不銹鋼焊接工藝的研究進展

焊接是一種運用(多數情況下為局部)加熱或加壓手段、添加或不添加填充材料將焊件不可拆卸地連接在一起或在基材表面堆敷覆蓋層的加工工藝。我國焊接技術在工業中應用的歷史雖然不長，但卻發展非常迅速。由于焊接方法經濟、靈活；采用焊接結構與鉚接結構相比，能簡化焊件結構的構造細節，節約材料，提高生產效率，改善工人勞動條件。因此，目前船舶、機車、橋梁、車輛、鍋爐等工業產品，以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油加工工程、大型廠房、高層建筑等重要結構，無一不采用焊件結構。焊件結構有自己的特點，只有正確地認識、切實地掌握它的特點，才能設計制造出性能良好、經濟指標高的焊件接結構。歷史上許多焊接結構失效的實例追其根源，多屬于未考慮焊件結構的特點有關。進入20世紀90年代以來，我國不銹鋼的消費量增長很快。1 997年我國不銹鋼的表觀消費量超過了1 00萬噸，20 01年達到220萬噸，居世界第一位。以后逐年大幅度增長，20 05年達到522萬噸，連續5年成為世界上最大的不銹鋼消費國家。

不銹鋼由于其優良的耐腐蝕性能，在我國的經濟建設中占有舉足輕重的地位，被廣泛應用于船舶、車輛、汽車、宇航、橋梁、建筑、壓力容器、貯罐、建筑機械、管線及家電設備等行業。在不銹鋼加工工藝中，焊接是最主要的必不可少的加工技術。焊件的數量、品種、規格在不斷地增加，對焊接工藝和質量的要求也越來越高。而且隨著技術的引進，國外的不少不銹鋼的品種和牌號、新焊接材料、新焊接技術、新焊接工藝在國內市場所占的比重逐步增加，因此對國內的焊接技術人員也提出了許多新的問題。

與國外相比，我國的不銹鋼焊接技術水平存在一定的差距，主要表現在焊接設備（國內目前無一家具有自主知識產權的先進設備生產廠家，高端焊機完全依賴進口，中低端焊機廠家間競爭激烈，在技術研發方面投入少）、焊接工藝（大部分焊接工程技術人員及焊工不熟悉不銹鋼的焊接）和焊接材料（焊材研發能力弱，優質焊材主要靠進口）等方面。另外，我國執行的標準同國外相比，也比較落后，因此迫切需要我們加強不銹鋼焊接工藝與材料的研究工作，致力于產品質量的提高，保證產品質量的穩定，迅速縮小與國外先進水平的差距。同時加強對高品質特種不銹鋼焊材的研制開發與生產，適應市場的需求，降低成本，增強自身的競爭能力，為我國的經濟建設做貢獻。

國內對不銹鋼焊接工藝的研究主要集中在減少與消除殘余應力和措施。在焊接結構生產中，常常采取如下的生產工藝措施以防止和減少鋼焊接殘余應力與變形。

1.選擇合理的裝配和焊接程序

盡可能考慮焊縫的自由收縮對于大型焊件應從中間向四周對稱進行。如工字梁在對焊接時，無論先焊面板或是腹板的接頭，橫向收縮會在角焊縫內引起很大應力，甚至產生裂縫，所以應設法使它能自由收縮。為此可采取將角焊縫留出一段后焊，使對接接頭的橫向收縮能自由地進行。

收縮量大的焊縫先焊對帶筋板的工字梁，如先進行面板和腹板的焊接，再焊筋板的角焊縫，則由于角焊縫的橫向收縮很大，會在面板和腹板的角焊縫內造成很大的焊接應力。采取對稱焊接對于剛性大而斷面對稱的焊件，施焊時可采用對稱的焊接程序，這對于保證焊件得到最小的彎曲變形是十分有利的。對稱布置的焊縫，應采用雙數焊工對稱的進行焊接。采用焊縫的不同焊接法在焊接長焊縫（≥1 m）時，可采用分段退焊法、跳焊法、交替焊法；對中等長度（0.5～1 m）的焊縫可采用分中對稱焊法。

2.反變形法

所謂反變形法，就是根據焊后變形的情況，預先給以一個方向相反、大小相等的變形，使焊件焊后變形很小甚至完全消失。采用此法時，應預先確定反變形的數值，以便達到消除焊后變形的目的。反變形的數值，無數據可供查詢，一般是憑經驗進行估算。

3.剛性固定法

由于剛性大的焊件焊后變形小，因此如果焊前加強焊件的剛性，同樣也可以減小焊接變形。所以剛性固定法是采用強制手段來減小焊件焊后變形的有效辦法。剛性固定是一般采用定位焊或簡單工裝夾具將焊件固定在平臺或胎架上以達到減小變形的目的。剛性固定法只適用塑性好的材料，特別是低碳鋼。對于脆性較大的和容易淬火而變硬脆的中碳鋼等材料不宜采用剛性固定法進行結構焊接，否則易導致焊縫產生裂縫。

4.散熱法

散熱法又稱強迫冷卻法，是將散熱物體放置在焊接區域的周圍，使焊件迅速冷卻借以減小焊接熱影響區域，使變形減小。但是這種方法對淬火傾向較大的材料，易產生冷淬而出現焊接裂紋。

5.機械矯正法

機械矯正法就是對焊縫及其周圍區域施加外力，可以減小收縮應力和變形。其原理是利用焊縫及其周圍金屬受外力后產生塑性變形，而將已產生收縮的焊縫纖維伸長，從而減小了焊件的可見變形和應力。機械矯正最好在熱狀態下進行，這時的金屬具有較高的塑性。因此，不銹鋼焊件焊縫機械矯正，必需適當加熱，以保證金屬的較高塑性。

6.預熱法

焊件在焊前加熱能減小焊件的溫度差，并降低焊后的冷卻速度，從而減小焊接應力。焊件焊前預熱可根據焊件的大小和施工條件，采取局部預熱或整體預熱。預熱溫度的大小主要根據焊件的材料性質，厚度以及周圍環境的溫度等綜合來考慮。一般情況下，奧氏體不銹鋼焊接時不需要預熱，但對焊縫鐵素體很少或根本沒有鐵素體時，奧氏體焊縫可能會產生熱裂紋。這種情況下，預熱是必要的。

7.焊后熱處理法

為了防止和消除焊接接頭的應力腐蝕開裂，有必要進行焊后熱處理。常規碳含量不銹鋼結構需要進行固溶處理；含穩定化元素的和超低碳的不銹鋼結構需進行穩定化和消除應力熱處理。焊件焊好后，將焊件整體放入加熱爐中，并以≤25～60℃的升溫速度進行加熱。不銹鋼焊件加熱在500～650℃左右，并保溫一定時間，然后與爐子一起冷至50～60℃，焊件才出爐。當焊件尺寸大而不能進行整體回火時，可局部回火，此時，回火后應緩慢地冷卻。此法是用氧—乙炔火焰噴嘴加熱在焊縫兩側，焊件表面加熱至200℃左右。在火焰嘴后面一定距離，噴水冷卻，造成加熱區與焊縫區之間一定溫度差，使焊縫區金屬被拉長，而達到部分消除焊縫拉伸內應力的目的。

以上這些措施多見諸于各種焊接類書籍雜志，太原鋼鐵集團張蘭及南京航空航天大學韓志誠等分別就奧氏體，馬氏體，鐵素體及雙相不銹鋼焊接工藝的研究現狀及進展進行了綜述。然而涉及焊接工藝參數對焊接殘余應力影響的研究報告卻很少，主要集中在對焊接應力場、溫度場的研究及焊接工藝參數化設計軟件開發。