65Mn鋼與Q235鋼板對焊成的構件，以65Mn鋼的高強度、高耐磨性滿足在低速、沖擊、高磨損性工作條件下的力學性能要求，減少在滑動摩擦時零件的磨損與損壞。Q235鋼板主要滿足結構連接的要求。

由于65Mn與Q235鋼的化學成分（見表1-1）、力學性能（表1-2）、金相組織、物理性質的差異，其焊接性問題主要是延遲裂紋。

表1-1  65Mn與Q235鋼的化學成分

表1-2  65Mn與Q235的力學性能

2  65Mn與Q235鋼的焊接性分析

任何金屬材料焊接前都要進行焊接性分析，因為只有了解了焊接性才能制定出合理的焊接工藝。金屬材料的焊接性包括氣孔、夾雜、裂紋等。

2.1焊縫中的氣孔

2.1.1氫氣孔

焊接時在電弧高溫的作用下，母材表面的氧化鐵皮、鐵銹、水分、油漬以及焊接材料中的水分等發生一系列的反應而生成氫。例如：

2Fe3O4+H2O=3Fe2O3+H2    (2－1)

Fe+H2O=FeO+H2             (2－2)

2H2O=2H2+O2                 (2－3)

2H2O=H2+2OH         (2－4)

H2O=H+OH           (2－5)

H2O=2H+O           (2－6)

生成的氫在高溫時能大量溶解于液體金屬，而在凝固過程中溶解度突然下降，過飽和的氫在焊接熔池中，以半熔化晶粒及懸浮質點等現成表面行核，使氣泡形核所需能量大大降低，增大了氫氣泡的形核率。

當氣泡依附于這些現成表面形核時，呈橢圓形半徑比較大，因為對氣泡長大起主要阻礙作用的附加壓力的大小與氣泡半徑成反比，這樣大的半徑就會使附加壓力值大大減小。

同時形核氣泡的現成表面對氣體有吸附作用，使局部氣體濃度大大提高，縮短了氣泡長大所需要的時間。當熔池中的氣泡與所依附表面的夾角θ﹤90°時，氣泡容易脫離所依附的表面，而形成氣體的主要元素氧、氫、碳都可以改善接觸情況，因而氣泡形成后有利于脫離所依附的表面而上浮。

氣泡上浮的速度可按下式估算：

式中 —氣泡上浮的速度（cm／s）；

—熔池液體金屬與氣體密度（g／cm3）；

—重力加速度（cm／s2）；

—氣泡半徑（cm）；

—液體金屬粘度（Pa·s）。

上式表明氣泡上浮速度與密度差、半徑、重力加速度成正比，與粘度成反比。焊接碳鋼時重力加速度不變，密度差幾乎為不變的常數，因此氣體半徑與粘度是影響上浮速度的主要因素。

當溫度下降時，特別是熔池開始凝固時值急劇上升，因此，在凝固過程中形成的氣泡浮出較困難。另外，熔池在液態停留的時間過短也不利于氣泡的浮出。

2.1.2氮氣孔

焊接時在對熔池保護不良的情況下，空氣中的氮氣會大量的溶入熔池，而在凝固過程中其溶解度又突然下降，其形成機理與氫氣孔一致。

2.1.3一氧化碳氣孔

在熔池進行化學冶金反應中形成的CO不溶解于液體金屬中，在液體金屬凝固時若不能及時浮出則形成CO氣孔。

CO主要是FeO、O2或其他氧化物與C作用的產物即：

[C]+[O]=CO              (2－7)

[FeO]+[C]=CO+[Fe]       (2－8)

[MnO]+[C]=CO+[Mn]       (2－9)

[SiO2]+2[C]=2CO+[SiO]   (2－10)

碳對氧化物的親和力隨溫度升高而增大，高溫下碳比鐵、錳、硅等元素對氧的親和力都大些。因此，上述反應主要發生在熔滴區和熔池頭部，生成的CO不溶于液態金屬中，在高溫形成后很容易形成氣泡并迅速排出。

形成氣孔的CO是在冶金反映后期形成的，熔池開始凝固后液體金屬中的碳和FeO的濃度隨固相增多而加大，造成二者在液體金屬某一局部富集，濃度增加促進了 (2－8)式反應的進行，生成一定數量的CO。

這時形成的CO由于溫度下降、液體金屬粘度增加及冷卻快等原因，難于從熔池中逸出，而被圍困于樹枝晶粒間。此外，(2－8)式的反應是吸熱反應，促使了冷卻速度的加大，對氣體的析出更為不利。

65Mn鋼在焊接時，一般都預熱這樣就降低了冷卻速度，熔池存在時間得到提高，焊接冶金反應中生成的氣體有足夠的時間浮出。焊接前嚴格清理坡口兩側氧化鐵皮、鐵銹、水分、油漬等減少氫的來源，并且使用低氫焊條，加強電弧氣氛的保護，這樣65Mn鋼焊縫中氣孔出現的幾率并不大。

2.2焊縫中的夾雜物

焊縫中存在夾雜物會使塑性和韌性下降，還會增加熱裂紋和層狀撕裂的敏感性。焊縫中常見的夾雜物主要有氧化物夾雜、硫化物夾雜、氮化物夾雜等三種類型。

2.2.1氧化物夾雜

在焊接冶金反應過程中，錳和硅都發生脫氧反應：

[FeO]+[Mn]=(MnO)+[Fe]  （2－11）

2[FeO]+[Si]=(SiO2)+2[Fe]  （2－12）

65Mn鋼含錳量在0.90%－1.20%之間，相對來說錳含量較高，焊接時錳對氧的親和力比鐵大，因而發生2[Mn]+O2=2(MnO)反應。反應生成的脫氧產物MnO、SiO2，若不能及時被帶到熔渣中去就會以夾雜物的形式存在于焊縫中。

另外，焊縫中常見的氧化物夾雜還有TiO2、Al2O3等，這些物質一般以硅酸鹽的形式存在，且熔點大都比母材低，在焊縫凝固時最后凝固，往往是造成熱裂紋的主要原因。氧化物夾雜主要是由熔池中的FeO與其他元素作用而生成的，只有少數是因為工藝參數不當而從熔渣中直接混入。

65Mn鋼焊接時常采用硅錳聯合脫氧，生成顆粒較大并且熔點低的MnO·SiO2 復合物，有利于減少氧化物夾雜的存在。正確選用焊接材料，焊條藥皮中加入較多的脫氧元素，正確制定焊接工藝使熔池有一定的存在時間，以利于氧化物的浮出，65Mn鋼焊接時氧化物夾雜很少存在。

2.2.2硫化物夾雜

硫通常以兩種形式存在于焊縫中，即MnS、FeS。MnS幾乎不溶于液態鐵中，在焊接冶金反應過程中可以浮到熔渣中去使焊縫脫硫，即使有少量的MnS以夾雜物的形式存在于焊縫中，也由于其熔點較高并以彌散質點形式存在，有彌散強化作用，對焊縫力學性能危害較小。

而FeS與鐵在液態可以無限互溶，而在固態其溶解度急劇下降，故在熔池結晶時它容易發生偏析，以低熔點共晶（Fe+FeS，熔點985℃或FeS+ FeO，熔點940℃）的形式呈片狀或鏈狀分布于晶界，這樣就增加了焊縫產生結晶裂紋的傾向，同時還會降低沖擊韌度和抗腐蝕性。

而硫化物主要來自焊條的藥皮或焊劑原材料，經過冶金反應而過渡到熔池中，65Mn鋼母材或焊絲中含硫偏高時，會形成硫化物夾雜，嚴格控制母材、焊材的含硫量，出現硫化物的幾率并不大。

2.2.3氮化物夾雜

焊縫中氮主要來源于空氣，只要在保護不良時才出現較多的氮化物夾雜。焊縫中氮化物夾雜主要以Fe4N的形式存在。Fe4N一般是在時效過程中從過飽和固溶體中析出的，以針狀分布在晶內或晶界，當含量較少時彌散分布的細小氮化物夾雜質點，可以起到沉淀強化的作用，較多時焊縫金屬的強度、硬度上升，塑性、韌性明顯下降。因此65Mn鋼焊接時應注意熔池的保護以減少氮化物夾雜的生成。

2.3焊接裂紋

焊縫中的裂紋可以分為熱裂紋和冷裂紋，熱裂紋分為：結晶裂紋和高溫液化裂紋。

2.3.1熱裂紋

1、結晶裂紋  

當母材含雜質（S、P、C、Si）偏高時，特別是硫和磷偏高會使結晶溫度區間明顯加寬。另外，硫和磷能在焊縫中形成多種低熔點共晶，這些共晶在焊縫凝固后期形成液態薄膜，并且硫和磷都是偏析度較大的元素，容易在局部富集，

更有利于形成低熔點共晶物，液態薄膜或偏析的低熔點物質都會使金屬在凝固后期的塑性急劇下降，這樣使焊縫在冷卻過程中出現一個脆性溫度區間，隨著結晶收縮、冷卻變形使焊縫晶粒承受拉應力，在此力作用下即可出現結晶裂紋。

另外，鋼中的碳在焊接時也是提高結晶裂紋敏感性的元素，并且碳還促進硫、磷的有害作用的加劇。因此焊接65Mn鋼時存在一定的結晶裂紋。

為了防止結晶裂紋一般采取以下措施：

1）控制焊縫中硫、磷、碳等有害元素的含量。

2）對熔池進行變質處理細化晶粒，提高焊縫金屬的力學性能。

3）增加熔渣的堿度，脫硫、脫氧反應進行越完全，其中雜質越少，越不易形成低熔點化合物。

4)調整焊接工藝參數，增大焊縫成形系數，避免因晶粒相對生長而在焊縫中心形成雜質聚集的脆弱面。

5)對焊件預熱降低冷卻速度，減少變形增長率，結晶裂紋傾向減小.

6)調整焊接順序降低拘束應力，盡量使每條焊縫在各方向都有收縮余地。

2、高溫液化裂紋 

焊接過程中，在焊接熱循環峰值溫度作用下，在母材近縫區多層焊的層間金屬中，由于低熔點共晶被加熱熔化，在一定收縮應力作用下沿奧氏體晶界產生的開裂，即為高溫液化裂紋。65Mn鋼C、S、P等元素都偏于上限時，熔池凝固后期存在一些低熔點共晶物，這就導致65Mn鋼焊接時存在高溫液化裂紋的傾向。

生產中并不能很好的消除該裂紋，通常只是采取以下措施來減小它的形成傾向：

1)在滿足使用性能的前提下盡量選用C、S、P較低的母材。

2)減小焊縫的凹度，使容易在凹入處產生裂紋的可能性減小。

3)采用較小的線能量，盡量避免母材過熱。

2.3.2冷裂紋

1、冷裂紋的分類  冷裂紋有時出現在焊接過程當中，但較多的是出現在焊后延遲一段時間才產生，延遲時間有幾小時、幾天甚至更長時間，通常在使用過程中才能被發現。因此，其危害性很大。統計表明，在由于焊接裂紋所引發的是事故中，由冷裂紋所造成的事故約占90%，而這些裂紋大多是延遲裂紋。

65Mn鋼焊接時冷裂紋可以分為以下四類：

1）焊道下裂紋  出現在靠近堆焊焊道的熱影響區，走向與融合線大致平行，一般不顯露于焊縫表面。

2）焊趾裂紋  沿應力集中的焊趾處所形成的焊接冷裂紋。

3）焊根裂紋  產生于含氫量較高、預熱不足而形成的應力集中的焊縫根部。               

4）橫向裂紋  起源于熔合線，沿垂直于焊縫長度方向擴展到焊縫和熱影響區。

2、冷裂紋形成的三個基本因素  

大量實驗研究證明，擴散氫、鋼的淬硬傾向、焊接接頭的拘束應力三者共同作用形成了冷裂紋。

1）氫的影響  

導致接頭產生冷裂紋的氫主要是擴散氫。實驗證明隨著焊縫中擴散氫含量的增加，冷裂紋率提高。用低氫型焊條焊接時出現焊道下裂紋的可能性，比用含有較多有機物的焊條小的多。圖2-1為在電弧氣氛中加入不同的氫試焊的結果，由圖可看出焊道下裂紋率隨加氫量的增加而上升，同時還有實驗表明擴散氫含量越多，延時越短。

2）鋼的淬硬傾向  

鋼種的淬硬傾向越大，接頭中出現馬氏體的可能性越大，越容易產生冷裂紋。當材料一定時，冷卻速度越高馬氏體的含量越多，由圖2-2可以看出冷卻速度提高使馬氏體含量增加。裂紋率上升。

3）焊接接頭的拘束應力 

焊接接頭的拘束應力，包括因加熱不均勻所承受的熱應力、相變應力、結構自身幾何因素所決定的應力等。實驗研究表明拘束應力越大，冷裂紋出現的幾率越大。

3、三個要素的作用及其關系

1）氫在金屬中的溶解與擴散 

由圖2-3、表2-1可以看出氫在γ相中的溶解度大大高于在α相中的溶解度，在快冷時就來不及在γ→α轉變時析出，而以過飽和溶解的形式存在于α相中。另外，氫在α相中的擴散能力比在γ相中高。

因此在發生γ→α轉變時氫的溶解度突降，在快冷時就來不及在γ→α轉變時析出，而以過飽和溶解的形式存在于α相中。另外，氫在α相中的擴散能力比在γ相中高，因此在發生γ→α轉變時氫的溶解度突降，而擴散能力突升。

表2-1  氫在不同組織中的溶解度與擴散度

2）焊縫金屬結晶過程中氫的溶解與擴散  

焊縫進行奧氏體分解時，氫的溶解度突降擴散速度突生，過多的氫必然通過熔合線向尚未轉變的熱影響區擴散。氫擴散到母材后，由于γ相中溶解度大而擴散速度低，在快冷時就不能繼續向母材內擴散，而凝集在熔合線附近形成了高氫帶。

在母材也發生相變后，氫就以過飽和的形式殘留在馬氏體中，并擴散到應力集中或晶格缺陷處結合成分子，形成了較高的局部應力。加上熱應力、組織應力的共同作用，就可能造成開裂。當熱影響區氫的濃度足夠高時，還將使馬氏體進一步脆化，而產生焊道下裂紋。

3）氫與力的共同作用—產生延遲現象 

氫的擴散速度決定了潛伏期與裂紋擴散周期的長短，而擴散速度又由擴散氫含量與應力水平所決定。而氫與應力水平有著互補的關系，即擴散氫含量越高，開裂所需的應力越小，潛伏期也越短；應力越大，則開裂所需的含氫量越低。

冷裂紋一般形成于-100～+100℃溫度范圍內，也是由氫的擴散特性所決定的。當溫度高于100℃時，氫原子有足夠的動能析出到金屬外部，殘留的擴散氫較少不足以導致開裂。當溫度低于-100℃時，氫在金屬內部的擴散受到抑制，難以聚集而形成一定的壓力。因此，當溫度高于或低于上述范圍時，一般都不會產生冷裂紋。

4）鋼的淬硬傾向的作用  

馬氏體是典型的淬硬組織，這是由于間隙原子碳的過飽和，使鐵原子偏離平衡位置，晶格發生明顯畸變所致。特別是在焊接條件下，近縫區的加熱溫度高達1350～1400℃，使奧氏體晶粒嚴重長大；

當快速冷卻時，粗大的奧氏體將轉變成粗大的馬氏體。淬硬的馬氏體在斷裂時需要的能量較低。因此，焊接接頭中有馬氏體存在時，裂紋易于形成和擴展。鋼材的淬硬傾向越大，熱影響區或焊縫冷卻后的到的脆性組織馬氏體越多，對冷裂紋就越敏感。

冷裂紋形成的三個基本因素的關系是相互聯系，相互制約的，不同條件下起只要作用的因素不同。例如：當擴散氫含量較高時，即使馬氏體的數量或拘束應力比較小，也可能開裂。而當材料的碳當量較高而在接頭中形成較多馬氏體時，即使擴散氫很少甚至沒有，也會產生裂紋。

4、防止冷裂紋的措施 

1)選用對冷裂紋敏感性低的母材  母材的化學成分不僅決定了其本身的組織與性能，而且決定了所用的焊接材料，因而對接頭的冷裂紋敏感性有著決定性作用。

2)嚴格控制氫的來源  選用優質焊接材料或低氫的焊接方法，嚴格按規定對焊接材料進行烘干及進行焊前清理工作。

3)提高焊縫金屬的塑性和韌性  向焊縫中過渡Ti、Nb、V、B、Te或稀土元素來韌化焊縫，采用奧氏體焊條焊接也可較好地防止冷裂紋。

4)焊前預熱  焊前預熱可以有效降低冷卻速度，從而改善接頭組織，降低拘束應力并有利于氫的析出，可有效地防止冷裂紋，是生產中常用的方法。

5)控制焊接線能量  線能量增加可以降低冷卻速度，從而降低冷裂紋傾向。但是線能量過大則可能造成焊縫及熱影響區的晶粒粗化，而粗大的奧氏體一旦轉變為粗大馬氏體，裂紋傾向反而增高。

6)焊后熱處理  焊后進行不同的熱處理，可分別起到消除擴散氫、降低和消除殘余應力、改善組織或降低硬度等作用。

由以上分析：65Mn鋼因為焊接時容易產生延遲裂紋，焊接性很差； Q235在工程應用中按照焊接工藝施焊，很少出現焊接性缺陷。

3  異種鋼的焊接

所謂異種鋼的焊接性，就是指不同化學成分，不同組織性能的兩種或兩種以上的鋼，在限定的施工條件焊接成按規定設計要求的構件，并滿足預定服役要求的能力。

3.1異種鋼焊接簡介

3.1.1異種鋼焊接接頭的特點

異種鋼焊接接頭和同種鋼焊接接頭有本質差異，主要是熔敷金屬與兩側焊接熱影響區和母材存在的不均勻性，主要有：

1）化學成分不均勻  這是因為在焊接加熱過程中，兩側母材的熔化量，熔敷金屬和母材熔化區的成分因“稀釋”作用會發生變化。接頭區的成分不均勻程度不僅取決于母材、填充金屬各自的原始成分，也受焊接工藝的影響，易采用小電流、淺熔深。

2）組織的不均勻性  在焊接熱循環的影響下，接頭內的各區域組織是不同的，而且在個別區域內還會出現復雜的組織結構。組織的不均勻性表現在熔合比的變化。熔合比（稀釋率）θ—在焊縫金屬中局部熔化的母材所占的比例稱為熔合比。θ取決于焊接方法、規范、接頭形式、坡口角度、藥皮（焊劑）的性質以及焊條（焊絲）的傾角等因素。可以用實驗測得。

3）性能的不均勻性  由于組織、成分的變化，代來了性能上的不同，各種變化會呈倍數關系變化，特別是焊縫兩側的熱影響區沖擊值變化更大，同樣高溫性能如持久強度、蠕變強度變化也很大。

4）應力場分布不均勻  由于組織、成分的不同，接頭的熱膨脹系數和導熱系數也不同，熱膨脹系數不同引起塑性區域不同，殘余應力不同；導熱系數不同會引起熱應力不同。在組

織應力和熱應力的共同作用下發生疊加后會產生應力峰值，導致接頭發生斷裂。

總之，對于異種鋼焊接接頭，其成分、組織、性能和應力場的不均勻是主要特點。

3.1.2異種鋼焊縫金屬的成分、組織的控制

1、焊縫成分與舍夫勒組織圖的關系  異種鋼焊接時由于選擇的焊材與母材不同，要推算焊縫金屬的成分、組織及性能。舍夫勒組織圖（圖3-1）就有這個功能。奧氏體形成元素的鎳當量計算公式：Nieq＝ωNi+30ωC+0.5ωMn；鐵素體形成元素的鉻當量計算公式：Creq＝ωCr+ωMo+1.5ωSi+0.5ωNb；也可以由母材、填充金屬的成分和稀釋率求出焊縫金屬的成分。

2、焊縫成分與熔合比的關系  焊縫的成分與熔合比有著很大的關系，不同的焊接方法、接頭及坡口形式等熔合比不同，具體影響熔合比的因素有以下幾點：

1）預熱的影響預熱溫度越高，母材熔化的就越多，熔合比越大。

2）焊接參數  焊接電流大，熔合比大；焊接速度小，熔合比小。

3）焊接方法及接頭形式  焊接方法及接頭形式對熔合比的影響見表3-1。

表3-1 焊接方法與接頭形式對熔合比的影響（低碳鋼）

3.1.3不同焊接方法焊接異種金屬的特點

1）熔化焊  總有部分母材熔入焊縫引起稀釋,使接頭各區域組織狀態不同，通過調整工藝可以控制高溫的停留時間和減少熔深降低稀釋率。

2）壓力焊  接熱溫度不高或不加熱，減輕或避免熱循環對母材金屬性能的不利影響，防止產生脆性的金屬間化合物，不存在稀釋率引起的接頭性能問題。

3）其他方法  母材不發生熔化和結晶過程，對接頭影響不大。在重要設備中使用的較少。

3.1.4異種金屬焊接焊材和焊接方法的選擇

1、熔合區的特點

1）熔合區分為未混合區和半熔化區，填充金屬和母材金屬的成分差別越大越不容易充分混合，熔合區越明顯。

2）稀釋率越大，熔合區越明顯。

3）熔合區金屬液態停留時間長或流動性好，成分越均勻，熔合區有所減少。

4）熔合區成分的不均勻性，可以調整焊接參數和熱處理工藝加以改善。

2、焊接方法選擇的選擇原則

1）效率和經濟性；

2）了解不同焊接方法的適用性；

3）針對不同材料的特點及工藝性。

3、焊材的選擇

異種鋼焊接是以金相組織來分的，目前國際上對異種鋼的組織分類有三種即：A/F 、A/M、 F/M；國內分為3類6組即： A/M、A/B、A/P；M/B、M/P；B/P。

按照國際上對異種鋼焊接，焊材選擇的原則可分為以下四種情況：

1）焊接金屬化學成分與低合金一側的材料一致；

2）焊接金屬化學成分與高合金一側的材料一致；

3）焊接金屬化學成分取二種母材的中間成分；

4）焊縫采用鎳基合金材料。

3.1.5異種鋼的焊接要點

1、要考慮熔合線附近的韌性下降。該處產生了脆性組織或脆性產物，在應力的作用下易產生裂紋。

2、接頭可以通過調整焊接方法、焊接工藝及參數、坡口形式、焊條種類等方法加以改善和避免。

3、焊縫的稀釋率與鋼材的合金含量有關，隨著合金含量的增多，稀釋率增大。P體鋼單層對接焊的θ在20～40％，A體鋼比P體鋼高10～20％。

4、被焊件的兩側鋼材之一是淬硬鋼時必須預熱，預熱溫度按淬硬鋼側選擇。用A體焊條焊接時可適當降低溫度或不預熱。

5、合理的焊后熱處理非常重要。對于F／M異種鋼接頭處理時，最高溫度不能超過F體鋼側的上限，保證強度。

6、A/M(F)異種鋼焊接時，可在非A體側坡口預先堆焊一層高Cr（Ni）的金屬，然后再用A體鋼焊條焊接，非A側堆焊時是否預熱應視具體鋼種確定。

3.2異種鋼的焊接性分析

異種鋼的焊接性受材料、焊接方法、構件類型及使用要求等四個因素的影響。

異種鋼的焊接性可以概述為以下兩個方面：

(1)異種鋼的結合性能  指在給定的焊接工藝條件下，形成致密焊接接頭的能力。

(2)異種鋼的使用性能  指焊接后焊接接頭在長期使用條件下適應使用要求的能力。

影響異種鋼的焊接性的因素大概有以下幾點：

異種鋼的化學成分、焊接參數、預熱及焊后熱處理、填充材料的種類及化學成分、母材金屬供貨狀態和表面狀態、焊接周圍環境條件、接頭形式尺寸及施焊位置。異種鋼焊接時，無論從焊接機理和操作技術上都比同種鋼復雜的多，這是因為異種鋼的物理性能、化學性能及化學成分等有顯著差異。異種鋼焊接時的主要困難如下：

1、異種鋼的線脹系數相差越大，越難進行焊接。

2、異種鋼的熔點相差越大，越難進行焊接。

3、異種鋼的熱導率和比熱容相差越大，越難進行焊接。

4、異種鋼的氧化性越強，越難進行焊接。

5、異種鋼之間形成的金屬化合物越多，越難進行焊接。

3.3  65Mn-Q235異種鋼焊接焊接性分析

65Mn-Q235異種鋼的焊接性在65Mn、Q235鋼焊接性的基礎上又有其自身的特點，這正是由于65Mn與Q235鋼的化學成分、力學性能、金相組織及物理性能的差異所致。生產中65Mn-Q235異種鋼焊接時，最易出現的焊接性缺陷是延遲裂紋。

3.3.1  65Mn-Q235異種鋼焊接接頭的特點

65Mn-Q235異種鋼焊接接頭是一個不均勻體,在同質金屬材料的焊接接頭中,其成份、組織、性能等基本是以焊縫截面中心線為對稱線。然而在異種鋼的焊接接頭中,無論在焊縫截面或熔合區或熱影響區,這種對稱性已不存在。

1、焊縫中:靠近熔合區(部份熔化區)的范圍內,焊條熔化金屬與母材熔化金屬未能充分混合,基本上保持了母材成分。

2、熱影響區中鄰近熔合區處:金屬的化學成份在焊接時不會明顯變化。由于焊縫兩側熱影響區、熔合區的成份、組織、性能的差異,對形成根部裂紋具有不同的敏感性。

Q235鋼具有良好的焊接性,而65Mn鋼焊接性差,裂紋均在65Mn鋼一側，故應以65Mn鋼的焊接性作為評定異種鋼焊接性的主要依據。

3.3.2  裂紋產生的位置

1、表面宏觀檢驗  

(1)位于焊縫和母材交界處,即熱影響區的(HAE)裂紋。

(2)焊縫表面的縱向裂紋(65Mn鋼一側)，個別構件由于裂紋的擴張,造成兩塊鋼板分離的現象。

2、斷面低倍觀察  

裂紋都源于焊縫根部的最大應力集中處,然后向熱影響區或焊縫延伸,為沿晶的脆性斷裂。可明顯確認為熱影響區氫致延遲裂紋中比較常見的一種形態—根部裂紋,并在應力的作用下擴張,造成結構的破壞。

3.3.3焊接接頭的冷裂敏感性

冷裂敏感性的間接評價  

碳當量法、熱影響區最高硬度法是間接判斷鋼的可焊性的主要方法。

(1)65Mn鋼的碳當量:(WES標準)Ceq=C+Mn/6+Si/24+(略)≈0.8 (%) Ceq值很高，鋼材淬硬傾向大,易形成馬氏體,冷裂敏感性大。

(2)熱影響區最高硬度值：Hvmax=(1660·Ceq-166)±40 (HV)≈1560 (HV)。按照鋼材的種類(調質鋼或非調質鋼)不同，規定允許的熱影響區最高硬度Hvmax 不同(如HV350或HV450),超過規定限度應考慮預熱或焊后熱處理。

3.3.4裂紋產生的原因

65Mn-Q235異種鋼焊接接頭產生氫致延遲裂紋的原因，與65Mn鋼產生延遲裂紋的原因一樣也是有三個方面:

(1) 焊接擴散氫含量及其分布; 

(2) 焊接接頭的拘束應力;

 (3)鋼種的淬硬傾向,這三個因素(其中擴散氫為主導因素)在一定條件下,相互聯系、相互制約和相互促進。

1、氫的作用  

氫是焊接時產生氫致延遲裂紋的重要因素,焊縫中擴散氫的含量與焊條的類型、烘干溫度以及焊后的冷卻速度等因素有關。

如焊縫中含氫量超過某一臨界值便開始出現裂紋,以后隨含氫量的增多,裂紋的尺寸和數量也在不斷增加。焊縫金屬的含碳量總是控制(通過控制填充金屬的含碳量及熔合比)在低于母材,因此焊縫金屬在較高的溫度就發生相變，氫向尚未發生奧氏體分解的熱影響區中擴散。

由于65Mn鋼一側熱影響區含碳量高,奧氏體分解溫度遠低于Q235一側,故易形成富氫帶,分解后的組織—馬氏體易在擴散氫誘發下產生裂縫,并向熱影響區或焊縫擴張,形成氫致延遲裂紋。

2、焊接接頭的拘束應力  

65Mn-Q235異種鋼焊接時主要產生以下三種應力:

 (1)焊縫和熱影響區在不均勻加熱和冷卻過程中產生的熱應力。(2)金屬相變時,由體積變化而引起的內應力。

(3)結構自身拘束條件所造成的應力。焊接接頭所承受的三種應力都是任何結構焊接時不可避免的。在65Mn-Q235異種鋼焊接接頭中產生的拘束應力,因母材與焊縫的熱物理性質(比容、線脹系數、體脹系數)的特性不同,涉及的因素更為復雜,難以用也不宜用熱處理的方法給予消除。

3、鋼種的淬硬傾向  

65Mn鋼含碳量較高，焊接快冷時易淬硬。采取焊前預熱、焊后熱處理(或緩冷)是軟化淬硬組織,減少焊接應力,防止延遲裂紋的重要工藝措施。

4  65Mn-Q235異種鋼焊接工藝的擬定

4.1焊接方法的選擇

由以上分析得知65Mn-Q235異種鋼的焊接性很差，對于一般能滿足使用性能的結構很少采

用該異種鋼結構，因此其焊接生產量較少，并且大多是短焊縫，生產中多采用焊條電弧焊。這是因為焊條電弧焊與其他熔焊方法相比，具有下列特點：

1、操作靈活  焊條電弧焊之所以成為應用最廣的焊接方法，主要是因為它的靈活性。由于焊條電弧焊設備簡單、移動方便、電纜長、焊把輕，因而廣泛應用于平焊、立焊、橫焊、仰焊等各種空間位置和對接、搭接、角接、T形接頭等各種接頭形式的焊接。

在車間、野外施工現場均可采用。可以說，凡是焊條能達到的任何位置的接頭，均可以采用焊條電弧焊方法焊接。對于復雜結構、不規則形狀的構件以及單件、非定型結構的制造，由于可以不用輔助工具、變位機械、胎夾具等就可以焊接，所以焊條電弧焊適用性很廣。

2、對接頭裝配要求低  由于焊接過程是由手工操作，可以適時調整電弧位置和運條姿勢，及時修正焊接參數，以保證跟蹤焊縫和均勻熔透。

3、可焊金屬多 

焊條電弧焊廣泛用于低碳鋼、低合金鋼結構的焊接。選配相應的焊條，焊條電弧焊也常用于不銹鋼、耐熱鋼、低溫鋼等合金鋼結構的焊接，還可以焊接鑄鐵、銅合金、鎳合金等材料，以及對耐磨、耐蝕等特殊使用要求的構件進行表面堆焊。

焊條電弧焊也缺點，與其他電弧焊相比，由于其使用的焊接電流小，每焊完一根焊條后必須更換焊條，以及因清渣而停止焊接等，所以這種焊接方法的熔敷速度慢，焊接生產率低，勞動強度大；

施焊過程由手工操作，焊縫質量很大程度上依賴于工人的操作技能及現場發揮；很重要的一點是建立低氫的焊接條件比較困難，焊接時應采用低氫型堿性藥皮焊條。

4.2焊接材料的選擇

在65Mn-Q235異種鋼焊接構件中，65Mn鋼一般是滿足高硬度、耐磨的要求，其強度不作為設計基準，而是以Q235鋼的強度為設計強度。因此，在選擇焊接材料時，應以Q235鋼為依據。

但是65Mn鋼容易因為擴散氫含量高而導致延遲裂紋，所以選擇焊接材料時還應該選擇低氫型的。另外，根據異種鋼焊接時，不同強度級別碳鋼的焊接材料選擇要點，一般要求焊縫金屬或接頭的強度不低于兩種被焊金屬的最低強度，選用的焊條熔敷金屬的強度能保證焊縫及接頭的強度，不低于強度較低側母材的強度。

同時焊縫金屬的塑性和沖擊韌性，不低于強度較高而塑性較差一側母材的性能。因此，可按兩者之中強度級別較低的鋼材選用焊接材料，為了防止焊接裂紋，應按強度級別較高，焊接性較差的鋼種確定焊接工藝。

根據以上要求，65Mn-Q235異種鋼焊接選用E4315低氫鈉型焊條，并用直流反接施焊。焊條使用前應按規定烘干350℃×2h。由表4-1可以看出選用E4315型焊條能夠滿足工藝設計要求。

表4-1 E4315型焊條熔敷金屬化學成分及力學性能

4.3接頭形式及坡口設計

由前面分析，因為65Mn、Q235兩種鋼的化學成分、物理性質等方面有較大的差異，這就導致了焊接時有較大的內應力產生，所以65Mn-Q235異種鋼焊接接頭的設計，應盡量避開較大內應力的影響，選用對接接頭。

坡口尺寸的大小及形狀影響熔合比和焊接生產率，同時還應考慮母材的厚度。可以參照表4-2進行確定。

表4-2 接頭及坡口形式

4.4焊接參數的選擇

4.4.1焊條直徑

焊條直徑可根據焊件厚度、接頭型式、焊縫位置、焊道層次等因素進行選擇。焊件厚度越大，可選用的焊條直徑越大；T形接頭比對接接頭的焊條直徑大，而立焊、仰焊及橫焊比平焊時所選用焊條直徑應小些，一般立焊焊條最大直徑不超過5mm，橫焊、仰焊不超過4mm；多層焊的第一層焊縫選用細焊條。焊條直徑與厚度的關系見表4-3。

表4-3 焊條直徑與焊件厚度的關系

4.4.2焊接電流

焊接電流是焊條電弧焊中最重要的一個工藝參數，它的大小直接影響焊接質量及焊縫成形。當焊接電流過大時，焊縫溶深和余高增加，焊縫寬度減少，且有可能造成咬邊、燒穿等缺陷；

當焊接電流過小時，焊縫窄而高，熔池淺，熔合不良，會產生未焊透、夾渣等缺陷。選擇焊接電流大小時，要考慮焊條類型、焊條直徑、焊件厚度以及接頭型式、焊縫位置、焊道層次等因素。其中最主要焊條直徑、焊接位置和焊道層次三大因素。

1.焊條直徑　焊條直徑越大，焊接電流就越大，如表4-4所示。

表4-4焊條直徑與焊接電流的關系

2.焊接位置　

厚板或T形接頭和搭接接頭以及施焊環境溫度低時，焊接電流應大些；平焊位置焊接時，可選擇偏大些的焊接電流；橫焊和立焊時，焊接電流應比平焊位置電流小10%～15%，仰焊時，焊接電流應比平焊位置電流小10%～20%；角焊縫電流比平焊位置電流稍大些。

3.焊道層次　

在多層焊或多層多道焊的打底焊道時，為了保證背面焊道質量和便于操作，應使用較小電流；焊填充焊道時，為了提高效率，可使用較大的焊接電流；蓋面焊時，為了防止出現焊接缺陷，應選用稍小電流。

4.當使用堿性焊條時，比酸性焊條的焊接電流減少10%左右。

4.4.3電弧電壓

電弧電壓主要影響焊縫寬度，電弧電壓越高，焊縫就越寬，焊縫厚度和余高減少，飛濺增加，焊縫成形不易控制。電弧電壓的大小主要取決于電弧長度，電弧長，電弧電壓就高；電弧短，電弧電壓就低。

焊接電弧有長弧與短弧之分，當電弧長度是焊條直徑的0.5～1.0倍時，稱為短弧；當電弧長度大于焊條直徑時，稱為長弧。一般在焊接過程中，希望電弧長度始終保持一致且盡量使用短弧焊接。

4.4.4焊接速度

焊接速度主要取決于焊條的熔化速度和所要求的焊縫尺寸、裝配間隙和焊接位置等。當焊接速度太慢時，焊縫高而寬，外形不整齊，易產生焊瘤等缺陷；當焊接速度太快時，焊縫窄而低，易產生未焊透等缺陷。在實際操作中，應要把具體情況靈活掌握，以確保焊縫質量和外觀尺寸滿足要求。

4.4.5焊接線能量

線能量是指熔焊時，由焊接能源輸入給單位長度焊縫上的能量。其計算公式如下：

（J/cm）

式中　E—焊接線能量，J/cm；

      q—電弧有效功率，J/s；

      v—焊接速度，cm/s；

     η—電弧有效功率因數；

I—焊接電流，A；

U—焊接電壓，V。

焊接線能量會影響焊縫的性能和質量，不同的鋼材，焊接線能量最佳范圍也不一樣，一般通過工藝試驗來確定線能量的范圍，再根據線能量范圍確定焊接工藝參數。

4.4.6焊接層數

當焊件較厚時，要進行多層焊或多層多道焊。多層焊時，后一層焊縫對前一層焊縫有熱處理作用，能細化晶粒，提高焊縫接頭的塑性。因些對于一些重要結構，焊接層數多些好，每層厚度最好不大于4～5mm。實踐經驗表明，當每層厚度為焊條直徑的0.8～1.2倍時，焊接質量最好，生產效率最高，并且容易操作。

4.4.7定位焊 

定位焊是指焊前為固定焊件的相對位置進行的焊接操作，俗稱點固焊。定位焊所形成的斷續而又短小的焊縫稱為定位焊縫。在焊接結構的制造過程中，幾乎所有零部件均先通過定位焊進行組裝，然后再焊成一體，因而定位焊的質量將影響焊縫質量以至整個產品質量，應引起足夠的重視。

進行定位焊時應主要考慮以下幾方面因素：

1、定位焊焊條  定位焊縫一般作為正式焊縫留在焊接結構中，因而定位焊所用焊條應與正式焊接所用焊條型號相同，不能用受潮、脫皮、不知型號的或者焊條頭代替。

2、定位焊部位  雙面焊反面清根的焊縫，盡量將定位焊縫布置在反面；形狀對稱的構件上，定位焊縫應對稱排列；避免在焊件的端部、角度等容易引起應力集中的地方進行定位焊，不能在焊縫交叉處或焊縫方向發生急劇變化的地方進行定位焊，通常至少應離開這些地方50mm。

3、定位焊縫尺寸  一般根據焊件的厚度來確定定位焊縫的長度、高度和間距。如表4-5所示。

表4-5   定位焊縫參考尺寸     單位：mm

4、定位焊工藝要求

1）定位焊縫短，冷卻速度快，因而焊接電流應比正式焊縫電流大10%～15%。

2）定位焊起弧和結尾處應圓滑過渡，焊道不能太高，必須保證熔合良好，以防產生未焊透、夾渣等缺陷。

3）如定位焊縫開裂，必須將裂紋處的焊縫鏟除后重新定位焊。在定位焊后，如出現接口不齊平，應進行校正，然后才能正式焊接。

4）盡量避免強制裝配，以防在焊接過程中，焊件的定位焊縫或正式焊縫開裂，必要時可增加定位焊縫的長度，并減小定位焊縫的間距，或者采用熱處理措施。

4.5焊前準備

焊接坡口的制備一般都采用火焰切割，但是火焰切割在精度方面不能得到很好的保證，特別是對裝配要求較高時更不能得到滿足。另外火焰切割不能避免氧化皮產生，還有可能造成增碳等不良后果，

所以為了減小火焰切割對焊接接頭的影響，65Mn鋼坡口的制備應先將其退火然后機械加工。Q235鋼也盡量采用機械加工，以保證裝配精度。對于坡口兩側5～7cm范圍內的氧化鐵皮、鐵銹、油污、水等雜物應清理干凈，以免焊接產生氫不利于焊接。

4.6焊前預熱

重要構件的焊接、合金鋼、高碳鋼的焊接及厚部件的焊接，都要求在焊前必須預熱。焊前預熱的主要作用如下：

1、預熱能減緩焊后的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，避免產生氫致裂紋。同時也減少焊縫及熱影響區的淬硬程度，提高了焊接接頭的抗裂性。

2、預熱可降低焊接應力。均勻地局部預熱或整體預熱，可以減少焊接區域被焊工件之間的溫度差（也稱為溫度梯度）。這樣，一方面降低了焊接應力，另一方面，降低了焊接應變速率，有利于避免產生焊接裂紋。

3、預熱可以降低焊接結構的拘束度，對降低角接接頭的拘束度尤為明顯，隨著預熱溫度的提高，裂紋發生率下降。

預熱溫度和層間溫度的選擇不僅與鋼材和焊條的化學成分有關，還與焊接結構的剛性、焊接方法、環境溫度等有關，應綜合考慮這些因素后確定。另外，預熱溫度在鋼材板厚方向的均勻性和在焊縫區域的均勻性，對降低焊接應力有著重要的影響。

局部預熱的寬度，應根據被焊工件的拘束度情況而定，一般應為焊縫區周圍各三倍壁厚，且不得少于150-200毫米。如果預熱不均勻，不但不減少焊接應力，反而會出現增大焊接應力的情況。65Mn-Q235異種鋼焊接時，65Mn、Q235兩種鋼都應預熱150～200℃。

4.7焊后熱處理

焊后熱處理主要是指焊后消氫處理，是在焊接完成以后，焊縫尚未冷卻至100℃以下時，進行的低溫熱處理。一般規范為加熱到200～350℃，保溫2～6小時。焊后消氫處理的主要作用是加快焊縫及熱影響區中氫的逸出，對于防止焊接時產生焊接裂紋的效果極為顯著。

在焊接過程中，由于加熱和冷卻的不均勻性，以及構件本身產生拘束或外加拘束，在焊接工作結束后，在構件中總會產生焊接應力。焊接應力在構件中的存在，會降低焊接接頭區的實際承載能力，產生塑性變形，嚴重時還會導致構件的破壞。

消應力熱處理是使焊好的工件在高溫狀態下，其屈服強度下降，來達到松弛焊接應力的目的。常用的方法有兩種：一是整體高溫回火，即把焊件整體放入加熱爐內，緩慢加熱到一定溫度，然后保溫一段時間，最后在空氣中或爐內冷卻。

用這種方法可以消除80%-90%的焊接應力。另一種方法是局部高溫回火，即只對焊縫及其附近區域進行加熱，然后緩慢冷卻，降低焊接應力的峰值，使應力分布比較平緩，起到部分消除焊接應力的目的。

異種鋼在進行焊后熱處理時應注意以下幾點：

1、當焊件中有強烈淬火傾向的珠光體材料時，焊后應立即進行回火。

2、為了防止焊接變形，焊前預熱的焊件裝爐溫度不得高于350℃；焊后立即進行回火的焊接構件裝爐溫度不低于450。

3、升溫速度取決于被焊鋼材的化學成分、焊件類型和壁厚、加熱爐功率等因素。可根據焊件厚度δ，按200×25／δ(℃／h)計算。當焊件厚度＞25mm時，回火的升溫速度應小于200℃／h。

4、在回火的保溫過程中，大件、厚件溫差不超過±20℃。

5、進行局部回火時，應保證焊縫兩側有均勻的加熱寬度。

6、為消除構件的熱應力和變形，冷卻速度應小于200℃／h或小于200×25／δ(℃／h)。（當焊件厚度δ＞25時）。有回火脆性的鋼構件回火時，溫度不能取在脆性溫度范圍內，通過這一溫度區間時應快冷。

5   焊接試驗

5.1試件的制備

用機械加工的方法制備100×150厚12（單位:mm）的65Mn、Q235鋼試件各一塊。如圖5-1示:                                

5.2焊前準備

1、焊前嚴格清理悍件表面的油污、水分、氧化鐵皮、鐵銹等雜物。

2、選用E4315焊條，焊前烘干350℃×2h。

5.3焊接規范

1、焊條直徑ф3.2、4.0。

2、電源種類與極性  直流反接。

3、焊接電流  100～130A（ф3.2） 140～180A（ф4.0）。

4、電弧電壓  24～25V（ф3.2） 25～27V（ф4.0）。

5、焊前預熱  150～200℃。

6、焊后熱處理  焊后200～350℃×2h回火。

5.4焊接操作

按圖示順序焊接，第一層用ф3.2焊條、焊接電流100～130A、電弧電壓24～25V,其余各層用ф4.0焊條、焊接電流140～180A、電弧電壓25～27V。焊接時，下一層焊縫的弧坑應避免出現在上一層的弧坑處。

5.5試驗分析

1、表面平均裂紋率 

式中 —表面裂紋率（%）；

—表面裂紋長度之和（mm）；

—試驗焊縫長度（mm）。

2、根部平均裂紋率 

式中 —根部裂紋率（%）；

—根部裂紋長度之和（mm）；

—試驗焊縫長度（mm）。

6                 結論

經過焊接實踐驗證焊接可以得到滿足使用性能的優質焊縫，但是制訂焊接工藝時，由于其特殊的焊接性要求，生產中應特別注意一下幾個方面：

1、焊前預熱防止冷卻速度過快產生淬硬組織增加冷裂紋形成的傾向。

2、采用低氫型焊條并且嚴格烘干、保溫，減少擴散氫的含量，降低延遲裂紋形成的可能性。

3、擬訂合理焊接工藝參數  線能量過大易產生粗大的過熱組織，因晶粒粗化和難溶質點的溶解都使過冷奧氏體穩定性提高，得到馬氏體組織；線能量過小焊縫成形不良，冷卻過快內應力較大易產生冷裂紋源。合理的線能量應該在////。焊接工藝參數的擬訂應根據焊條直徑和工人熟練程度確定出焊接電流、再確定電弧電壓、最后確定焊接速度。

4、按照工藝規范嚴格清理母材。

5、避免強力裝配，減少約束應力。

6、定位焊也應按照工藝規范施焊。

7、對質量要求相對嚴格的焊后應進行200～350℃×2h回火。實際生產中根據生產條件應多

次試驗，最后得出符合現行條件的焊接工藝規范