本文通過理論分析和試驗研究，對不銹鋼-低碳鋼焊接接頭的金相組織、力學性能、裂紋敏感性進行了探討，本研究對于優化焊接工藝、提高焊接接頭的使用壽命等具有重要的理論意義和實際應用價值。
在石油化工、造紙、紡織印染機械及釀酒設備中，有許多結構是采用異種鋼焊接而成的。如各種容器、罐體結構內壁與腐蝕介質接觸的部位常采用不銹鋼，而基座，法蘭等不與腐蝕介質接觸的部位采用碳鋼或低合金鋼。異種奧氏體鋼的焊接結構能節省大量不銹鋼，大大降低設備的成本。異種金屬焊接接頭要滿足工程上復雜工況下的性能要求，關鍵在于解決異種金屬的焊接性問題。
一、304不銹鋼與低碳鋼異種鋼焊接性分析
低碳鋼和304不銹鋼的化學成分和物理性能有較大的差別，因此焊接接頭的成分和性能變化比較復雜，焊接時常出現以下幾個主要問題。
（一）焊縫金屬容易產生裂紋
碳素鋼與304不銹鋼焊接時，焊縫金屬產生裂紋的主要原因是由于稀釋作用，焊縫中的奧氏體形成元素含量減少，出現脆硬的馬氏體組織，導致焊縫產生裂紋。為了防止母材金屬對焊縫的稀釋作用，使焊縫不產生裂紋，在焊接生產中常采用下列措施：
1.嚴格控制焊縫的稀釋率。實踐表明，焊縫的稀釋率控制在30%以下，能有效地防止裂紋傾向。而母材金屬對焊縫的稀釋作用，主要通過選擇焊接方法與填充材料來解決。
2.采用過渡層。焊接低碳鋼與304不銹鋼時，可先在低碳鋼的坡口表面用含鉻鎳量高的焊條堆焊一層奧氏體過渡層，然后再將過渡層與不銹鋼焊接。
（二）焊接接頭的塑性和韌性降低
碳素鋼與304不銹鋼焊接時，焊接接頭塑性和韌性降低的主要原因是熔合區出現脆性層。出現脆性層的原因有：
1.焊接時由于熔池邊緣金屬溫度較低、流動性差，熔化的母材金屬和填充材料不能充分混合，其結果是母材金屬所占比例較大，在碳素鋼母材金屬側的熔合區金屬中，容易形成與焊縫內部成分不同的脆性層。
2.碳素鋼母材金屬的稀釋作用大。由于碳素鋼含碳量比不銹鋼多，碳素鋼對焊縫的稀釋作用較強，使熔合區的脆性層中含鉻、鎳量減少，其組織成為高硬度的馬氏體，所以脆性增加，塑性和韌性下降。
（三）熔合區產生軟化(脫碳層)和硬化(增碳層)現象焊接碳素鋼與304不銹鋼時，熔合區出現軟化和硬化是碳的遷移造成的。所謂碳的遷移就是碳從碳素鋼母材金屬中通過熔合區向焊縫遷移。其結果是靠近熔合線的碳素鋼母材金屬側出現脫碳層(鐵素體)而軟化，在焊縫側出現增碳層而硬化。碳的遷移使熔合線處碳的濃度差發生突變。
（四）焊縫金屬容易剝離
所謂“剝離”就是指焊接異種金屬時，由于物理性能和化學成分相差很大，焊后焊縫金屬自動與母材金屬脫裂的現象。
焊接碳素鋼與304不銹鋼時，因為不銹鋼的線脹系數比碳素鋼大，熱導率比碳素鋼小，焊后會產生很大的熱應力。當應力值超過焊縫金屬的強度極限時，就會沿熔合線產生裂紋，最后導致焊縫金屬剝離。
為防止焊縫金屬產生剝離現象，應采取以下兩個有效措施：一是合理改善焊接接頭的應力分布。二是嚴格控制冷卻速度。
二、研究內容與試驗方法
（一）研究內容
1.比較焊條電弧焊與TIG焊對304不銹鋼與低碳鋼異種鋼焊接接頭焊縫組織及力學性能的影響。
2.研究304不銹鋼與低碳鋼異種鋼焊接接頭熱裂紋敏感性。
（二）試驗方法
1.試樣及焊接工藝參數
試驗材料：Q235A鋼，1Cr18Ni9Ti鋼。
試驗尺寸：90×45×6mm。
焊接材料：A102焊條，HCr18Ni13焊絲。
2.304不銹鋼與低碳鋼異種鋼焊接接頭裂紋敏感性試驗
采用巴東拘束裂紋敏感性試驗方法。此法用于對接焊縫焊接時可得較大的拘束度，故對焊縫金屬中形成裂紋的敏感性較強，也有可能在母材熱影響區內產生裂紋。將不銹鋼-低碳鋼樣板以對接接頭的形式擺放在一不小于30mm厚的平板上，用手工電弧焊將焊件式樣四周以固定焊縫焊牢。待焊件冷卻后焊接試驗焊縫。
三、試驗結果及分析
（一）焊條電弧焊焊縫及HAZ組織
奧氏體+鐵素體，呈枝晶狀分布；上方母材熱影響區的顯微組織，奧氏體+鐵素體+碳化物，呈帶狀分布。
鋼一側HAZ顯微組織，過熱區顯微組織為珠光體和鐵素體，略呈魏氏組織態，比母材粗大。
（二）TIG焊焊縫及HAZ組織
圖3中白色為奧氏體，黑灰色為碳化物析出物，能明顯看見碳化物從晶界析出，呈條狀分布。圖4中也有碳化物析出，呈帶狀分布，奧氏體晶粒明顯粗大。
（三）熔合區組織
從圖5和圖6可知無論焊條電弧焊還是TIG焊焊接接頭中熔合區的顯微組織都較容易辨認。組織形狀因成分不同而各異，從熔合區到母材有幾個過渡區，呈“三明治”結構形式。
（四）焊接接頭斷裂強度
拉伸試驗結果見表2。從試驗結果上看，焊條電弧焊與TIG焊焊接接頭強度都有所降低。焊條電弧焊之所以斷在焊縫，主要由于A102焊條含碳量較低。
四、焊接頭裂紋敏感性
采用A102焊條電弧焊，直流反接進行的巴東拘束試樣。試樣焊接接頭熱影響區出現肉眼能觀察到的表面裂紋，表明裂紋傾向較大。
采用填絲與不填絲焊鎢極氬弧焊，直流正接進行的巴東拘束試樣。試樣焊接接頭均出現肉眼寬肩的表面裂紋，采用滲透檢查也沒有觀察到表面裂紋，表明裂紋傾向不大。
五、結論
1.珠光體—奧氏體異種鋼焊接接頭的組織，明顯分為三個主要特征區域，即焊縫金屬區、熔合區和熱影響區。各區域的組織和成分分布決定于焊接材料的化學成分及焊接工藝。
2.珠光體—奧氏體異種鋼焊接接頭組織，從焊縫金屬區經熔合區到熱影響區的組織具有典型的“三明治”結構。
3.焊接方法和焊接材料的選擇對異種鋼接頭組織和性能具有很大影響。
4.從拉伸試驗結果可知不銹鋼和低碳鋼焊縫中，低碳鋼一側由于碳的遷移及母材的稀釋作用，其性能降低。實際應用中，應注意這一點，并采取一定措施減小其影響。
5.采用A102焊條電弧焊焊接珠光體—奧氏體異種鋼，焊接接頭有較大裂紋傾向；采用填絲（HCr18Ni13）與不填絲焊鎢極氬弧焊焊接珠光體—奧氏體異種鋼，焊接接頭裂紋傾向不大。
