在動力裝置、石油化工和造紙設(shè)備中，有許多焊接結(jié)構(gòu)是奧氏體不銹鋼與珠光體鋼焊接而成的。奧氏體型不銹鋼用于容器、罐體結(jié)構(gòu)內(nèi)壁接觸腐蝕介質(zhì)或耐高溫的部位，常用的材質(zhì)有Cr18Ni9系列和Cr23Ni13系列；珠光體鋼則用于其余要求不苛刻的部位，其材質(zhì)有低碳鋼、低合金鋼、鉻鉬熱穩(wěn)定性鋼等。使用這種焊接結(jié)構(gòu)能節(jié)省大量的不銹鋼材料，大大降低設(shè)備的成本，所以得到廣泛采用。
異種鋼焊接時，每一種（側(cè)）母材受到焊接熱循環(huán)而發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變以及隨之可能出現(xiàn)的各種焊接問題，如淬火硬化、退火或回火軟化、冷裂紋、再熱裂紋、液化裂紋等，都和同種材料焊接時基本相同，因此在此不再重復(fù)。以下所要討論的異種鋼焊接性問題只是集中于焊縫和熔合區(qū)。因為這里的金屬成分組成十分復(fù)雜，受到兩種不同成分的母材和第三種成分的填充材料的共同制約，且又受到焊接工藝的強烈影響。
1. 焊縫的成分、相組成及其調(diào)控
奧氏體不銹鋼（A）與珠光體鋼（B）焊接時，焊縫金屬平均成分由兩種不同類型的母材（A和B）同填充金屬（C）混合所組成。由于珠光體鋼中不含有或僅含有少量的合金元素，若它溶入焊縫金屬的份額增大，則會沖淡焊縫金屬的合金濃度，從而改變焊縫金屬的化學(xué)成分和組織狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為母材對焊縫金屬的稀釋作用。
對于奧氏體型不銹鋼與珠光體鋼的焊縫，希望母材在焊縫金屬中所占比例要小，即稀釋度小一些而且要求熔合比穩(wěn)定，其目的是減少焊縫裂紋，保證焊接接頭的性能。影響焊縫稀釋程度的因素很多，有焊縫形狀、焊接電流、電弧電壓、焊接速度等。焊接方法不同對焊縫稀釋程度影響很大，圖5-3所示列出了幾種焊接方法可獲得熔合比的范圍。
在Q235鋼與12Cr18Ni9 不銹鋼的焊縫金屬中，如果由于焊縫的過分稀釋，可使焊縫中熔合比（％）奧氏體形成元素不足，結(jié)果在焊縫中出現(xiàn)馬氏圖5-3 焊接方法對熔合比的影響體組織，使焊接接頭的脆性增大，導(dǎo)致焊接接頭形成裂紋。可以借助于圖5-4不銹鋼（舍夫勒）組織圖來討論分析，首先將鋼的各合金元素含量按下列公式折算成鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量：鉻當(dāng)量Cra（％）＝w（Cr）＋w（Mo）＋1.5w（Si）＋0.5w（Nb）；鎳當(dāng)量Ni。g＝w（Ni）＋30w（C）＋0.5w（Mn）。再在圖5-4找出相應(yīng)的點，即可知該鋼焊縫的正常冷卻組織中的相組成。
例如，12Cr18Ni9鋼與Q235鋼沒有焊接以前，經(jīng)過鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的計算，見表5-3。分別為圖5-4中的a、b兩點，如果不加填充金屬進行鎢極氬弧焊，假定這兩種金屬熔入焊道的中比例各為一半，其熔合比分別是50％，則在圖5-4中可找到對應(yīng)的f點。從圖中可以看出f點所處焊縫金屬的位置為馬氏體組織。眾所周知，馬氏體組織是一個又脆又硬的組織，容易使焊縫產(chǎn)生裂紋。
采用焊條電弧焊時，對常用的幾種焊條的熔敷金屬進行過鉻和鎳當(dāng)量的計算，計算結(jié)果見表5-4。首先選用不銹鋼焊條牌號A102（E308型）作為填充金屬，其鉻、鎳當(dāng)量對應(yīng)于圖5-4中c點。此焊條焊接這兩種材料時，假定這兩種母材熔入焊縫金屬中數(shù)量相同，即兩種母材混合熔化后鉻和鎳當(dāng)量仍為原來的f點，則當(dāng)母材的熔合比發(fā)生變化時，焊縫中的鉻和鎳當(dāng)量的質(zhì)量分數(shù)沿fc線段各點移動而變化。當(dāng)母材熔合比為40％時，即兩種母材在焊縫中各占20％的質(zhì)量分數(shù)時，焊縫的鉻鎳當(dāng)量的質(zhì)量分數(shù)相當(dāng)于g點；當(dāng)母材的熔合比為30％時為h點，此時焊縫組織為奧氏體＋馬氏體，焊接接頭仍有形成裂紋的可能。在完全相同和條件下，若改變焊條的熔敷金屬成分，用A307牌號焊條（即E309型）進行施焊，則焊條熔敷金屬鉻和鎳當(dāng)量為圖5-4中d點。如果母材的熔合比為40％，焊縫的鉻和鎳當(dāng)量相當(dāng)于圖5-4中i點，此時焊縫金屬接近為全部奧氏體組織，也有可能產(chǎn)生裂紋；若熔合比為30％，焊縫的鉻和鎳當(dāng)量相當(dāng)于圖5-4中j點，此時焊縫金屬含有體積分數(shù)為2％的鐵素體的奧氏體組織，對抗裂性和耐蝕性都是有利的。若采用A407焊條（E310型）施焊，則焊條熔敷金屬鉻和鎳當(dāng)量為圖5-4中e點，如果母材熔合比仍為30％～40％（即焊縫位于圖5-4中fe線段中k、l兩點），焊縫金屬為單相奧氏體組織，也易使焊接接頭產(chǎn)生裂紋。
這三種不同牌號的不銹鋼焊條，其焊條熔敷金屬的鉻鎳當(dāng)量見表5-4。
綜上分析，焊接12Cr18Ni9不銹鋼與Q235鋼時，若不加填充金屬或用焊條電弧焊采用A102焊條施焊時，焊縫金屬不可避免地要出現(xiàn)脆硬的馬氏體組織，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋。用A307焊條施焊時，焊縫金屬的熔合比要控制在30％以下，才能獲得較為理想奧氏體＋鐵素體雙相組織。用A407焊條施焊，焊縫金屬組織為單相奧氏體組織，焊接接頭也有形成熱裂紋的傾向。根據(jù)以上分析可知，由于珠光體鋼的稀釋作用，焊縫金屬成分和組織會發(fā)生很大變化。但是通過焊接方法和焊接材料的選擇以及對母材金屬熔合比的控制，可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)調(diào)整焊縫金屬的成分和組織。
2. 焊縫邊緣的成分過渡層
焊縫金屬熔池邊緣，金屬在液態(tài)持續(xù)時間最短，溫度也較熔池中部低，液體金屬流動性較差，容易結(jié)晶形成固態(tài)。由于珠光體鋼一側(cè)與奧氏體不銹鋼焊接材料的化學(xué)成分和填充金屬不能充分混合，在此側(cè)的焊縫金屬中珠光體鋼所占份額增大，且越靠近熔合線稀釋程度就越大。而在焊縫金屬熔池中心，其稀釋程度就小。這樣，在珠光體鋼與奧氏體型不銹鋼焊接時，相鄰珠光體一側(cè)熔合線的焊縫中存在一個成分梯度很大的過渡層。在過渡層中存在一層馬氏體組織，硬度很高，形成一個高硬度的馬氏體脆性層，有可能使熔合區(qū)遭到破壞，降低了焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。
過渡層的形成與焊接參數(shù)有很大關(guān)系：當(dāng)選用大的熱輸入進行焊接時，焊接電流很大，焊接速度慢，焊縫金屬熔池邊緣高溫停留時間延長。增加熔池邊緣高溫停留時間，有助于增加熔池邊緣液態(tài)金屬的流動性和拌攪作用，使過渡層的寬度減小。同時馬氏體脆性層與過渡層里含鎳量有關(guān)：當(dāng)過渡層中w（Ni）低于5％～6％時，將產(chǎn)生馬氏體組織如圖5-5所示。從圖中可以看出，脆性層寬度B與焊縫中鎳含量成反比。當(dāng)填充金屬選用H08Cr21Ni10時，脆性層寬度為B1，是比較大的；當(dāng)采用Cr15Ni25Mo6 填充金屬時，此時脆性層寬度縮小到B3；當(dāng)使用鎳基焊接材料時，脆性層將會完全消失。
3. 熔合區(qū)的碳擴散
奧氏體型不銹鋼與珠光體鋼焊成焊接接頭，在焊后熱處理或高溫運行服役時，其熔合區(qū)附近會發(fā)生碳由珠光體鋼母材向奧氏體不銹鋼焊縫的擴散。在碳化物形成元素含量低的珠光體鋼一側(cè)產(chǎn)生脫碳層，而相鄰的奧氏體不銹鋼焊縫一側(cè)產(chǎn)生增碳層。
碳擴散的結(jié)果，熔合區(qū)的珠光體組織由于碳含量降低而轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體組織導(dǎo)致軟化，且在高溫的長時間作用下，鐵素體晶粒還會顯著地長大；同時增碳層中的碳化物也變得粗大，硬度非常高。焊接接頭在這種軟硬交接層的抗蠕變性能大大降低，在高溫下長時間服役，交接處會出現(xiàn)蠕變孔洞并逐漸發(fā)展成為顯微裂紋，最后導(dǎo)致焊接接頭斷裂失效。
此外，若提高奧氏體不銹鋼與珠光體鋼焊縫中的鎳含量，就可以減輕碳從珠光體鋼母材向奧氏體不銹鋼焊縫金屬中的擴散遷移。若選用鎳基合金作為填充金屬，這種碳的擴散遷移就不存在。
4. 熔合區(qū)的熱應(yīng)力
焊態(tài)的接頭通常都存很大的殘余應(yīng)力，焊縫及其附近的金屬處于拉應(yīng)力狀態(tài)，其余部分的金屬受到壓應(yīng)力的作用。然而在異種鋼接頭中，由于奧氏體不銹鋼的線脹系數(shù)比珠光體鋼大，從而導(dǎo)致焊接接頭殘余應(yīng)力增大。這樣，異種鋼接頭在高溫下長時間運行期間，更突出的表現(xiàn)在運行溫度波動（特別是開、停車）時，焊接接頭處于熱疲勞狀態(tài)。如果采用鎳基合金作為填充材料，由于鎳基合金的熱脹系數(shù)與珠光體鋼相近，在珠光體鋼母材一側(cè)，焊接殘余應(yīng)力就可能減少。
根據(jù)以上分析可見，以奧氏體不銹鋼為填充金屬焊接奧氏體-珠光體異種材料副時，成分不均勻所導(dǎo)致的脆性過渡層、碳擴散問題以及膨脹系數(shù)所導(dǎo)致的溫度差應(yīng)力和變溫疲勞問題均發(fā)生在珠光體鋼一側(cè)焊縫的熔合區(qū)，因而成為矛盾的焦點。大量的失效案例均證明了這一點。
5. 延遲紋
氫在不同的組織中，其溶解度和擴散系數(shù)也不同且與溫度有關(guān)。例如，當(dāng)溫度為500℃時，氫在奧氏體組中溶解度為4cm3／100g，而在鐵素體組織中為0.75cm3／100g；在溫度為100℃時，氫在奧氏體組織中溶解度降到0.9cm3／100g；而在鐵素體組織中的溶解度只有0.2cm3／100g。氫在奧氏體的擴散率可比其在鐵素體中小二、三個數(shù)量級。在異種金屬焊接時珠光體鋼一側(cè)的熔合線區(qū)，奧氏體焊縫中大量過飽和氫不易直接向大氣逸出，而是向擴散系數(shù)大得多的珠光體鋼中擴散，造成珠光體鋼中擴散氫的聚集，從而為延遲裂紋創(chuàng)造了條件。因此，異種鋼焊接接頭珠光體鋼的冷裂紋的傾向應(yīng)當(dāng)比同種鋼焊接時更為嚴(yán)重，特別是當(dāng)成分過渡區(qū)中有較厚的馬氏體脆性層時尤為突出。
