现代工业的发展和科学技术的进步，对焊接构件的性能提出了更高、更苛刻的要求，除需满足通常的力学性能外，还要满足如耐磨性、高温强度、耐腐蚀性、低温韧性、导电性、导热性等多方面的性能要求。
在这种情况下，任何一种金属材料都不可能完全满足整体焊接结构的使用要求，即使可能有某种金属材料相对比较理想一些，也常常由于十分稀缺、价格昂贵，而不能在工程中实际应用，而异种材料焊接的出现很好的解决了这一问题。特别是异种钢的焊接，最大限度的利用了各种钢的性能，做到了“物尽其用”的效果。
在机械制造业中，异种钢焊接构件得到越来越广泛的应用，它不但能满足不同工作条件对材质的要求，而且通过焊接的方法连接成不同几何形状的零部件，生产、修复简便而且成本低，但是异种钢焊接时存在着严重的焊接性问题。
65Mn钢与Q235钢板对焊成的构件，以65Mn钢的高强度、高耐磨性满足在低速、冲击、高磨损性工作条件下的力学性能要求，减少在滑动摩擦时零件的磨损与损坏。Q235钢板主要满足结构连接的要求。
由于65Mn与Q235钢的化学成分（见表1-1）、力学性能（表1-2）、金相组织、物理性质的差异，其焊接性问题主要是延迟裂纹。
表1-1 65Mn与Q235钢的化学成分
| 牌号 | 化学成分／% | |||||||
| C | Mn | Si | S | P | Ni | Cr | Cu | |
| 65Mn | 0.62-0.70 | 0.9-1.2 | 0.17-0.37 | ≤0.035 | ≤0.035 | ≤0.25 | ≤0.25 | ≤0.25 |
| Q235 | 0.14-0.22 | 0.30-0.65 | ≤0.30 | ≤0.050 | ≤0.045 | – | – | – |
表1-2 65Mn与Q235的力学性能
| 牌号 | 力学性能 | |||
| бb／Mpa | бs／Mpa | δ5／% | Akv／J | |
| 65Mn | 735 | 430 | 9 | – |
| Q235 | 375-500 | 235 | 26 | ≥27 |
2 65Mn与Q235钢的焊接性分析
任何金属材料焊接前都要进行焊接性分析，因为只有了解了焊接性才能制定出合理的焊接工艺。金属材料的焊接性包括气孔、夹杂、裂纹等。
2.1焊缝中的气孔
2.1.1氢气孔
焊接时在电弧高温的作用下，母材表面的氧化铁皮、铁锈、水分、油渍以及焊接材料中的水分等发生一系列的反应而生成氢。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)
生成的氢在高温时能大量溶解于液体金属，而在凝固过程中溶解度突然下降，过饱和的氢在焊接熔池中，以半熔化晶粒及悬浮质点等现成表面行核，使气泡形核所需能量大大降低，增大了氢气泡的形核率。
当气泡依附于这些现成表面形核时，呈椭圆形半径比较大，因为对气泡长大起主要阻碍作用的附加压力的大小与气泡半径成反比，这样大的半径就会使附加压力值大大减小。
同时形核气泡的现成表面对气体有吸附作用，使局部气体浓度大大提高，缩短了气泡长大所需要的时间。当熔池中的气泡与所依附表面的夹角θ﹤90°时，气泡容易脱离所依附的表面，而形成气体的主要元素氧、氢、碳都可以改善接触情况，因而气泡形成后有利于脱离所依附的表面而上浮。
气泡上浮的速度可按下式估算：
式中 —气泡上浮的速度（cm／s）；
—熔池液体金属与气体密度（g／cm3）；
—重力加速度（cm／s2）；
—气泡半径（cm）；
—液体金属粘度（Pa·s）。
上式表明气泡上浮速度与密度差、半径、重力加速度成正比，与粘度成反比。焊接碳钢时重力加速度不变，密度差几乎为不变的常数，因此气体半径与粘度是影响上浮速度的主要因素。
当温度下降时，特别是熔池开始凝固时值急剧上升，因此，在凝固过程中形成的气泡浮出较困难。另外，熔池在液态停留的时间过短也不利于气泡的浮出。
2.1.2氮气孔
焊接时在对熔池保护不良的情况下，空气中的氮气会大量的溶入熔池，而在凝固过程中其溶解度又突然下降，其形成机理与氢气孔一致。
2.1.3一氧化碳气孔
在熔池进行化学冶金反应中形成的CO不溶解于液体金属中，在液体金属凝固时若不能及时浮出则形成CO气孔。
CO主要是FeO、O2或其他氧化物与C作用的产物即：
[C]+[O]=CO (2－7)
[FeO]+[C]=CO+[Fe] (2－8)
[MnO]+[C]=CO+[Mn] (2－9)
[SiO2]+2[C]=2CO+[SiO] (2－10)
碳对氧化物的亲和力随温度升高而增大，高温下碳比铁、锰、硅等元素对氧的亲和力都大些。因此，上述反应主要发生在熔滴区和熔池头部，生成的CO不溶于液态金属中，在高温形成后很容易形成气泡并迅速排出。
形成气孔的CO是在冶金反映后期形成的，熔池开始凝固后液体金属中的碳和FeO的浓度随固相增多而加大，造成二者在液体金属某一局部富集，浓度增加促进了 (2－8)式反应的进行，生成一定数量的CO。
这时形成的CO由于温度下降、液体金属粘度增加及冷却快等原因，难于从熔池中逸出，而被围困于树枝晶粒间。此外，(2－8)式的反应是吸热反应，促使了冷却速度的加大，对气体的析出更为不利。
65Mn钢在焊接时，一般都预热这样就降低了冷却速度，熔池存在时间得到提高，焊接冶金反应中生成的气体有足够的时间浮出。焊接前严格清理坡口两侧氧化铁皮、铁锈、水分、油渍等减少氢的来源，并且使用低氢焊条，加强电弧气氛的保护，这样65Mn钢焊缝中气孔出现的几率并不大。
2.2焊缝中的夹杂物
焊缝中存在夹杂物会使塑性和韧性下降，还会增加热裂纹和层状撕裂的敏感性。焊缝中常见的夹杂物主要有氧化物夹杂、硫化物夹杂、氮化物夹杂等三种类型。
2.2.1氧化物夹杂
在焊接冶金反应过程中，锰和硅都发生脱氧反应：
[FeO]+[Mn]=(MnO)+[Fe] （2－11）
2[FeO]+[Si]=(SiO2)+2[Fe] （2－12）
65Mn钢含锰量在0.90%－1.20%之间，相对来说锰含量较高，焊接时锰对氧的亲和力比铁大，因而发生2[Mn]+O2=2(MnO)反应。反应生成的脱氧产物MnO、SiO2，若不能及时被带到熔渣中去就会以夹杂物的形式存在于焊缝中。
另外，焊缝中常见的氧化物夹杂还有TiO2、Al2O3等，这些物质一般以硅酸盐的形式存在，且熔点大都比母材低，在焊缝凝固时最后凝固，往往是造成热裂纹的主要原因。氧化物夹杂主要是由熔池中的FeO与其他元素作用而生成的，只有少数是因为工艺参数不当而从熔渣中直接混入。
65Mn钢焊接时常采用硅锰联合脱氧，生成颗粒较大并且熔点低的MnO·SiO2 复合物，有利于减少氧化物夹杂的存在。正确选用焊接材料，焊条药皮中加入较多的脱氧元素，正确制定焊接工艺使熔池有一定的存在时间，以利于氧化物的浮出，65Mn钢焊接时氧化物夹杂很少存在。
2.2.2硫化物夹杂
硫通常以两种形式存在于焊缝中，即MnS、FeS。MnS几乎不溶于液态铁中，在焊接冶金反应过程中可以浮到熔渣中去使焊缝脱硫，即使有少量的MnS以夹杂物的形式存在于焊缝中，也由于其熔点较高并以弥散质点形式存在，有弥散强化作用，对焊缝力学性能危害较小。
而FeS与铁在液态可以无限互溶，而在固态其溶解度急剧下降，故在熔池结晶时它容易发生偏析，以低熔点共晶（Fe+FeS，熔点985℃或FeS+ FeO，熔点940℃）的形式呈片状或链状分布于晶界，这样就增加了焊缝产生结晶裂纹的倾向，同时还会降低冲击韧度和抗腐蚀性。
而硫化物主要来自焊条的药皮或焊剂原材料，经过冶金反应而过渡到熔池中，65Mn钢母材或焊丝中含硫偏高时，会形成硫化物夹杂，严格控制母材、焊材的含硫量，出现硫化物的几率并不大。
2.2.3氮化物夹杂
焊缝中氮主要来源于空气，只要在保护不良时才出现较多的氮化物夹杂。焊缝中氮化物夹杂主要以Fe4N的形式存在。Fe4N一般是在时效过程中从过饱和固溶体中析出的，以针状分布在晶内或晶界，当含量较少时弥散分布的细小氮化物夹杂质点，可以起到沉淀强化的作用，较多时焊缝金属的强度、硬度上升，塑性、韧性明显下降。因此65Mn钢焊接时应注意熔池的保护以减少氮化物夹杂的生成。
2.3焊接裂纹
焊缝中的裂纹可以分为热裂纹和冷裂纹，热裂纹分为：结晶裂纹和高温液化裂纹。
2.3.1热裂纹
1、结晶裂纹
当母材含杂质（S、P、C、Si）偏高时，特别是硫和磷偏高会使结晶温度区间明显加宽。另外，硫和磷能在焊缝中形成多种低熔点共晶，这些共晶在焊缝凝固后期形成液态薄膜，并且硫和磷都是偏析度较大的元素，容易在局部富集，
更有利于形成低熔点共晶物，液态薄膜或偏析的低熔点物质都会使金属在凝固后期的塑性急剧下降，这样使焊缝在冷却过程中出现一个脆性温度区间，随着结晶收缩、冷却变形使焊缝晶粒承受拉应力，在此力作用下即可出现结晶裂纹。
另外，钢中的碳在焊接时也是提高结晶裂纹敏感性的元素，并且碳还促进硫、磷的有害作用的加剧。因此焊接65Mn钢时存在一定的结晶裂纹。
为了防止结晶裂纹一般采取以下措施：
1）控制焊缝中硫、磷、碳等有害元素的含量。
2）对熔池进行变质处理细化晶粒，提高焊缝金属的力学性能。
3）增加熔渣的碱度，脱硫、脱氧反应进行越完全，其中杂质越少，越不易形成低熔点化合物。
4)调整焊接工艺参数，增大焊缝成形系数，避免因晶粒相对生长而在焊缝中心形成杂质聚集的脆弱面。
5)对焊件预热降低冷却速度，减少变形增长率，结晶裂纹倾向减小.
6)调整焊接顺序降低拘束应力，尽量使每条焊缝在各方向都有收缩余地。
2、高温液化裂纹
焊接过程中，在焊接热循环峰值温度作用下，在母材近缝区多层焊的层间金属中，由于低熔点共晶被加热熔化，在一定收缩应力作用下沿奥氏体晶界产生的开裂，即为高温液化裂纹。65Mn钢C、S、P等元素都偏于上限时，熔池凝固后期存在一些低熔点共晶物，这就导致65Mn钢焊接时存在高温液化裂纹的倾向。
生产中并不能很好的消除该裂纹，通常只是采取以下措施来减小它的形成倾向：
1)在满足使用性能的前提下尽量选用C、S、P较低的母材。
2)减小焊缝的凹度，使容易在凹入处产生裂纹的可能性减小。
3)采用较小的线能量，尽量避免母材过热。
2.3.2冷裂纹
1、冷裂纹的分类 冷裂纹有时出现在焊接过程当中，但较多的是出现在焊后延迟一段时间才产生，延迟时间有几小时、几天甚至更长时间，通常在使用过程中才能被发现。因此，其危害性很大。统计表明，在由于焊接裂纹所引发的是事故中，由冷裂纹所造成的事故约占90%，而这些裂纹大多是延迟裂纹。
65Mn钢焊接时冷裂纹可以分为以下四类：
1）焊道下裂纹 出现在靠近堆焊焊道的热影响区，走向与融合线大致平行，一般不显露于焊缝表面。
2）焊趾裂纹 沿应力集中的焊趾处所形成的焊接冷裂纹。
3）焊根裂纹 产生于含氢量较高、预热不足而形成的应力集中的焊缝根部。
4）横向裂纹 起源于熔合线，沿垂直于焊缝长度方向扩展到焊缝和热影响区。
2、冷裂纹形成的三个基本因素
大量实验研究证明，扩散氢、钢的淬硬倾向、焊接接头的拘束应力三者共同作用形成了冷裂纹。
1）氢的影响
导致接头产生冷裂纹的氢主要是扩散氢。实验证明随着焊缝中扩散氢含量的增加，冷裂纹率提高。用低氢型焊条焊接时出现焊道下裂纹的可能性，比用含有较多有机物的焊条小的多。图2-1为在电弧气氛中加入不同的氢试焊的结果，由图可看出焊道下裂纹率随加氢量的增加而上升，同时还有实验表明扩散氢含量越多，延时越短。
2）钢的淬硬倾向
钢种的淬硬倾向越大，接头中出现马氏体的可能性越大，越容易产生冷裂纹。当材料一定时，冷却速度越高马氏体的含量越多，由图2-2可以看出冷却速度提高使马氏体含量增加。裂纹率上升。
3）焊接接头的拘束应力
焊接接头的拘束应力，包括因加热不均匀所承受的热应力、相变应力、结构自身几何因素所决定的应力等。实验研究表明拘束应力越大，冷裂纹出现的几率越大。
3、三个要素的作用及其关系
1）氢在金属中的溶解与扩散
由图2-3、表2-1可以看出氢在γ相中的溶解度大大高于在α相中的溶解度，在快冷时就来不及在γ→α转变时析出，而以过饱和溶解的形式存在于α相中。另外，氢在α相中的扩散能力比在γ相中高。
因此在发生γ→α转变时氢的溶解度突降，在快冷时就来不及在γ→α转变时析出，而以过饱和溶解的形式存在于α相中。另外，氢在α相中的扩散能力比在γ相中高，因此在发生γ→α转变时氢的溶解度突降，而扩散能力突升。
表2-1 氢在不同组织中的溶解度与扩散度
| 温度／℃ | 溶解度／（mL／100g） | 扩散速度／（mL·mm-2·h-1） | ||
| γ-Fe | α-Fe | γ-Fe | α-Fe | |
| 500 | 4 | 0.75 | 0.018 | 0.26 |
| 100 | 0.9 | 0.12 | 0.000000034 | 0.00026 |
2）焊缝金属结晶过程中氢的溶解与扩散
焊缝进行奥氏体分解时，氢的溶解度突降扩散速度突生，过多的氢必然通过熔合线向尚未转变的热影响区扩散。氢扩散到母材后，由于γ相中溶解度大而扩散速度低，在快冷时就不能继续向母材内扩散，而凝集在熔合线附近形成了高氢带。
在母材也发生相变后，氢就以过饱和的形式残留在马氏体中，并扩散到应力集中或晶格缺陷处结合成分子，形成了较高的局部应力。加上热应力、组织应力的共同作用，就可能造成开裂。当热影响区氢的浓度足够高时，还将使马氏体进一步脆化，而产生焊道下裂纹。
3）氢与力的共同作用—产生延迟现象
氢的扩散速度决定了潜伏期与裂纹扩散周期的长短，而扩散速度又由扩散氢含量与应力水平所决定。而氢与应力水平有着互补的关系，即扩散氢含量越高，开裂所需的应力越小，潜伏期也越短；应力越大，则开裂所需的含氢量越低。
冷裂纹一般形成于-100～+100℃温度范围内，也是由氢的扩散特性所决定的。当温度高于100℃时，氢原子有足够的动能析出到金属外部，残留的扩散氢较少不足以导致开裂。当温度低于-100℃时，氢在金属内部的扩散受到抑制，难以聚集而形成一定的压力。因此，当温度高于或低于上述范围时，一般都不会产生冷裂纹。
4）钢的淬硬倾向的作用
马氏体是典型的淬硬组织，这是由于间隙原子碳的过饱和，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生明显畸变所致。特别是在焊接条件下，近缝区的加热温度高达1350～1400℃，使奥氏体晶粒严重长大；
当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变成粗大的马氏体。淬硬的马氏体在断裂时需要的能量较低。因此，焊接接头中有马氏体存在时，裂纹易于形成和扩展。钢材的淬硬倾向越大，热影响区或焊缝冷却后的到的脆性组织马氏体越多，对冷裂纹就越敏感。
冷裂纹形成的三个基本因素的关系是相互联系，相互制约的，不同条件下起只要作用的因素不同。例如：当扩散氢含量较高时，即使马氏体的数量或拘束应力比较小，也可能开裂。而当材料的碳当量较高而在接头中形成较多马氏体时，即使扩散氢很少甚至没有，也会产生裂纹。
4、防止冷裂纹的措施
1)选用对冷裂纹敏感性低的母材 母材的化学成分不仅决定了其本身的组织与性能，而且决定了所用的焊接材料，因而对接头的冷裂纹敏感性有着决定性作用。
2)严格控制氢的来源 选用优质焊接材料或低氢的焊接方法，严格按规定对焊接材料进行烘干及进行焊前清理工作。
3)提高焊缝金属的塑性和韧性 向焊缝中过渡Ti、Nb、V、B、Te或稀土元素来韧化焊缝，采用奥氏体焊条焊接也可较好地防止冷裂纹。
4)焊前预热 焊前预热可以有效降低冷却速度，从而改善接头组织，降低拘束应力并有利于氢的析出，可有效地防止冷裂纹，是生产中常用的方法。
5)控制焊接线能量 线能量增加可以降低冷却速度，从而降低冷裂纹倾向。但是线能量过大则可能造成焊缝及热影响区的晶粒粗化，而粗大的奥氏体一旦转变为粗大马氏体，裂纹倾向反而增高。
6)焊后热处理 焊后进行不同的热处理，可分别起到消除扩散氢、降低和消除残余应力、改善组织或降低硬度等作用。
由以上分析：65Mn钢因为焊接时容易产生延迟裂纹，焊接性很差； Q235在工程应用中按照焊接工艺施焊，很少出现焊接性缺陷。
3 异种钢的焊接
所谓异种钢的焊接性，就是指不同化学成分，不同组织性能的两种或两种以上的钢，在限定的施工条件焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。
3.1异种钢焊接简介
3.1.1异种钢焊接接头的特点
异种钢焊接接头和同种钢焊接接头有本质差异，主要是熔敷金属与两侧焊接热影响区和母材存在的不均匀性，主要有：
1）化学成分不均匀 这是因为在焊接加热过程中，两侧母材的熔化量，熔敷金属和母材熔化区的成分因“稀释”作用会发生变化。接头区的成分不均匀程度不仅取决于母材、填充金属各自的原始成分，也受焊接工艺的影响，易采用小电流、浅熔深。
2）组织的不均匀性 在焊接热循环的影响下，接头内的各区域组织是不同的，而且在个别区域内还会出现复杂的组织结构。组织的不均匀性表现在熔合比的变化。熔合比（稀释率）θ—在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比。θ取决于焊接方法、规范、接头形式、坡口角度、药皮（焊剂）的性质以及焊条（焊丝）的倾角等因素。可以用实验测得。
3）性能的不均匀性 由于组织、成分的变化，代来了性能上的不同，各种变化会呈倍数关系变化，特别是焊缝两侧的热影响区冲击值变化更大，同样高温性能如持久强度、蠕变强度变化也很大。
4）应力场分布不均匀 由于组织、成分的不同，接头的热膨胀系数和导热系数也不同，热膨胀系数不同引起塑性区域不同，残余应力不同；导热系数不同会引起热应力不同。在组
织应力和热应力的共同作用下发生叠加后会产生应力峰值，导致接头发生断裂。
总之，对于异种钢焊接接头，其成分、组织、性能和应力场的不均匀是主要特点。
3.1.2异种钢焊缝金属的成分、组织的控制
1、焊缝成分与舍夫勒组织图的关系 异种钢焊接时由于选择的焊材与母材不同，要推算焊缝金属的成分、组织及性能。舍夫勒组织图（图3-1）就有这个功能。奥氏体形成元素的镍当量计算公式：Nieq＝ωNi+30ωC+0.5ωMn；铁素体形成元素的铬当量计算公式：Creq＝ωCr+ωMo+1.5ωSi+0.5ωNb；也可以由母材、填充金属的成分和稀释率求出焊缝金属的成分。
2、焊缝成分与熔合比的关系 焊缝的成分与熔合比有着很大的关系，不同的焊接方法、接头及坡口形式等熔合比不同，具体影响熔合比的因素有以下几点：
1）预热的影响预热温度越高，母材熔化的就越多，熔合比越大。
2）焊接参数 焊接电流大，熔合比大；焊接速度小，熔合比小。
3）焊接方法及接头形式 焊接方法及接头形式对熔合比的影响见表3-1。
表3-1 焊接方法与接头形式对熔合比的影响（低碳钢）
| 焊接方法 | 焊条电弧焊 | 埋弧焊 | |||||||
| 接头形式 | I形坡口对接 | V形坡口对接 | 角接或搭接 | 堆焊 | 对接 | ||||
| 板厚/mm | 2～14 | 10 | 4 | 6 | 10～20 | 2～4 | 5～20 | — | 10～30 |
| 熔合比 | 0.4～0.5 | 0.5～0.6 | 0.25～0.50 | 0.2～0.4 | 0.2～0.3 | 0.3～0.4 | 0.2～0.3 | 0.1～0.4 | 0.45～0.75 |
3.1.3不同焊接方法焊接异种金属的特点
1）熔化焊 总有部分母材熔入焊缝引起稀释,使接头各区域组织状态不同，通过调整工艺可以控制高温的停留时间和减少熔深降低稀释率。
2）压力焊 接热温度不高或不加热，减轻或避免热循环对母材金属性能的不利影响，防止产生脆性的金属间化合物，不存在稀释率引起的接头性能问题。
3）其他方法 母材不发生熔化和结晶过程，对接头影响不大。在重要设备中使用的较少。
3.1.4异种金属焊接焊材和焊接方法的选择
1、熔合区的特点
1）熔合区分为未混合区和半熔化区，填充金属和母材金属的成分差别越大越不容易充分混合，熔合区越明显。
2）稀释率越大，熔合区越明显。
3）熔合区金属液态停留时间长或流动性好，成分越均匀，熔合区有所减少。
4）熔合区成分的不均匀性，可以调整焊接参数和热处理工艺加以改善。
2、焊接方法选择的选择原则
1）效率和经济性；
2）了解不同焊接方法的适用性；
3）针对不同材料的特点及工艺性。
3、焊材的选择
异种钢焊接是以金相组织来分的，目前国际上对异种钢的组织分类有三种即：A/F 、A/M、 F/M；国内分为3类6组即： A/M、A/B、A/P；M/B、M/P；B/P。
按照国际上对异种钢焊接，焊材选择的原则可分为以下四种情况：
1）焊接金属化学成分与低合金一侧的材料一致；
2）焊接金属化学成分与高合金一侧的材料一致；
3）焊接金属化学成分取二种母材的中间成分；
4）焊缝采用镍基合金材料。
3.1.5异种钢的焊接要点
1、要考虑熔合线附近的韧性下降。该处产生了脆性组织或脆性产物，在应力的作用下易产生裂纹。
2、接头可以通过调整焊接方法、焊接工艺及参数、坡口形式、焊条种类等方法加以改善和避免。
3、焊缝的稀释率与钢材的合金含量有关，随着合金含量的增多，稀释率增大。P体钢单层对接焊的θ在20～40％，A体钢比P体钢高10～20％。
4、被焊件的两侧钢材之一是淬硬钢时必须预热，预热温度按淬硬钢侧选择。用A体焊条焊接时可适当降低温度或不预热。
5、合理的焊后热处理非常重要。对于F／M异种钢接头处理时，最高温度不能超过F体钢侧的上限，保证强度。
6、A/M(F)异种钢焊接时，可在非A体侧坡口预先堆焊一层高Cr（Ni）的金属，然后再用A体钢焊条焊接，非A侧堆焊时是否预热应视具体钢种确定。
3.2异种钢的焊接性分析
异种钢的焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求等四个因素的影响。
异种钢的焊接性可以概述为以下两个方面：
(1)异种钢的结合性能 指在给定的焊接工艺条件下，形成致密焊接接头的能力。
(2)异种钢的使用性能 指焊接后焊接接头在长期使用条件下适应使用要求的能力。
影响异种钢的焊接性的因素大概有以下几点：
异种钢的化学成分、焊接参数、预热及焊后热处理、填充材料的种类及化学成分、母材金属供货状态和表面状态、焊接周围环境条件、接头形式尺寸及施焊位置。异种钢焊接时，无论从焊接机理和操作技术上都比同种钢复杂的多，这是因为异种钢的物理性能、化学性能及化学成分等有显著差异。异种钢焊接时的主要困难如下：
1、异种钢的线胀系数相差越大，越难进行焊接。
2、异种钢的熔点相差越大，越难进行焊接。
3、异种钢的热导率和比热容相差越大，越难进行焊接。
4、异种钢的氧化性越强，越难进行焊接。
5、异种钢之间形成的金属化合物越多，越难进行焊接。
3.3 65Mn-Q235异种钢焊接焊接性分析
65Mn-Q235异种钢的焊接性在65Mn、Q235钢焊接性的基础上又有其自身的特点，这正是由于65Mn与Q235钢的化学成分、力学性能、金相组织及物理性能的差异所致。生产中65Mn-Q235异种钢焊接时，最易出现的焊接性缺陷是延迟裂纹。
3.3.1 65Mn-Q235异种钢焊接接头的特点
65Mn-Q235异种钢焊接接头是一个不均匀体,在同质金属材料的焊接接头中,其成份、组织、性能等基本是以焊缝截面中心线为对称线。然而在异种钢的焊接接头中,无论在焊缝截面或熔合区或热影响区,这种对称性已不存在。
1、焊缝中:靠近熔合区(部份熔化区)的范围内,焊条熔化金属与母材熔化金属未能充分混合,基本上保持了母材成分。
2、热影响区中邻近熔合区处:金属的化学成份在焊接时不会明显变化。由于焊缝两侧热影响区、熔合区的成份、组织、性能的差异,对形成根部裂纹具有不同的敏感性。
Q235钢具有良好的焊接性,而65Mn钢焊接性差,裂纹均在65Mn钢一侧，故应以65Mn钢的焊接性作为评定异种钢焊接性的主要依据。
3.3.2 裂纹产生的位置
1、表面宏观检验
(1)位于焊缝和母材交界处,即热影响区的(HAE)裂纹。
(2)焊缝表面的纵向裂纹(65Mn钢一侧)，个别构件由于裂纹的扩张,造成两块钢板分离的现象。
2、断面低倍观察
裂纹都源于焊缝根部的最大应力集中处,然后向热影响区或焊缝延伸,为沿晶的脆性断裂。可明显确认为热影响区氢致延迟裂纹中比较常见的一种形态—根部裂纹,并在应力的作用下扩张,造成结构的破坏。
3.3.3焊接接头的冷裂敏感性
冷裂敏感性的间接评价
碳当量法、热影响区最高硬度法是间接判断钢的可焊性的主要方法。
(1)65Mn钢的碳当量:(WES标准)Ceq=C+Mn/6+Si/24+(略)≈0.8 (%) Ceq值很高，钢材淬硬倾向大,易形成马氏体,冷裂敏感性大。
(2)热影响区最高硬度值：Hvmax=(1660·Ceq-166)±40 (HV)≈1560 (HV)。按照钢材的种类(调质钢或非调质钢)不同，规定允许的热影响区最高硬度Hvmax 不同(如HV350或HV450),超过规定限度应考虑预热或焊后热处理。
3.3.4裂纹产生的原因
65Mn-Q235异种钢焊接接头产生氢致延迟裂纹的原因，与65Mn钢产生延迟裂纹的原因一样也是有三个方面:
(1) 焊接扩散氢含量及其分布;
(2) 焊接接头的拘束应力;
(3)钢种的淬硬倾向,这三个因素(其中扩散氢为主导因素)在一定条件下,相互联系、相互制约和相互促进。
1、氢的作用
氢是焊接时产生氢致延迟裂纹的重要因素,焊缝中扩散氢的含量与焊条的类型、烘干温度以及焊后的冷却速度等因素有关。
如焊缝中含氢量超过某一临界值便开始出现裂纹,以后随含氢量的增多,裂纹的尺寸和数量也在不断增加。焊缝金属的含碳量总是控制(通过控制填充金属的含碳量及熔合比)在低于母材,因此焊缝金属在较高的温度就发生相变，氢向尚未发生奥氏体分解的热影响区中扩散。
由于65Mn钢一侧热影响区含碳量高,奥氏体分解温度远低于Q235一侧,故易形成富氢带,分解后的组织—马氏体易在扩散氢诱发下产生裂缝,并向热影响区或焊缝扩张,形成氢致延迟裂纹。
2、焊接接头的拘束应力
65Mn-Q235异种钢焊接时主要产生以下三种应力:
(1)焊缝和热影响区在不均匀加热和冷却过程中产生的热应力。(2)金属相变时,由体积变化而引起的内应力。
(3)结构自身拘束条件所造成的应力。焊接接头所承受的三种应力都是任何结构焊接时不可避免的。在65Mn-Q235异种钢焊接接头中产生的拘束应力,因母材与焊缝的热物理性质(比容、线胀系数、体胀系数)的特性不同,涉及的因素更为复杂,难以用也不宜用热处理的方法给予消除。
3、钢种的淬硬倾向
65Mn钢含碳量较高，焊接快冷时易淬硬。采取焊前预热、焊后热处理(或缓冷)是软化淬硬组织,减少焊接应力,防止延迟裂纹的重要工艺措施。
4 65Mn-Q235异种钢焊接工艺的拟定
4.1焊接方法的选择
由以上分析得知65Mn-Q235异种钢的焊接性很差，对于一般能满足使用性能的结构很少采
用该异种钢结构，因此其焊接生产量较少，并且大多是短焊缝，生产中多采用焊条电弧焊。这是因为焊条电弧焊与其他熔焊方法相比，具有下列特点：
1、操作灵活 焊条电弧焊之所以成为应用最广的焊接方法，主要是因为它的灵活性。由于焊条电弧焊设备简单、移动方便、电缆长、焊把轻，因而广泛应用于平焊、立焊、横焊、仰焊等各种空间位置和对接、搭接、角接、T形接头等各种接头形式的焊接。
在车间、野外施工现场均可采用。可以说，凡是焊条能达到的任何位置的接头，均可以采用焊条电弧焊方法焊接。对于复杂结构、不规则形状的构件以及单件、非定型结构的制造，由于可以不用辅助工具、变位机械、胎夹具等就可以焊接，所以焊条电弧焊适用性很广。
2、对接头装配要求低 由于焊接过程是由手工操作，可以适时调整电弧位置和运条姿势，及时修正焊接参数，以保证跟踪焊缝和均匀熔透。
3、可焊金属多
焊条电弧焊广泛用于低碳钢、低合金钢结构的焊接。选配相应的焊条，焊条电弧焊也常用于不锈钢、耐热钢、低温钢等合金钢结构的焊接，还可以焊接铸铁、铜合金、镍合金等材料，以及对耐磨、耐蚀等特殊使用要求的构件进行表面堆焊。
焊条电弧焊也缺点，与其他电弧焊相比，由于其使用的焊接电流小，每焊完一根焊条后必须更换焊条，以及因清渣而停止焊接等，所以这种焊接方法的熔敷速度慢，焊接生产率低，劳动强度大；
施焊过程由手工操作，焊缝质量很大程度上依赖于工人的操作技能及现场发挥；很重要的一点是建立低氢的焊接条件比较困难，焊接时应采用低氢型碱性药皮焊条。
4.2焊接材料的选择
在65Mn-Q235异种钢焊接构件中，65Mn钢一般是满足高硬度、耐磨的要求，其强度不作为设计基准，而是以Q235钢的强度为设计强度。因此，在选择焊接材料时，应以Q235钢为依据。
但是65Mn钢容易因为扩散氢含量高而导致延迟裂纹，所以选择焊接材料时还应该选择低氢型的。另外，根据异种钢焊接时，不同强度级别碳钢的焊接材料选择要点，一般要求焊缝金属或接头的强度不低于两种被焊金属的最低强度，选用的焊条熔敷金属的强度能保证焊缝及接头的强度，不低于强度较低侧母材的强度。
同时焊缝金属的塑性和冲击韧性，不低于强度较高而塑性较差一侧母材的性能。因此，可按两者之中强度级别较低的钢材选用焊接材料，为了防止焊接裂纹，应按强度级别较高，焊接性较差的钢种确定焊接工艺。
根据以上要求，65Mn-Q235异种钢焊接选用E4315低氢钠型焊条，并用直流反接施焊。焊条使用前应按规定烘干350℃×2h。由表4-1可以看出选用E4315型焊条能够满足工艺设计要求。
表4-1 E4315型焊条熔敷金属化学成分及力学性能
| 型号 | 熔敷金属化学成分/% | 力学性能 | |||||
| C | Mn | Si | бb／Mpa | бs／Mpa | δ5／% | Akv／J | |
| E4315 | ≤0.12 | ≤1.25 | ≤0.9 | ≥420 | ≥330 | ≥22 | ≥27 |
4.3接头形式及坡口设计
由前面分析，因为65Mn、Q235两种钢的化学成分、物理性质等方面有较大的差异，这就导致了焊接时有较大的内应力产生，所以65Mn-Q235异种钢焊接接头的设计，应尽量避开较大内应力的影响，选用对接接头。
坡口尺寸的大小及形状影响熔合比和焊接生产率，同时还应考虑母材的厚度。可以参照表4-2进行确定。
表4-2 接头及坡口形式
| 焊件厚度/mm | 接头形式 | α/° | δ/mm | β/mm |
| 4～8 | – | 1～3 | – | |
| 8～16 | 60 | 1～3 | 2～4 | |
| ＞16 | 60 | 1～3 | 2～4 |
4.4焊接参数的选择
4.4.1焊条直径
焊条直径可根据焊件厚度、接头型式、焊缝位置、焊道层次等因素进行选择。焊件厚度越大，可选用的焊条直径越大；T形接头比对接接头的焊条直径大，而立焊、仰焊及横焊比平焊时所选用焊条直径应小些，一般立焊焊条最大直径不超过5mm，横焊、仰焊不超过4mm；多层焊的第一层焊缝选用细焊条。焊条直径与厚度的关系见表4-3。
表4-3 焊条直径与焊件厚度的关系
| 焊件厚度/mm | 2 | 3 | 4～5 | 6～12 | ≥13 |
| 焊条直径/mm | 2 | 3.2 | 3.2～4 | 4～5 | 4～6 |
4.4.2焊接电流
焊接电流是焊条电弧焊中最重要的一个工艺参数，它的大小直接影响焊接质量及焊缝成形。当焊接电流过大时，焊缝溶深和余高增加，焊缝宽度减少，且有可能造成咬边、烧穿等缺陷；
当焊接电流过小时，焊缝窄而高，熔池浅，熔合不良，会产生未焊透、夹渣等缺陷。选择焊接电流大小时，要考虑焊条类型、焊条直径、焊件厚度以及接头型式、焊缝位置、焊道层次等因素。其中最主要焊条直径、焊接位置和焊道层次三大因素。
1.焊条直径 焊条直径越大，焊接电流就越大，如表4-4所示。
表4-4焊条直径与焊接电流的关系
| 焊条直径/mm | 1.6 | 2.0 | 2.5 | 3.2 | 4.0 | 5.0 | 6.0 |
| 焊接电流/A | 25～40 | 40～65 | 50～80 | 100～130 | 160～210 | 260～280 | 260～300 |
2.焊接位置
厚板或T形接头和搭接接头以及施焊环境温度低时，焊接电流应大些；平焊位置焊接时，可选择偏大些的焊接电流；横焊和立焊时，焊接电流应比平焊位置电流小10%～15%，仰焊时，焊接电流应比平焊位置电流小10%～20%；角焊缝电流比平焊位置电流稍大些。
3.焊道层次
在多层焊或多层多道焊的打底焊道时，为了保证背面焊道质量和便于操作，应使用较小电流；焊填充焊道时，为了提高效率，可使用较大的焊接电流；盖面焊时，为了防止出现焊接缺陷，应选用稍小电流。
4.当使用碱性焊条时，比酸性焊条的焊接电流减少10%左右。
4.4.3电弧电压
电弧电压主要影响焊缝宽度，电弧电压越高，焊缝就越宽，焊缝厚度和余高减少，飞溅增加，焊缝成形不易控制。电弧电压的大小主要取决于电弧长度，电弧长，电弧电压就高；电弧短，电弧电压就低。
焊接电弧有长弧与短弧之分，当电弧长度是焊条直径的0.5～1.0倍时，称为短弧；当电弧长度大于焊条直径时，称为长弧。一般在焊接过程中，希望电弧长度始终保持一致且尽量使用短弧焊接。
4.4.4焊接速度
焊接速度主要取决于焊条的熔化速度和所要求的焊缝尺寸、装配间隙和焊接位置等。当焊接速度太慢时，焊缝高而宽，外形不整齐，易产生焊瘤等缺陷；当焊接速度太快时，焊缝窄而低，易产生未焊透等缺陷。在实际操作中，应要把具体情况灵活掌握，以确保焊缝质量和外观尺寸满足要求。
4.4.5焊接线能量
线能量是指熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量。其计算公式如下：
（J/cm）
式中 E—焊接线能量，J/cm；
q—电弧有效功率，J/s；
v—焊接速度，cm/s；
η—电弧有效功率因数；
I—焊接电流，A；
U—焊接电压，V。
焊接线能量会影响焊缝的性能和质量，不同的钢材，焊接线能量最佳范围也不一样，一般通过工艺试验来确定线能量的范围，再根据线能量范围确定焊接工艺参数。
4.4.6焊接层数
当焊件较厚时，要进行多层焊或多层多道焊。多层焊时，后一层焊缝对前一层焊缝有热处理作用，能细化晶粒，提高焊缝接头的塑性。因些对于一些重要结构，焊接层数多些好，每层厚度最好不大于4～5mm。实践经验表明，当每层厚度为焊条直径的0.8～1.2倍时，焊接质量最好，生产效率最高，并且容易操作。
4.4.7定位焊
定位焊是指焊前为固定焊件的相对位置进行的焊接操作，俗称点固焊。定位焊所形成的断续而又短小的焊缝称为定位焊缝。在焊接结构的制造过程中，几乎所有零部件均先通过定位焊进行组装，然后再焊成一体，因而定位焊的质量将影响焊缝质量以至整个产品质量，应引起足够的重视。
进行定位焊时应主要考虑以下几方面因素：
1、定位焊焊条 定位焊缝一般作为正式焊缝留在焊接结构中，因而定位焊所用焊条应与正式焊接所用焊条型号相同，不能用受潮、脱皮、不知型号的或者焊条头代替。
2、定位焊部位 双面焊反面清根的焊缝，尽量将定位焊缝布置在反面；形状对称的构件上，定位焊缝应对称排列；避免在焊件的端部、角度等容易引起应力集中的地方进行定位焊，不能在焊缝交叉处或焊缝方向发生急剧变化的地方进行定位焊，通常至少应离开这些地方50mm。
3、定位焊缝尺寸 一般根据焊件的厚度来确定定位焊缝的长度、高度和间距。如表4-5所示。
表4-5 定位焊缝参考尺寸 单位：mm
| 焊件厚度 | 定位焊缝高度 | 定位焊缝长度 | 定位焊缝间距 |
| ＜4 | ＜4 | 5～10 | 50～100 |
| 4～12 | 3～6 | 10～20 | 100～200 |
| ＞12 | ＞6 | 15～30 | 200～300 |
4、定位焊工艺要求
1）定位焊缝短，冷却速度快，因而焊接电流应比正式焊缝电流大10%～15%。
2）定位焊起弧和结尾处应圆滑过渡，焊道不能太高，必须保证熔合良好，以防产生未焊透、夹渣等缺陷。
3）如定位焊缝开裂，必须将裂纹处的焊缝铲除后重新定位焊。在定位焊后，如出现接口不齐平，应进行校正，然后才能正式焊接。
4）尽量避免强制装配，以防在焊接过程中，焊件的定位焊缝或正式焊缝开裂，必要时可增加定位焊缝的长度，并减小定位焊缝的间距，或者采用热处理措施。
4.5焊前准备
焊接坡口的制备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证，特别是对装配要求较高时更不能得到满足。另外火焰切割不能避免氧化皮产生，还有可能造成增碳等不良后果，
所以为了减小火焰切割对焊接接头的影响，65Mn钢坡口的制备应先将其退火然后机械加工。Q235钢也尽量采用机械加工，以保证装配精度。对于坡口两侧5～7cm范围内的氧化铁皮、铁锈、油污、水等杂物应清理干净，以免焊接产生氢不利于焊接。
4.6焊前预热
重要构件的焊接、合金钢、高碳钢的焊接及厚部件的焊接，都要求在焊前必须预热。焊前预热的主要作用如下：
1、预热能减缓焊后的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹。同时也减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高了焊接接头的抗裂性。
2、预热可降低焊接应力。均匀地局部预热或整体预热，可以减少焊接区域被焊工件之间的温度差（也称为温度梯度）。这样，一方面降低了焊接应力，另一方面，降低了焊接应变速率，有利于避免产生焊接裂纹。
3、预热可以降低焊接结构的拘束度，对降低角接接头的拘束度尤为明显，随着预热温度的提高，裂纹发生率下降。
预热温度和层间温度的选择不仅与钢材和焊条的化学成分有关，还与焊接结构的刚性、焊接方法、环境温度等有关，应综合考虑这些因素后确定。另外，预热温度在钢材板厚方向的均匀性和在焊缝区域的均匀性，对降低焊接应力有着重要的影响。
局部预热的宽度，应根据被焊工件的拘束度情况而定，一般应为焊缝区周围各三倍壁厚，且不得少于150-200毫米。如果预热不均匀，不但不减少焊接应力，反而会出现增大焊接应力的情况。65Mn-Q235异种钢焊接时，65Mn、Q235两种钢都应预热150～200℃。
4.7焊后热处理
焊后热处理主要是指焊后消氢处理，是在焊接完成以后，焊缝尚未冷却至100℃以下时，进行的低温热处理。一般规范为加热到200～350℃，保温2～6小时。焊后消氢处理的主要作用是加快焊缝及热影响区中氢的逸出，对于防止焊接时产生焊接裂纹的效果极为显著。
在焊接过程中，由于加热和冷却的不均匀性，以及构件本身产生拘束或外加拘束，在焊接工作结束后，在构件中总会产生焊接应力。焊接应力在构件中的存在，会降低焊接接头区的实际承载能力，产生塑性变形，严重时还会导致构件的破坏。
消应力热处理是使焊好的工件在高温状态下，其屈服强度下降，来达到松弛焊接应力的目的。常用的方法有两种：一是整体高温回火，即把焊件整体放入加热炉内，缓慢加热到一定温度，然后保温一段时间，最后在空气中或炉内冷却。
用这种方法可以消除80%-90%的焊接应力。另一种方法是局部高温回火，即只对焊缝及其附近区域进行加热，然后缓慢冷却，降低焊接应力的峰值，使应力分布比较平缓，起到部分消除焊接应力的目的。
异种钢在进行焊后热处理时应注意以下几点：
1、当焊件中有强烈淬火倾向的珠光体材料时，焊后应立即进行回火。
2、为了防止焊接变形，焊前预热的焊件装炉温度不得高于350℃；焊后立即进行回火的焊接构件装炉温度不低于450。
3、升温速度取决于被焊钢材的化学成分、焊件类型和壁厚、加热炉功率等因素。可根据焊件厚度δ，按200×25／δ(℃／h)计算。当焊件厚度＞25mm时，回火的升温速度应小于200℃／h。
4、在回火的保温过程中，大件、厚件温差不超过±20℃。
5、进行局部回火时，应保证焊缝两侧有均匀的加热宽度。
6、为消除构件的热应力和变形，冷却速度应小于200℃／h或小于200×25／δ(℃／h)。（当焊件厚度δ＞25时）。有回火脆性的钢构件回火时，温度不能取在脆性温度范围内，通过这一温度区间时应快冷。
5 焊接试验
5.1试件的制备
用机械加工的方法制备100×150厚12（单位:mm）的65Mn、Q235钢试件各一块。如图5-1示:
5.2焊前准备
1、焊前严格清理悍件表面的油污、水分、氧化铁皮、铁锈等杂物。
2、选用E4315焊条，焊前烘干350℃×2h。
5.3焊接规范
1、焊条直径ф3.2、4.0。
2、电源种类与极性 直流反接。
3、焊接电流 100～130A（ф3.2） 140～180A（ф4.0）。
4、电弧电压 24～25V（ф3.2） 25～27V（ф4.0）。
5、焊前预热 150～200℃。
6、焊后热处理 焊后200～350℃×2h回火。
5.4焊接操作
按图示顺序焊接，第一层用ф3.2焊条、焊接电流100～130A、电弧电压24～25V,其余各层用ф4.0焊条、焊接电流140～180A、电弧电压25～27V。焊接时，下一层焊缝的弧坑应避免出现在上一层的弧坑处。
5.5试验分析
1、表面平均裂纹率
式中 —表面裂纹率（%）；
—表面裂纹长度之和（mm）；
—试验焊缝长度（mm）。
2、根部平均裂纹率
式中 —根部裂纹率（%）；
—根部裂纹长度之和（mm）；
—试验焊缝长度（mm）。
6 结论
经过焊接实践验证焊接可以得到满足使用性能的优质焊缝，但是制订焊接工艺时，由于其特殊的焊接性要求，生产中应特别注意一下几个方面：
1、焊前预热防止冷却速度过快产生淬硬组织增加冷裂纹形成的倾向。
2、采用低氢型焊条并且严格烘干、保温，减少扩散氢的含量，降低延迟裂纹形成的可能性。
3、拟订合理焊接工艺参数 线能量过大易产生粗大的过热组织，因晶粒粗化和难溶质点的溶解都使过冷奥氏体稳定性提高，得到马氏体组织；线能量过小焊缝成形不良，冷却过快内应力较大易产生冷裂纹源。合理的线能量应该在////。焊接工艺参数的拟订应根据焊条直径和工人熟练程度确定出焊接电流、再确定电弧电压、最后确定焊接速度。
4、按照工艺规范严格清理母材。
5、避免强力装配，减少约束应力。
6、定位焊也应按照工艺规范施焊。
7、对质量要求相对严格的焊后应进行200～350℃×2h回火。实际生产中根据生产条件应多
次试验，最后得出符合现行条件的焊接工艺规范