异种金属焊接

1异种金属焊接技术何康生、曹雄夫编著机械工业出版社1986年10月第一版随着现代工业的发展，对结构和材料的要求越来越高，如造船和海洋工程要求解决大面积拼板、大型立体框架结构自动焊及各种低合金高强钢的焊接问题；石油化学工业要求解决各种耐低温及耐各种腐蚀性介质压力容器的焊接问题；航空航天工业中要求解决铝、钛等轻合金结构的焊接问题；重型机械工业中要求解决大截面构件的拼接问题；电子及精密仪表制造工业要求解决微精密焊件的焊接问题。工业产品的结构调整及技术进步对焊接技术提出了更高的要求，同时也促进了传统焊接工艺的变革与新型焊接技术的开发与应用。优质、高效、节能的现代焊接技术正逐步取代能耗大、效率低和工作环境差的传统焊条电弧焊焊接工艺，焊接技术结构性的转变必将对装备制造业技术水平与生产能力的提升发挥更加重要的作用。现代化动力机械、化工和石油加工设备以及多种食品的许多零部件，都要在高温、巨大的载荷、强烈浸蚀性介质、电磁场或放射性环境中长期工作。因此，用来制造这些零部件的材料，必须是满足上述要求的特殊材料，如高合金钢、有色金属以及专用合金等。显然，如果整个设备和仪器都采用贵重材料制造，不但会使生产工艺过程大为复杂化、显著提高设备和仪器的造价、更重要的是满足不了使用要求。此外，运载火箭、航天器、超音速飞机、现代化的潜艇等部门的发展更与材料性能紧密相关，这些部门要求使用的材料在低温和高温下有很高的比强度，以及在振动和高速运行时，具有足够的强度和寿命，以保证长期工作的可靠性。目前对所有材料的性能分析表明，单独使用任何一种材料都不能同时满足上述的全部要求。通常，任何一种构件在使用过程中，其各部分所承受的载荷并不一致，一部分零件的工作条件较差，可能接近许用应力的极限值，而另一部分零件的工作条件可能只承受很小的应力。显然，在这种场合下，应用异种金属焊接结构就比较合理。把异种金属零件连接成一个整体部件，焊接常常是最好的方法。有时也可以采用钎焊，但接头的强度和耐腐蚀等性能往往受到钎料性能的限制，不容易满足较高的使用要求。现有的机械连接法不但连接工艺复杂，而且在使用过程中多半不能满足可靠性要求。一些常用金属的主要物理性能金属密度熔点比电阻线膨胀系数导热系数热容量晶格类型晶格参数20℃℃28℃0～100℃0～500℃0～500℃20℃㎏/m3Ω.m.10-8℃.10-6W/m.KJ/㎏.Km.10-6Al27006602.624.0204880面心立方4.040V60001735268.330体心立方3.033W1930034105.54.0164525体心立方3.158Fe780015399.711.978460体心立方2.860Co890014956.212.569453稠密立方2.502/4.061Cu890010831.616.5390380面心立方3.608Mo1020026255.15.1152268体心立方3.140Ni890014556.813.558444面心立方3.516Nb8500241513.16.252284体心立方3.294Sn730023211.521.064230正方晶格5.819/3.175Pb1130032720.629.535130面心立方4.493Ag105009601.618.9420210面心立方4.077Ta16600299612.46.656146体心立方3.295Ti45001820804.513578稠密立方2.953/4.729Zn71004195.930.0112370稠密立方2.659/4.9352Zr65001750415.4～5.817289稠密立方3.223/5.123常见异种金属组合、焊接方法及焊缝中的形成物被焊金属焊接方法焊缝中的形成物熔焊压焊溶液金属间化合物钢＋Al及Al合金电子束焊、氩弧焊冷压焊、电阻焊、扩散焊、摩擦焊、爆炸焊在α-Fe中Al0～33%FeAl；Fe2Al3；Fe2Al7钢＋Cu及Cu合金氩弧焊、埋弧自动焊，电子束焊，等离子焊、电渣焊摩擦焊、爆炸焊在γ-Fe中Cu0～8%在α-Fe中Cu0～14%——钢＋Ti电子束焊、氩弧焊扩散焊、爆炸焊在α-Ti中Fe0.5%在β-Ti中Fe0～25%FeTi，Fe3Ti钢＋Mo扩散焊在α-Fe中Mo含量可达6.7%FeMoFe3Mo2Fe7Mo8钢＋Nb在α-Fe中Nb可达1.8%在γ-Fe中Nb可达1.0%FeNbFe2NbFe2Nb5钢＋V连续系列VnCm型碳化物钢＋Ta电子束焊有限溶解Fe2TaAl＋Cu氩弧焊埋弧自动焊冷焊、电阻焊、爆炸焊、扩散焊Al在Cu中溶解到9.8%以下CuAl2Al＋Ti扩散焊、摩擦焊Al在α-Ti中溶解到6%以下TiAl，TiAl3Ti＋Ta电子束焊氩弧焊连续系列——Ti＋CuCu在α-Ti中溶解到2.1%以下,在β-Ti中溶解到17%以下Ti2Cu，TiCu，Ti2Cu3，TiCu2，TiCu3Cu＋Mo电子束焊扩散焊————Cu＋Ta——特种焊接技术的应用范围焊接方法材料接头形式板厚焊件种类钢铁非铁金属对接T形接头搭接薄板厚板超厚板建筑机械车辆桥梁船舶压力容器核反应堆汽车飞机家用电器电子束焊ABABABABBABBBBBABB激光焊AAACAABCBBBCCBBAAB等离子弧ABABAABBBAABBAABBC扩散连接AABBABACBABBBBBBAB3摩擦焊ABACDBCCBABCCCCBCC超声波焊AADCAACDDCDDDDCBBB爆炸焊AAABABAABBBBABBBCC冷压焊BBCCAACDDCDDCDCCCB热压焊ADABCCACBCCCCCDCCD注：A——表示最佳；B——表示较好；C——表示差；D——表示最差。电子束焊异种金属时所采用的中间过渡层金属被焊金属过渡层金属Ni＋TaPtMo＋钢Ni铬镍钢＋TiV铬镍钢＋ZrV钢＋硬质合金Co、NiAl＋CuZn、Ag黄铜＋PbSn低合金钢＋碳钢10MnSi8电子束焊的异种金属组合AlBeCuGeAuFeMgMoNiPdPtSiAgTaIrTiWZrVU☺☺☺☺☺☺☺☺Al☺☺☺☺☺Be☺☺☺☺☺☺☺☺Cu☺☺Ge☺☺☺☺Au☺☺☺☺☺☺☺☺☺Fe☺Mg☺☺Mo☺☺☺☺☺☺☺☺NiPb☺☺Pt☺Si☺Ag☺TaIr☺☺☺Ti☺W☺☺Zr☺VU激光焊的异种金属组合AlMoFeCuTaNiSiWTiAuAgGeCo☺☺☺☺Al☺☺Mo☺☺☺Fe☺☺☺☺Cu4☺☺Ta☺☺☺☺☺Ni☺Si☺W☺Ti☺☺Au☺AgGe☺Co☺——焊接良好电阻焊的异种金属组合123456789101112131415▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲1铁▲▲▲▲▲▲▲▲2未氧化过的钢（C～0.20%）▲▲▲▲▲▲▲3酸洗过的钢（C～0.20%）▲▲4炉中加热的钢5粗钢6高强度合金钢▲▲▲▲▲7含Co钢▲▲▲▲8镀锌钢▲▲9镀锡钢▲▲10镀铬钢▲11FeCr合金(70/30)▲▲▲12Fe-Cr-Ni合金(74/18/8)13FeNi合金(64/36)▲14FeNi合金(50/50)15FeNiCo合金(54/29/17)161718192021222324252627282930▲16Ag17Al▲18Al合金▲19Au▲▲▲▲▲20Cd▲▲21Cu22CuAl合金(96/4)▲23CuBe合金(97.5/2.5)▲▲▲24CuSn合金▲▲▲▲▲25CuZn▲▲26Mo▲▲▲27镍黄铜▲▲▲28Ni▲29锌白铜30W注：▲——焊接性良好5贮能焊的异种金属组合1234567891011▲▲▲▲1、Al▲▲▲2、Ag▲▲▲▲▲▲3、Fe、Ni合金▲▲▲▲▲▲▲4、Cu、Ni合金▲▲▲▲▲▲5、Ni▲▲▲6、黄铜▲▲7、Cu▲▲▲8、钢▲▲▲9、Mo▲▲10、W▲11、Ta注：▲——焊接性良好冷压焊的异种金属组合TiCdBePdPtSnPbWZnFeNiAuAgCuAi▲▲▲▲Ti▲▲▲CdBe▲▲Pd▲▲▲▲▲▲▲▲▲Pt▲▲Sn▲▲▲▲▲▲▲Pb▲W▲▲▲▲▲▲Zn▲▲▲▲Fe▲▲▲▲▲Ni▲▲▲▲Au▲▲▲Ag▲▲Cu▲Al注：▲——焊接性良好超声波焊的异种金属组合123456789101112131415161718▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲1Al及Al合金▲▲2Be及Be合金▲▲▲▲▲▲▲▲▲3Cu、黄铜▲▲4Ge▲▲▲▲▲5Au▲▲▲▲▲▲▲▲6Fe、钢▲▲▲7Mg及Mg合金▲▲▲▲▲8Mo及Mo合金▲▲▲9Ni及Ni合金▲▲10Pb及Pb合金6▲11Pt及Pt合金▲12Si▲▲▲13Ag及Ag合金▲14Ta及Ta合金▲15Sn▲16Ti及Ti合金▲17W及W合金▲18Zr及Zr合金注：▲——焊接性良好摩擦焊的异种金属组合1234567891011121314151617181920▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲1Al▲▲▲▲▲▲2杜拉铝▲3铅▲▲4青铜▲▲5铸铁▲▲6Cu▲▲▲▲7电解铜▲▲8黄铜▲▲▲9蒙乃尔▲10Ni▲▲▲▲11NiCrTi合金▲12Ag▲▲▲13结构钢▲▲14合金钢▲▲15不锈钢▲16Ta▲17Ti▲18W19V▲20Zr注：▲——焊接性良好爆炸焊的异种金属组合1234567891011121314151617181920212223242526272829●●●●●●●●1●●●●●●●●●●●●●●●2●●●●●●●●3●●●●●4●5●●●●●●●●●●●●●●●6●●●●●7●●8●●●9●107●●●●11●●●●●●12●13●14●15●●16●17●●●●18●●19●20●21●22●23●24●2526●●27●2829注：●——焊接性良好。1、低碳钢；2、中碳钢；3、低合金钢；4、合金钢；5、铸钢；6、不锈钢；7、Ni及Ni合金；8、因康洛依；9、因康镍；10、蒙乃尔；11、哈斯特洛依；12、Cu；13、BeCu；14、黄铜；15、青铜；16、Al；17、Be；18、Nb；19、Nb合金；20、Au；21、铪；22、Mg；23、Mo；24、Pt；25、Ag；26、Ta；27、W；28、Ti；29、Zr扩散焊的异种金属组合123456789101112131415161718192021222324●●●●●●1●●●2●34●●5●●6●7●●8●9●●●●●1011●●●●●●12●●●13●●●14●1516●1718●●198●2021●2223●241、Al；2、Be；3、Pb；4、玻璃；5、石墨；6、灰口铸铁；7、硬质合金；8、陶瓷；9、康铜；10、柯氏合金；11、塑料；12、Cu；13、Mo；14、Ni；15、Nb；16、磷青铜；17、Ag；18、碳钢；19、高合金钢；20、Ta；21、Ti；22、W；23、钢青铜；24、Zr注：●——焊接性良好。金属压焊的理论基础压焊是在低于被焊金属熔点的温度下，不添加填充金属，施加一定的压力，使接头产生必要的塑性变形，实现焊接的方法。压焊的机理极为复杂，它是理论家和工程师们长期以来所注意的课题，也是长期争论的内容，而且迄今为止，许多机理还远未被人们所揭示和了解。一、薄膜学说薄膜理论认为，焊接性并不取决于材料本身的性能，而是决定于零件被焊接表面的状态。只要去掉被焊金属表面的油膜和氧化膜，在协调一致变形（相互接触的两种不同金属在外力作用下，产生变形方向和变形速度相同的塑性变形，称为协调一致的变形）过程中，使被焊零件互相接近到原子间力的作用范围内，就能形成焊接接头。他们把氧化膜分成硬而脆的，和韧而易变形的两类。当金属零件冷变形时，硬而脆的氧化膜即被粉碎，裸露出清洁的金属层，当它们相互接近到原子间力的作用距离时，就牢固的结合在一起；如果金属表面上的薄膜是韧而易变形的，在塑性变形时，易变形的氧化膜就会随同金属一起流动，而阻碍接头的形成。试验证明，两种被焊材料原子直径不同，对焊接过程的影响最大。用接触面上结晶方向不同的单晶体所做的试验表明，结晶的方向对金属的相互结合力也有很大的影响。此外，目前已经采用压焊的方法焊接金属与非金属材料，例如用扩散焊焊接金属与陶瓷，而陶瓷本身就是