材料焊接性第8章异种材料的最新版本

.,第8章异种材料的焊接,.,8.1异种材料的分类、组合及焊接性特点,8.1.1异种材料的分类和组合,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,8.2.1异种钢的焊接性分析,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”。,表8.2焊条电弧焊和堆焊时基体金属的熔合比/%,.,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。,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。,.,8.2.3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8.5不锈复合钢焊接材料的选用,.,复层钢的焊接工艺要点,坡口形式和焊接顺序,工艺要点,焊后热处理,对于复合钢板接头设计和坡口形式，薄件可采用I形坡口，较厚的复合钢板可采用V形、U形、X形、V和U复合坡口。一般尽可能采用X形坡口双面焊。,复合钢的焊接顺序：先焊基层，再焊过渡层，最后焊复层，同时考虑过渡层的焊接特点，尽量减少复层一侧的焊接量。,首先必须保证复合钢工件装配的质量，一般对接接头间隙约1.52mm，保证不错边。先焊基层，第一道基层焊缝不应熔透到复层金属，基层焊完后，用碳弧气刨、铲削或磨削法清理焊根，经X射线探伤合格后，才能焊接过渡层。,在不锈复合钢的焊接接头中，不进行复层的固溶处理，一般也不进行消应力热处理。但是，在极厚的复合钢的焊接中，往往要求中间退火和消应力热处理。,.,8.3钢与有色金属的焊接,8.3.1钢与有色金属的焊接性特点,焊接裂纹,生成脆性化合物,焊缝中的气孔,钢与有色金属的熔点、导热系数、线膨胀系数、力学性能都有很大的差别。焊接时低熔点的母材先熔化，而高熔点的母材仍处在固体加热状态，二者难以熔合。,钢与有色金属焊接时，由于Al、Cu、Ti等在Fe中的溶解度不同，接头处除形成固溶体外，还会形成脆性化合物，影响接头性能。,钢与钛、镍及其合金焊接时，焊缝中很容易产生气孔。这是因为Ti、Ni基体在高温下易吸收、溶解较多的H、O、N，熔池凝固结晶时这些气体来不及析出，就会形成气孔。,.,表8.9有色金属与钢焊接常出现的问题、产生原因及防止措施,.,8.3.2钢与铝及铝合金的焊接,焊接性分析,钢与铝及其合金焊接时，由于Fe在固态Al中的溶解度极小，室温下，Fe几乎不溶于Al，所以冷却过程中会产生FeAl3，并且随着Fe含量的增加，还会出现Fe2Al、Fe2Al7、Fe2Al5、FeAl2等脆性金属间化合物，降低接头的塑韧性，甚至会引起焊接裂纹。,.,焊接工艺要点,焊接方法和焊接材料,焊前准备,焊接工艺及参数,钢与铝及其合金熔焊一般采用氩弧焊、电子束焊等方法。此外，采用摩擦焊、超声波焊、扩散焊和冷压焊等压焊方法,焊前必须彻底清理待焊工件表面，消除氧化物薄膜。对铝件的表面处理可以用15%-20%NaOH或KOH溶液浸蚀，浸蚀后用清水冲洗，然后在20%的HNO3水溶液中钝化，冲洗和干燥之后，放在干净的环境中待焊。,钢与铝及其合金氩弧焊时，电弧要指向铝及其合金一侧的焊丝上,采用摩擦焊时，应尽量缩短接头的加热时间并施加较大的挤压力,采用冷压焊焊接钢与铝及其合金，有两种焊接工艺，一种是在Al+Al3Fe的共晶温度以上焊接；另一种工艺是先在钢件上涂敷Cu、Ag或Zn，然后再进行冷压焊。,.,8.3.3钢与铜及铜合金的焊接,焊接性分析,钢与铜焊接存在的主要问题是焊缝易产生热裂纹、热影响区易产生渗透裂纹。,钢与铜焊缝金属的化学成分对渗透裂纹的形成及裂纹长度有很大影响。,热裂纹主要与低熔共晶、晶界偏析以及钢与铜的线膨胀系数相差较大有关。焊缝中出现低熔点共晶或是铜的晶界偏析，在较大的焊接应力作用下，产生热裂纹。,.,焊接工艺要点,焊接方法和焊接材料,坡口形式,焊接工艺及参数,可以采用手工电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊和电子束焊等。,低碳钢板厚度小于4mm，一般不开坡口，厚度大于4mm时要开V形坡口，坡口角度为60-70，钝边为1-2mm，可不留间隙。厚度大于10mm的开不对称V形坡口，坡口角度为60-70，铜一侧角度稍大于钢一侧，钝边3mm，间隙0-2mm。,钢与铜及其合金焊接应采用小直径焊条或焊丝、小电流、快速焊，不摆动的焊接工艺。施焊过程中，控制焊接电弧必须指向铜及其合金一侧，偏离钢一侧，距坡口中心约为5-8mm，尽量减少钢一侧的熔化量，采用熔焊-钎焊工艺。,.,1.珠光体钢与奥氏体钢焊接时，从焊接性角度分析应注意哪几个问题，为什么？2.如果低合金结构钢焊缝根部第1层用不锈钢焊条焊接，第2层用结构钢焊条焊接，分析这种组合焊缝是否合理？两层焊缝交界区的组织性能有什么特点？所用的不锈钢焊条应选用何种合金系，为什么？,.,3.什么是碳迁移过渡层？焊接异种钢时如何防止碳的扩散迁移？4.低合金钢（Q345）与0Cr18Ni9Ti不锈钢焊接时，为什么有时要在低合金钢母材一侧的坡口面上堆焊过渡层？5.异种钢焊接时，可否在奥氏体钢一侧的坡口面上用低合金钢或碳钢焊条堆焊过渡层，然后再与低合金钢或碳钢焊接？为什么？,.,6.为什么采用熔焊方法很难实现有色金属与钢的可靠连接？分析有色金属与钢焊接时出现的