第8章 异种金属的焊接

第8章异种金属的焊接图8-1几种异种金属焊接结构（a）不锈钢与低碳钢的焊接（b）耐热钢与低碳钢的焊接（c）不锈钢与黄铜的焊接（d）铝合金与紫铜的焊接（c）（d）异种钢异种金属钢与有色金属异种有色金属8.1异种金属焊接概述知识目标：1.了解异种金属焊接的应用及类型；2.熟悉异种材料的焊接性特点；能力目标：能够根据异种材料的性能特点正确分析其焊接性。8.1.1异种材料的分类和组合分类异种材料焊接组合焊接问题实例1异种钢焊缝化学成分不均匀、熔合区塑性降低(脆性层)、产生裂纹(应力分布不均匀)如珠光体钢与奥氏体钢的焊接、复合钢的焊接结构等2钢与有色金属氧化导致的未熔合、气孔、裂纹、接头力学性能低如钢与铝的焊接、钢与铜的焊接3异种有色金属氧化性导致的未熔合、脆性相、气孔、裂纹如铜与铝的焊接、铝与钛的焊接等4金属与非金属界面结合(润湿性)、脆性相、裂纹、接头性能下降如钢与石墨的焊接、金属与陶瓷的焊接、金属间化合物与钢的焊接等表8.1异种材料焊接的分类、组合及特点不同化学成分和金相组织的异种钢母材金相组织相同复合钢焊接结构件母材金相组织不同的异种钢焊接构件例低碳钢与铬钼耐热钢、1Cr18Ni9Ti与高镍奥氏体钢（如Cr25Ni20、Cr16Ni36）之间的焊接。最常见的有珠光体钢与铬镍奥氏体钢、珠光体钢与高铬铁素体钢的焊接结构件等这类结构件是用低碳钢或低合金钢做基层，用不锈钢或有色金属（Ti、Cu、Al等）做复层，采用复合轧制、爆炸焊、堆焊等工艺制成的双金属板材。不同用途的异种材料焊接结构件用于耐磨的异种金属焊接构件用于耐热的异种金属焊接构件用于耐腐蚀的异种金属焊接构件用于减轻装备重量的异种金属焊接构件提高电磁性能的异种金属焊接构件如不锈钢、耐热钢、镍基合金、钴基合金、耐热超合金、复合材料、金属间化合物以及钽、铌、钼合金等如高碳钢、各种合金钢、高锰钢、超合金、碳化钨等硬质合金如各种不锈钢、镍基合金、铜、铝、钛、钽及其合金等。如钛、铝、镁及其合金等，主要用于航空航天、运载火箭、导弹、运输设备等。如银、铜、铍及其合金等，主要用于制造电器、计算机、电子工业零件等8.1.2异种材料的焊接性特点指将不同化学成分、不同组织性能的两种或两种以上金属，在一定的工艺条件下焊接成规定设计要求的构件，并使形成的接头满足预定的服役要求。异种材料的焊接异种材料的焊接性取决于两种材料的组织结构、物理化学性能等，两种材料的这些性能差异越大，焊接性越差。异种材料焊接的困难异种材料的线膨胀系数不同，容易引起热应力，而且这种热应力不易消除，结果会使接头处产生裂纹或很大的焊接变形。异种材料焊接过程中，由于金相组织的变化以及新生成的组织或化合物，可使焊接接头的性能恶化，给焊接带来很大的困难。异种材料焊接熔合区和热影响区的力学性能较差，特别是塑性和韧性明显下降。由于接头塑韧性的下降以及焊接应力的存在，异种材料焊接接头容易产生裂纹，尤其是焊接热影响区更容易产生裂纹，甚至发生断裂。影响异种材料焊接性的因素热物理性能的差异结晶化学性能的差异材料的表面状态两种材料热物理性能的差异主要是指熔化温度、线膨胀系数、导热系数等的差异，它们将影响焊接热循环过程、结晶条件，降低焊接接头的质量。结晶化学性能的差异主要是指晶格的类型、晶格参数、原子半径、原子的外层电子结构等的差异，也就是通常所说的“冶金学上的不相容性”。材料的表面状态，如表面氧化层（氧化膜）、结晶表面层、吸附的氧离子和水份、油污、杂质等，异种材料焊接方法熔焊压焊熔焊在异种材料焊接中应用很广，主要的熔焊方法有电弧焊、气体保护焊、电子束焊、激光焊等。异种材料焊接常采用压焊方法主要有电阻焊、冷压焊、扩散焊、摩擦焊等。还可以采用钎焊方法来连接异种材料构件8.2异种钢的焊接知识目标：1.掌握异种钢的焊接性特点及分析方法；2.掌握异种钢焊接的工艺特点；3.熟悉典型异种钢的焊接方法。能力目标：能够根据异种钢的性能特点正确分析其焊接性，并合理选择焊接方法及工艺参数对其焊接。8.2.1异种钢的焊接性分析异种钢焊接种类：1）母材金相组织相同，焊缝金属与母材基体合金系和组织不同2）母材金相组织不同3）复合钢焊接结构件•异种钢焊接主要问题：–焊缝成分的稀释–熔合区凝固过渡层的形成–碳迁移扩散层–接头的应力状态1.焊缝成分的稀释焊缝成分的稀释（熔合比）焊缝金属实际上是熔敷金属与熔化的基体金属混合在一起的合金。基体金属（母材）溶入焊缝后使其合金元素比例发生变化，焊缝中合金元素比例减小称为“稀释”，若比例增加则称为“合金化”。焊层手工电弧焊的坡口角度15°60°90°手工电弧堆焊148~5043~4540~4330~35240~4335~4025~3015~20336~3925~3015~208~12435~3720~2512~154~6533~3617~228~122~3632~3615~206~1027~1030~35———表8.2焊条电弧焊和堆焊时基体金属的熔合比/%稀释：焊缝中合金元素比例减小的现象合金化：焊缝中合金元素比例增大的现象（1）由于珠光体钢的稀释作用，会引起焊缝的组织和性能都要发生较大的变化，若填充金属选择不当，则焊缝中会出现数量不等的马氏体，塑性及韧性都将下降；（2）通过调整填充金属的成分及熔合比，可以在很大范围内改变焊缝的成分、组织与性能，从而获得抗裂性较高的组织。2.熔合区凝固过渡层的形成熔池边缘的液态金属温度较低、流动性较差、液态停留时间较短，机械搅拌作用较弱，导致熔化的母材不能与填充金属充分混合，这部分焊缝中母材熔化金属所占的比例较大。因此，在毗邻珠光体钢一侧熔合线的焊缝金属中，就会形成一层与内部焊缝金属成分不同的过渡层。过渡层中的高硬度马氏体组织会使脆性增加，塑性显著下降，形成低塑性带，从而降低了焊接结构的可靠性。低塑性带的宽度随所用焊条的不同而异，一般为0.2-0.6mm熔合过渡区的形成异种钢焊接接头塑性和韧性降低的主要原因是熔合区出现马氏体脆性层。熔合区马氏体脆性层的宽度与焊接工艺和填充材料等有关。马氏体脆性层碳迁移扩散层奥氏体和珠光体异种钢在焊接过程中，特别是接头处于热处理及高温运行过程中，熔合区附近存在碳的扩散迁移，在熔合区靠珠光体钢一侧产生脱碳层，而在相邻的靠奥氏体焊缝一侧产生增碳层。3.焊接接头的应力状态珠光体钢与奥氏体钢焊接时，接头在焊后除了产生由于局部加热而引起的热应力外，还有由于两种钢的热膨胀系数相差很大，不仅在焊接后会产生较大的残余应力，而且在使用中如有循环温度的作用，也会形成热应力，因而这种异种钢的焊接接头应力状态较之同种金属焊接时更为复杂。更重要的是由于热膨胀系数不同所形成的残余应力，经过热处理是无法消除的。接头区应力状态异种钢接头在回火加热时发生了应力松弛过程，但在随后冷却过程中，随着弹性性能的恢复，异种钢焊接接头不均匀的热收缩性会重新引起残余应力，这属于“回火残余应力”。8.2.2异种钢的焊接工艺特点焊接方法及焊接材料焊接工艺要点珠光体钢与奥氏体钢焊接时，常规的手工电弧焊和气体保护焊都可采用。针对奥氏体和珠光体异种钢的焊接，一般选用Cr25-Ni13系焊条，如E309-15、E309-16等。焊接珠光体和奥氏体异种钢接头时，应尽量降低熔合比，减少焊缝金属被稀释。为此应减小焊条或焊丝直径，采用大坡口、小电流、快速多层焊等工艺。焊接材料的选择原则：A、保证焊缝金属与基体金属有良好的力学性能，一般根据接头两侧焊接性较差或强度较低的材料选择焊接材料；B、保证焊缝金属具有一定的致密性，无气孔、夹杂；C、保证有良好的工艺性能，即不出现裂纹、适应各种位置焊接；D、保证焊缝金属具有所要求的特性，如热强性、耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等；E、对不能形成固溶体的异种金属，可在良种被焊的异种金属之间加能形成固溶体的中间过渡层。8.2.3典型异种钢的焊接举例：A、不同强度等级铁素体或珠光体型钢之间的焊接（如20G＋15CrMoG），其总的特点是线膨胀系数按近、导热系数相差不大。因而主要考虑运行时工作应力平滑过渡、组织稳定，一般选用成分或强度（常温强度和高温强度）介于两者之间的焊接材料。B、碳钢或低合金、高合金钢与奥氏体不锈钢焊接，要考虑稀释、碳扩散和热应力三方面的问题，同时还要考虑焊接工艺性及使用条件：a、当产品工作温度≤400℃时，通常选用A307或A507；b、当产品工作温度400℃或焊接接头要求热处理时，则受压元件对接接头可选用镍基焊接材料，而受压元件与附件的焊接选用高铬镍不锈钢焊接材料。•隔离层堆焊法为了防止因应力过高而在回火处理或使用过程中在熔合区出现开裂现象，可以在珠光体钢的坡口表面堆焊含有较多的强碳化物形成元素过渡层（如高铬镍奥氏体钢焊条或镍及镍合金电焊条Ni307）。过渡层厚度一般为6-9mm。为防止凝固过渡层，可在P钢的坡口先堆焊一层23-13之类的A金属隔离层，这样可使P钢在拘束度极小的情况下焊接；堆焊隔离层时，应避免在A钢上熔敷碳钢或低合金钢，从而导致形成脆硬的M组织焊缝；为防止碳迁移现象，可先在P钢的坡口上用V、Nb、Ti等含量较高的焊条堆焊第一隔离层，再用适当的A焊条堆焊第二隔离层；（广泛用于不锈钢管与低合金钢管的焊接）图8-1异种钢焊接中的隔离层堆焊例：16Mn钢与0Crl8Ni11Ti钢的焊接采用焊条电弧焊进行16Mn+0Crl8Ni11Ti异种钢的焊接，两金属母材厚度δ均为l2mm，焊接工艺要点如下：（1）接头及坡口形式如图所示：（2）清理坡口将坡口及其边缘彻底清理干净，使之露出金属光泽。（3）堆焊过渡层选用Ni112（焊缝主要成分wNi＞92％）镍基合金焊条在16Mn钢母材金属的坡口上堆焊过渡层，堆焊层厚度为3.2mm。（4）焊满坡口选用E318-16（A212）焊条将整个坡口填满。焊每道焊缝时，注意及时清理焊渣，为防止过热，各道焊缝应交叉进行焊接。（5）背面焊缝正面坡口焊满后，对焊缝背面进行彻底清根，并选用上述同样焊条进行封底焊接，注意保证正、反面，焊缝形状尺寸。8.2.4不锈复合钢的焊接不锈复合钢板是由较厚的珠光体钢（基体）和较薄的不锈钢（复层）复合轧制而成的双金属板。基体多为碳钢或低合金钢，复层多为奥氏体不锈钢，如1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti、Cr23Ni28Mo3Cu3Ti等，主要满足耐蚀性能要求。复层通常是在容器里层，厚度一般只占复合钢板总厚度的10%-20%。不锈复合钢的焊接性分析焊缝容易产生结晶裂纹热影响区易产生液化裂纹稀释率的影响结晶区间的影响复合钢焊接时，奥氏体钢热影响区由于受焊接热循环影响，低熔点杂质或共晶液化，在焊接应力作用下产生液化裂纹。表8.3不锈复合钢焊接材料的选用复合钢的组合基体过渡区复层Q235/0Cr13E4303E4315E309-16(E1-23-13-16)E309-15(E1-23-13-15)E308-16(E0-19-10-16)E308-15(E0-19-10-15)16Mn/0Cr1315MnV/0Cr13E5003,E5015E5515-GE309-16(E1-23-13-16)E309-15(E1-23-13-15)E347-16(E0-19-10Nb-16)E347-15(E0-19-10Nb-15)12CrMo/0Cr13E5515-B1E309-16(E1-23-13-16)E309-15(E1-23-13-15)E347-16(E0-19-10Nb-16)E347-15(E0-19-10Nb-15)Q235/1Cr18Ni9TiE4303E4315E309-16(E1-23-13-16)E309-15(E1-23-13-15)E347-16(E0-19-10Nb-16)E347-15(E0-19-10Nb-15)16Mn/1Cr18Ni9Ti15MnV/1Cr18Ni9TiE5003,E5015E5515-GE309-16(E1-23-13-16)E309-15(E1-23-13-15)E347-16(E0-19-10Nb-16)E347-15(E0-19-10Nb-15)Q235/Cr18