现代焊接与连接工程学(章3)

现代焊接与连接工程学

ModernWeldingandJoiningEngineering2现代焊接与连接工程学3.1先进材料发展概述3.1.1新型金属结构材料

1)通过控轧、控冷、控制杂质含量以及微合金化等措施生产出高强、高韧和抗裂性能好的高强钢。

2)通过定向结晶、单晶化和微晶化等控制凝固技术获得的高级合金。

3)通过快速冷却获得非晶态金属、微晶和纳米晶。

4)通过机械合金化生产出具有优异性能的新型合金，如高熔点氧化物弥散强化超级合金，表面纳米化材料。

5)通过合金成分设计及微量元素控制获得的新型合金，如高比强度铝锂合金，高熔点、抗氧化和低密度的金属间化合物高温合金等。第三章先进材料的焊接性和质量控制Chapter3WeldabilityandQualityControlforAdvancedMaterials3现代焊接与连接工程学3.1.2先进陶瓷

在组成、性能、制造工艺以及应用等方面与传统陶瓷截然不同。由原来的SiO2、Al2O3、MgO等发展到了Si3N4、SiC和ZrO2。具有特定的精细结构和性能。这类陶瓷又称精细陶瓷。根据用途分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。功能陶瓷使用最广，除具有各种特殊电性能和磁性能外，还有对声、光、热、压力等敏感的陶瓷，在发展高新技术中占有极为重要的地位，产量约占精细陶瓷的90％。结构陶瓷由于高强度、耐磨、耐高温和耐腐蚀等优异特性而受到重视。与金属和高分子材料相比，突出优点就是能耐更高温度，由于脆性限制了应用。目前做机械零件和切削刀具。4现代焊接与连接工程学3.1.3先进复合材料1)树脂基复合材料由碳纤维和芳酰胺纤维等高性能纤维增强的耐热性好的热固性和热塑性树脂基复合材料。主要特点：高比强、高弹性模量、低膨胀系数、优良的尺寸稳定性，优异的减振性和抗疲劳性能。2)金属基复合材料除了高强度、高弹性模量和低膨胀系数，与树脂基复合材料相比，还具有优良的韧性，抗冲击，耐热性高，横向力学性能好，导电和导热性好，耐辐射，高真空环境性能稳定等优点。其中铝基复合材料发展最成熟，已成功用于航空航天和汽车制造业。目前正在研究钛基复合材料以及能耐更高温度的镍基、金属间化合物基等复合材料。5现代焊接与连接工程学3)陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料中的纤维主要通过分散裂纹前端的应力集中，改变裂纹走向和终止裂纹扩展，起补强增韧作用。由于陶瓷基复合材料要求在更高温度下使用，对增韧材料、成形工艺及界面设计要求更高。这类复合材料离实用化还有距离。4)碳-碳复合材料碳-碳复合材料已不仅是一种很好的防烧蚀防热材料和耐高温、抗磨损材料，经渗硅处理后已具有一定的抗氧化能力，成功用于航天飞机作为能重复使用的热结构材料。但强度和抗氧化性能还不够理想，主要受防护层抗氧化能力的限制。一旦这一问题有所突破，将成为能在2000℃以上长期工作的最好的耐热结构材料。6现代焊接与连接工程学3.2低合金高强钢焊接

-WeldingofHighStrengthLowAlloySteels

低合金钢高强钢简称HSLA钢，在碳钢基础上加上总量不超过5%的合金元素，一般不超过3%。常常也指微合金化钢。HSLA钢的屈服强度一般在50~130ksi（350~900MPa），其用途十分广泛：容器以“R”表示，如16Mn16MnR；桥梁以“q”表示，如16Mn16Mnq；管线钢以“X”打头，X42X120；海洋船舶结构；建筑用钢；低温用钢；高、中温用钢；7现代焊接与连接工程学

钢中杂质元素主要是S、P、O、N、H及五害元素Pb（铅）、Sn（锡）、As（砷）、Sb（锑）、Bi（铋）。80年代第一代微合金沉淀硬化钢（高强韧钢）：纯度N+O+P+S150ppm，细晶粒10-15m，微碳200-1000ppm，微量Nb+V+Ti150ppm。形成3-10nm的弥散沉淀相；Pcm0.25。90年代，微合金高强高韧钢：纯度N+O+P+S150ppm，晶粒3-8m；C500ppm；Pcm0.20；

目前，超纯、超细、高均匀性的超级钢研究有可能成为本世纪的主要结构用钢：S+O+P+N100ppm，晶粒2-5m。

轧制工艺发展趋势：一般热轧控轧TMCPF区轧制。8现代焊接与连接工程学3.2.1焊接性试验1、根据化学成分进行焊接性评定

焊接热影响区硬度和冷裂倾向与钢材化学成分有密切关系。IIW规定的碳当量的公式是以40年代生产的钢为基础建立起来的：

60年代出现了焊接性良好的低碳低合金钢与微合金化的高强钢，Ito提出了冷裂敏感指数PCM公式：

TMCP钢的出现考虑了Nb、B影响，1985年Ito提出新的PCM公式：9现代焊接与连接工程学2、热影响区最高硬度法

判断钢材的淬硬倾向与冷裂纹敏感性。试板标准厚度为20mm，长、宽为200mm、75mm。采用4.0mm焊条，焊接电流17010A，焊接速度15010mm/min。宽度75mm的试件在室温下焊接，如硬度超标，则采用宽度150mm的试件并进行预热焊接。试件焊后放置12小时以上切开。采用HV法,测点间距0.5mm。在硬度较低区域，可适当放宽测定间距。硬度测定线必须与焊缝剖面熔合线相切。10现代焊接与连接工程学3、斜Y型坡口焊接裂纹试验法采用规定材料和温度，检测试验焊缝表面、根部和断面裂纹数量，计算裂纹率，评价低合金高强钢焊接热影响区的冷裂纹敏感性。裂纹率低于20%时认为实际试件不会出现开裂。11现代焊接与连接工程学4、窗形拘束裂纹试验法评定低合金钢多层焊时焊缝的横向裂纹敏感性（包括热裂纹和冷裂纹)，可作为选择焊接材料和施焊工艺的试验方法。试件为两块500180mm钢板，先焊在窗口部位，然后用在坡口两面填满焊缝。焊后放置48小时以上，取下试板用X射线探伤。再把试板沿焊缝金属纵向剖开，磨片后在纵断面上检查裂纹。评定方法一般以裂纹有无为据，亦可按断面裂纹率进行计算。12现代焊接与连接工程学3.2.2焊缝金属的韧性控制

焊缝是化学冶金与物理冶金的综合产物。熔化焊接的特点：（1）温度高：弧柱温度5000-8000C；熔滴金属的平均温度2100-2200C；熔池温度1600-2000C；熔渣温度1600C。（2）焊接冶金过程分区进行（分区连续反应）：药皮反应区（造渣反应区）；熔滴反应区；熔池反应区。（3）反应界面大；（4）反应过程短促，达不到平衡状态；（5）熔池的对流与搅拌。对于快速反应的小熔池，化学冶金基本采用大冶金数据，不准确，已出现数值模拟方法。下面主要介绍物理冶金方面内容。13现代焊接与连接工程学1、低合金钢焊接接头区域组成（1）混合区1：焊缝金属的主要部分，由填充金属与熔化母材混合形成。（2）未混合区2：未与填充金属相混的熔化母材。是各种裂纹的发源地，如液化裂纹，氢致裂纹等，韧性很差。（3）部分熔化区3：对于异种钢来说，除了未混合区与部分熔化区以外，还会存在一稀释过渡区，在该区中可能出现脆性的马氏体组织，有的还会出现冷裂纹。该区与热影响区的交界称为熔合线5。（4）热影响区4：包括粗晶区、细晶区、不完全重结晶区、回火或时效脆化区。14现代焊接与连接工程学2、焊缝金属的组织形态及定义（1）初共析铁素体(简称PF，PrimaryFerrite)：在原奥氏体晶界或晶内首先形成的组织，形成温度1000-650C。如在晶界形成，称晶界铁素体GBF。如在晶内形成，称晶内多角形铁素体IPF。（2）侧板条铁素体(简称FS，FerriteSidePlate)：形成温度750-650C，如板条间含排列的第二相，如M-A组元，则称FS(A)。包括魏氏组织、上贝氏体与粒状贝氏体等组织。侧向板条一般从晶界往晶内生长。（3）针状铁素体(简称AF，AcicularFerrite)：比较细小，长宽比约4:1，宽度为1-3m。在奥氏体晶内形成，形成温度在650C以下。通过第二相质点或夹杂形核，也可以在已形成的铁素体上形核。（4）含碳化物的铁素体：如上贝氏体，下贝氏体及珠光体。（5）马氏体15现代焊接与连接工程学3、焊缝金属韧性的影响因素

A）焊缝金属凝固组织受溶质浓度、温度梯度及凝固速度影响，焊缝一般为粗大胞状晶、胞状枝晶或柱状枝晶。细化晶粒是改善焊缝性能最有效办法。可利用变质剂、振动法、电磁搅拌等方法来细化晶粒。由于焊缝的结晶是联生生长，阻止或减少母材过热区晶粒长大的因素直接影响焊缝晶粒大小，加微量元素Ti的钢，过热区晶粒细化。减少焊接热输入也能减少过热区晶粒的长大。在多层焊中，下层焊缝部分区域已看不清柱状晶的特征，即采用多层焊能使焊缝组织得到一定程度的细化。结束开始16现代焊接与连接工程学B）化学成分的影响碳：严格控制焊缝中的含碳量。锰：既是脱氧元素，又可提高强度。降低固态相变温度、增加焊缝中针状铁素体含量，一定范围内可改善焊缝韧性。硅：脱氧元素。大于0.5%损害韧性。钼：增加针状铁素体含量，改善焊缝金属韧性。镍：细化焊缝组织，改善低合金钢焊缝韧性，特别是低温韧性。钛和硼：微量Ti和B对焊缝金属韧性有很大影响，出现加Ti、B的高韧性焊材。最佳含量Ti为0.01-0.05%，B为0.001-0.003%。Ti在熔池中形成TiO成为针状铁素体形核核心，保护B不被氧化与N化。B与N形成BN，减少自由氮含量，阻止晶界铁素体形成。17现代焊接与连接工程学铌与钒：造成回火脆性。气体元素：焊缝中的气体元素主要是氮和氧。N对韧性有害影响的原因之一是促进了含M-A组元的片状组织产生。O与许多合金元素形成第二相夹杂，降低了由微孔聚合引起的延性断裂的抗力。夹杂：钢中的夹杂物将降低它抗裂纹的扩展能力。但焊缝中的夹杂起着双重的作用。焊缝中的夹杂来不及长大，密度也比钢材中高得多，在一定程度上有利于针状铁素体的形成，如TiO夹杂。母材成分：母材中的一些元素将进入焊缝中（特别是埋弧焊母材的稀释率可达50%），要考虑可能进入的C、Si、Nb、V等对焊缝性能的影响。18现代焊接与连接工程学C）焊接工艺的影响热输入：一般来说，焊接热输入偏小对焊缝韧性有益。预热与层间温度：对焊缝韧性的影响并不清晰。过高的预热温度与层间温度会产生粗大的晶粒而使韧性变坏。根部焊道：韧性最差，施工中常把根部焊道全部清除。原因是：1）由后继焊道施加的动态应变时效；2）母材的稀释量大；3）冷却速度过快。4）背面保护效果差。热应变脆化：与焊接过程中产生的应力应变、钢中的自由C、N原子的数量等因素有关。19现代焊接与连接工程学4、焊缝金属韧性控制措施1）选用合适的焊材低合金钢焊接一般根据强度的匹配来选用焊接材料，不同厂家生产的同一类型的焊条韧性会有差别。2）选择合适的焊接热输入焊接热输入不宜偏高，但焊接热输入过小，生产率低，也易造成工艺缺陷。3）选择合适预热温度与层间温度。4）选择合适的焊层厚度一般焊层厚度控制在3-4mm左右。5）选择合适的焊后热处理制度。6）控制电弧长度电弧过长，合金元素烧损大，气体污染严重。7）仔细清除焊根除了清除缺陷外，把打底焊道全部清理干净。8）焊前仔细清理坡口。20现代焊接与连接工程学3.2.4焊接热影响区（粗晶区）韧性控制1、热影响区相变特点及产物1）加热速度高。电弧焊时，几秒钟加热到各区的峰值温度，相变点远偏离平衡状态。2）高温停留时间短。升温相变后的奥氏体化学成分极不均匀，第二相质点溶解后来不及扩散均匀。3）峰值温度在很大范围内变化。从近缝区固相线温度至母材热应变脆化温度（~300C），近缝区的峰值温度使晶粒急剧长大。4）冷却速度快。5）在加热、冷却循环过程中伴有应力应变循环，对相变产生影响。6）在多层焊中，产生多次热循环，使相变组织更为复杂。21现代焊接与连接工程学19Mn5钢SMAW接头正火区母材粗晶区焊缝熔合区不完全正火区22现代焊接与连接工程学粗晶区相变组织的类型：1）网状铁素体初共析铁素体，奥氏体晶界产生，热输入偏大时出现。2）魏氏组织从奥氏体晶界向晶内生长的片状铁素体，损害材料韧性。3）贝氏体上贝为较高温度下条状铁素体与渗碳体混合组织，下贝为较低温度下转变的针状铁素体，针间呈一定角度，针内分布碳化物。贝氏体三种形态：BI形成于600-500C高温阶段，为无碳贝氏体；BII形成于500-450C的温度区间，在铁素体条之间有碳化物析出，为上贝氏体。BIII形成450C-MS温度区间，在铁素体条上析出碳化物，呈板条状。还常出现含有M-A组元的中温转变组织，称为粒状贝氏体（Bg）。M-A组元的出现可能使材料韧性受到损害。23现代焊接与连接工程学2、影响热影响区韧性的因素A）组织影响低碳微合金钢HAZ中常出现的粒状贝氏体，低温韧性比低碳马氏体、下贝氏体差。由于这类钢中含碳量低于0.10%，比粗大的晶界铁素体珠光体或魏氏组织韧性要好。

由24现代焊接与连接工程学B）主要合金元素的影响

C对韧性影响很大。C-Mn钢中从0.14%增加到0.20%，母材和热影响区的韧性变得很差。影响：冷却快时形成含碳量高的马氏体，韧性差；冷却慢时形成较多的碳化物或M-A组元，韧性也变坏。含碳量与冷却速度对16Mn钢粗晶区冲击韧性的影响C0.14%C0.20%Mn在钢中的含量一般小于1.6%，对HAZ韧性的影响远小于碳。Ni是低温钢中的重要元素，它会改善HAZ的韧性。25现代焊接与连接工程学C）微量合金元素的影响微量元素加入可以保证强度降低碳含量，降低冷裂敏感性。

Ti、Al等固定自由N，形成N化物阻碍奥氏体晶粒长大，促进生成IPF，使M-A组元从条状粒（块）状，V有类似作用；

B降低晶界相变温度，使晶内、晶界相变温度趋于一致，使F有可能在晶内析出，分割奥氏体晶粒；D）杂质元素与气体元素的影响S，P杂质元素含量对母材韧性有损害，对HAZ韧性影响研究不多。球状硫化物增加熔合区韧性，长条状硫化物对韧性有害。气体元素中自由N会降低HAZ的韧性。26现代焊接与连接工程学E）焊接热输入影响

取决于钢的化学成分及强度级别。对600-800MPa强度级别的钢，热输入15-55KJ/cm时，随着能量增加韧性恶化。钢中含碳量不同，热输入的影响也不一样。含碳量较低，热输入应选小些，防止魏氏组织的产生。当含碳量高时，热输入应选大一些，防止脆性马氏体的产生。F）焊后热处理制度影响焊后热处理的主要目的是消除焊接残余应力。钢中含有Cr、Mo时，应考虑二次硬化现象，含有Nb、V时，应考虑消应处理可能产生的再热脆化现象。27现代焊接与连接工程学3、热影响区韧性控制技术1）根据使用要求选用适当板材如果母材韧性不良，焊接热影响区韧性会更差。如在低温使用，又要消除应力热处理，最好不选用含N高的V钢或Nb钢。2）正确控制热输入由工艺评定确定。还要考虑材料使用温度，如CF60钢使用温度-20C，最大热输入可达50KJ/cm。使用温度-40C，最大热输入应在40KJ/cm以下。3）尽量采用多层焊有时采用回火焊道可消除已有焊道过硬组织。4）正确选用焊后热处理制度对于调质钢，特别是含Nb、V钢，焊后消除应力处理温度应偏低一些。5）预热与层间温度的控制较高的预热温度可由后热措施来代替，以免预热温度过高，t8/5增大而使组织变坏。28现代焊接与连接工程学本节思考题1、新型金属结构材料的特征有哪些？给焊接带来了什么样的问题？2、金属焊接性的试验方法有哪些？目的是什么？3、影响低合金钢焊缝金属韧性的因素有哪些，如何控制？4、影响低合金钢热影响区韧性的因素有哪些，如何控制？29现代焊接与连接工程学3.3（双相）不锈钢的焊接Theweldingofdual-phaseSS

抵抗大气腐蚀的钢叫不锈钢，但不锈钢常常用于耐腐蚀和耐高温场合。按用途分，不锈钢包括耐蚀钢（主要耐酸）和耐热钢（高温下有好的能抗氧化能力和强度）两类。从制造和加工角度，常常从化学成分和组织结构方面进行分类。不锈钢（高）铬不锈钢铬镍奥氏体不锈钢（18-8，25-20）铬锰氮奥氏体不锈钢（Cr17Mn13Mo2N(A4)）铁素体-奥氏体双相不锈钢（Cr21Ni5Ti，00Cr18Ni5Mo3Si2）马氏体不锈钢（Cr13系不锈钢，Cr12基耐热钢）

铁素体不锈钢（Cr17，Cr28）30现代焊接与连接工程学3.3.1一般不锈钢的焊接问题马氏体不锈钢：淬硬倾向大，易开裂，需预热并采用大规范；奥氏体不锈钢：Cr迁移形成贫Cr区的晶间腐蚀、热裂纹和应力腐蚀开裂（SCC）。为避免晶间腐蚀需要采用超低碳焊接材料并用小规范焊接，必要时作固溶处理。为避免热裂纹需采用适当的焊接材料控制焊缝的组织成分，同时采用小电流、快速焊工艺。奥氏体不锈钢的SCC倾向要比马氏体或铁素体不锈钢突出得多，焊后消除应力处理工艺往往十分必要；铁素体不锈钢：粗晶脆化，焊接时需要预热并防止过热。31现代焊接与连接工程学3.3.2双相不锈钢概述强度高（Cr-Ni钢的2倍）、韧性好、耐蚀性好、焊接性好的新型结构材料。具有铁素体加奥氏体（＋）双相组织（1:1），广泛应用于存储和运输氯化物和硫化物的设备和管道，运输潮湿天然气的高压系统，海上冷却系统，原子能工业再热器和热交换器。主要成分为Cr、Ni、Mo和N。Cr和Mo是铁素体形成元素，Ni和N为稳定奥氏体元素，N同时又是固溶强化元素。Cr、Mo、N对提高双相不锈钢的耐点蚀性能具有重要作用，常用耐点蚀当量表示：PREN＝Cr+3.3Mo+16N。PREN>40的钢称为超级双相不锈钢。

双相不锈钢综合了相（铁素体）和相（奥氏体）的优点，可简单认为铁素体提供了高的屈服强度和耐氯化物应力腐蚀的性能，奥氏体提供了好的韧性和耐全面腐蚀性能。32现代焊接与连接工程学3.3.3双相不锈钢焊接冶金1、焊缝凝固和奥氏体相的形成

保持合理的/比例是焊接双相钢最重要冶金问题。供货态相以长条状分布在相基体中，熔化后形成粗大铸态组织.含Cr22%的双相不锈钢的母材组织a)和焊缝组织b)

焊缝中相数量和形态与化学成分和冷却速度有关。焊缝条件下形成的相一般呈魏氏组织。冷却速度增加相含量减少。提高焊缝中的Ni、Mn、N等奥氏体形成元素含量，促使相增加，N的作用最显著。

通过Cr、Ni当量组织相图对焊缝室温组织进行预测。预测相含量的组织图有Schaeffler图和DeLong图。33现代焊接与连接工程学2、焊接热影响区的组织转变

如何控制热影响区组织构成仍是一个重要问题。当加热到接近熔化温度时，单相组织在随后快冷过程中转变来不及充分进行，冷却后相含量较多。N含量较高时，相的含量受冷却速度的影响较小，所以含N量较高的双相不锈钢可采用低的热输入。粗晶区外的低温热影响区组织变化稍弱。一般规律是随着峰值温度的提高，相增加，相减少。相的晶粒尺寸随峰值温度的升高而增大。相晶界和晶内析出Cr2N碳化物的总量随峰值温度升高或冷却速度的增加而增加。

双相不锈钢中Cr、Mo含量较高，在800C附近停留时间较长有析出脆性金属间化合物（相）的危险。

34现代焊接与连接工程学3.3.3双相不锈钢的焊接性1、N含量对焊缝组织性能影响

同样相含量（60%），母材的抗拉强度和延伸率均高于焊缝。拉伸试样的断口表明，只有母材和含N量高的焊缝金属（接近0.4%）才表现为明显的韧窝断裂。焊缝金属的冲击功虽随N的增加而增加，但都低于母材，焊缝金属的脆性转变温度也都高于母材。这是由于焊缝中相的晶粒粗大，焊缝金属的韧度受相和Cr2N的影响所致。而N量增加会导致相增多和Cr2N析出的减少。35现代焊接与连接工程学2、热输入对热影响区冲击韧性影响热影响区中N含量不会发生变化，影响热影响区组织性能的因素主要是热输入。热输入太低，导致相含量增加以及Cr2N析出增多，冲击韧度下降。热输入太高引起晶粒严重长大，同样会使冲击韧性降低。影响冷却速度因素，如板厚和层间温度等都会影响冲击韧性。3、双相不锈钢及其焊缝的脆化研究750C和850C加热时间对SUS3291J1双相不锈钢及焊缝金属脆化时发现：试件脆性开裂都发生于相以及基体与相的界面。焊缝中析出相要比母材快得多，韧性下降也比母材剧烈。母材有很多相时韧性才下降，焊缝有少量就引起韧性降低。36现代焊接与连接工程学4、焊接接头中的氢致破坏包括氢脆、氢致裂纹和氢致应力腐蚀开裂（HESCC）。双相不锈钢焊接热影响区中的氢脆可在相中产生，氢脆敏感性随峰值温度提高而增加。主要是相减少、相增多以及在相内部或边界析出Cr2N。相的体积分数低于50%时，焊缝金属对氢致裂纹不敏感，大于50%后，敏感性明显增加。双相不锈钢本身只有达到拉断强度的90%才会发生氢脆型应力腐蚀开裂。TIG焊缝金属的临界开裂应力达到拉断应力的70%、屈服强度的95%。考虑到焊接接头附近存在可达材料屈服点的残余拉伸应力，因此焊接接头中产生HESCC的可能性很大。37现代焊接与连接工程学3.3.4双相不锈钢的焊接工艺特点

为了获得满意的/比以及力学性能和耐腐蚀性能的最佳组合，需要控制：焊缝化学成分、接头冷却速度。1、焊接方法的选择焊接含N量不是很高（<0.4%）的钢时，尽量采用填充材料进行焊接。若无填充材料，可采用Ar+N2（1-2％）的混合气体。2、填充材料的选择考虑到焊接冷速很大以及奥氏体形成元素N的损失等，对转变的抑制作用引起含量严重不足，对于焊后不做热处理的构件，应选择比母材具有更高奥氏体形成元素含量的填充材料。如使焊缝中的Ni相对于母材高2-3％，增加焊缝奥氏体化倾向。38现代焊接与连接工程学3、焊接热过程控制热输入、层间温度、预热及材料厚度都会影响焊接冷却速度，从而影响焊缝和热影响区组织（如/和Cr2N析出）和性能。冷却速度太快会引起过多的相及Cr2N析出；太慢会造成晶粒严重长大，甚至可能析出金属间脆性化合物（相）。焊接Cr25%双相钢和超级双相不锈钢时，最高层间温度控制在100C以内。要求焊后热处理时，可不考虑控制层间温度。4、焊后热处理双相不锈钢焊后最好不进行热处理，当焊态下相含量超过要求或析出有害相时，可采用焊后固溶处理改善，热处理温度1100C。热处理时加热速度应尽可能快，退火温度下的保温时间为5-30min，采用惰性气体保护防止氧化。39现代焊接与连接工程学3.4钛合金的焊接TheWeldingofTitaniumalloys密度4.51g/cm3，高的比强度（强度和密度之比），优异的抗腐蚀、耐高温性能，广泛应用于航空航天、石油化工等部门。3.4.1钛及其合金的种类和特性高温和低温下均有良好性能，600C性能不变（铝在150C、不锈钢在310C时就会变化），-253C低温还有良好性能。导热系数是铁的1/4，所以钛材焊接时能量损失较小。钛合金分为铸造和形变合金两大类，应用广泛的是形变合金。钛的同素异构特征：882C以下的晶格为密排六方的-Ti，以上为体心立方的-Ti。该温度会随着合金元素的加入发生变化。工业纯钛有TA1~TA3，区别在于H、O、N杂质含量不同。在钛合金中可加入三类元素调整组织性能，包括稳定相或相元素、中性元素。40现代焊接与连接工程学稳定元素有Al，以置换固溶形式存于-Ti中。Ti-Al是很重要的合金系统。这类合金是固溶强化，可退火处理消除冷作硬化和焊接应力。稳定元素还可扩大相区范围。V、Mo等可与相无限固溶而与相有限固溶，可形成型、型和（＋）型钛合金。Cr、Fe、Mn、Co等与相有限互溶并有共析转变，共析转变会产生脆性金属间化合物（相）。锆、铪、锡属中性元素，在Ti中有很大的溶解度，但不影响钛和钛的同素异构转变温度，能形成置换固溶体。TA系列的钛及合金为型，TA1-TA3为工业纯钛，TA4－TA6为Ti－Al系，TA7、TA8为Ti－Al－Sn系。TC系列钛合金为（＋）型，以TC4（Ti-6Al-4V）最为著名，室温强度1170MPa。几乎所以钛合金中均加有Al元素（<6%），主要是用于强化相。41现代焊接与连接工程学3.4.2钛合金的焊接性1、气体杂质污染对焊接性的影响

钛合金非常活泼，300C溶解氢，600C吸收氧，700C吸收氮。这些气体进入焊接区将引起焊接接头的脆化。H是对接头性能影响最严重的元素。发生转变时，由于溶解度的急剧下降，形成脆性的相（TiH2），以片状或针状析出，造成接头塑性和韧性显著下降。不允许钛中含H量大于0.015%。O在钛中形成间隙固溶体，促使材料硬度和强度升高，塑性有一定下降。低于600C时由于氧化膜的形成阻碍了氧的吸收，温度升高后氧化膜向钛中溶解，形成间隙固溶体。含O量不宜超过0.15％。N在高温下与Ti发生剧烈反应，间隙固溶于钛中，使硬度升高、塑性下降。含量超过0.13%时焊缝将会因其污染脆化而产生裂纹。42现代焊接与连接工程学2、合金元素对焊接性的影响一般情况下焊缝中含铝量在3%以内时不影响焊缝熔化金属的微观组织。当含铝量达到5%时，焊缝金属中就会产生粗大的针状组织，使焊缝金属的塑性有所降低。焊缝中的Sn、Zr含量一般控制在8-10%以内，对提高焊缝的综合性能非常有利。Mo的含量控制在3-4%以内，它具有良好的塑性和韧性。加入Mn、Fe、Cr等元素对提高焊缝的抗拉强度最为明显。在焊缝中加入Al、Nb、W、Si则对提高抗氧化能力有显著改善作用。当加入Cu时，对消除氢的有害作用效果明显。对于纯钛，焊接加热温度高于相区造成相晶粒粗化，冷却时可能形成马氏体（相），继续冷却会析出相。对于TC类钛合金，快速冷却时发生的稳定相变，并可能残留部分亚稳相。43现代焊接与连接工程学3、焊接裂纹问题钛合金中的S、P、C杂质含量少，有效结晶温度区间窄。钛与Al、V、Cr等其它合金元素也不会形成低熔点共晶，焊缝凝固时收缩量也较小，这些都是钛合金焊接时不易形成热裂纹的内在原因。正常焊接时不会形成TiH2，故不会产生冷裂纹。只有在热影响区氢含量超过共析温度下相中的溶解度极限7.9％时，才发生共析转变＋（TiH2）。4、焊缝中的气孔问题由于氢的作用，在焊缝中心和焊缝边缘部位容易出现气孔，对接头疲劳强度会产生影响。焊接中氢的来源与工件、焊丝的表面污染，保护气体不纯等因素有关。等离子焊接要比氩弧焊好，脉冲形式比非脉冲好，脉冲等离子焊是焊接钛合金的最佳方法。44现代焊接与连接工程学3.4.3钛及其合金的焊接工艺要点1、钛及其合金的氩弧焊技术有TIG和MIG两种。对于薄板结构，采用脉冲TIG焊时，由于焊接热输入可减少20-30%，接头质量相应提高。钛合金导热性能差，冷却速度慢，高温停留时间长，加上钛的活性大，为了加强焊接区保护，焊矩喷嘴直径要大，一般在16-18mm。当钢板厚度大于0.5mm时，应采用有附加尾拖罩的焊矩来保护高温下的焊缝不受空气侵入。氩弧焊时焊缝背面的保护也很重要。从表面颜色直接判断好坏：“银白色”最好；“黄色”为TiO，轻度氧化；“蓝色”为Ti2O3，不允许出现在焊缝。“灰白色”即TiO2，表明氧化严重。焊接型钛或钛合金时，可选择同质焊丝；焊接（＋）钛合金TC4、TC3时，如采用同质焊丝，焊后需进行热处理，以消除脆性。采用TA3、TA7焊丝，接头塑性较好。45现代焊接与连接工程学2、钛合金的等离子焊接技术小孔型焊接法适合板厚2.5-15mm的钛合金焊接。因为钛合金密度小、液体表面张力大，小孔效应焊接中熔池不塌陷，焊缝成形良好。焊接时同样需要采用尾罩保护，尾罩长度可比氩弧焊稍长。由于焊接时的高温等离子弧焰流过小孔，为保证小孔型焊接的稳定，氩弧焊型的垫板沟槽尺寸要加大，气体保护流量也应提高。熔透型焊接一般用于厚度不超过3mm的薄板一次焊透成形。采用这种焊接方法比单道氩弧焊容易保证质量，避免氩弧焊夹钨的现象。等离子弧焊接接头强度与氩弧焊相当，强度系数均为90%，但塑性指标要高于氩弧焊，可达到母材的75%。用10mm厚的TA1工业纯钛制造的压力容器，采用等离子弧焊的生产效率要比氩弧焊高5-6倍。46现代焊接与连接工程学3.5铝、镁合金的焊接TheWeldingofAlandMgAlloys3.5.1铝及镁合金性能概述密度小、耐蚀性好、导电率和导热率高，线膨胀系数高达23.6×10-6/C。容易进行冷热变形、轧制、锻造、挤压、拉拔、切割、机械加工、通过装饰和保护层进行表面化处理。按成材方式可分为变形铝合金（牌号为4位数，1-8打头）和铸造铝合金（以ZAl打头，后跟主要合金元素如Si、Mg、Cu等）。按强化方式可分为变形强化和热处理强化铝合金。焊接结构一般由变形铝合金生产，包括：工业纯铝（1×××）、Al-Cu系（2×××）、Al-Mn系（3×××）、Al-Si系（4×××）、Al-Mg系（5×××）、Al-Mg-Si系（6×××）、Al-Zn系（7×××）和其它（8×××，Al-Li系）。47现代焊接与连接工程学各种铝合金材料的性能及基本焊接特点：1）工业纯铝强度低，塑性和耐蚀性好，易于焊接。采用熔焊时加热到300-500C的温度区会发生软化（变形强化效应消失），接头强度可达退火态母材强度90%以上。2）Al-Cu系合金具有高的室温强度（b＝400-500MPa）、高温和超低温下的性能也很出色，被称为硬铝合金。不含镁的合金采用各种焊接方法均可得到满意的效果，如2A16（LY16）。含Mg的合金如2A02（LY12）、2A14（LD10）等，应用范围广，作为热处理强化铝合金，焊接接头强度只有母材60-70%。3）Al-Mn系合金由于高塑性和良好的耐蚀性被广泛应用于各个领域（防锈铝）。锰作为基本合金元素，与纯铝相比可使强度增加1倍，塑性不变。常用牌号有3A21（LF21）、3003等。焊接特点如纯铝。48现代焊接与连接工程学4）Al-Si系合金强度不高，液态流动性好，焊接性好。5）中等强度的Al-Mg系合金广泛应用于焊接结构。含Mg量在2%左右的5A01、5A02合金焊接裂纹倾向较高，超过5%后材料的耐蚀性降低。焊接接头强度可达到退火态母材的80-90%。Al-Mg合金焊缝气孔生成倾向很大。6）Al-Mg-Si系合金具有中等强度、高耐蚀性能和良好塑性，可热处理强化，焊接时有开裂倾向。常用牌号6061、6063、6A02（LD2）。焊接时若母材经过固溶和时效处理，接头强度只能达到焊前母材的70%；若在固溶态下焊接，焊接结束后再做整体时效，则此时的接头强度可达固溶时效态母材的85-90%。7）Al-Zn系合金被称为超硬铝，可热处理强化。对应力集中和应力腐蚀开裂敏感，焊接时裂纹倾向明显。当含Cu量很低时，如果Zn+Mg含量之和在5.5-7.0%范围内，焊接性较好。49现代焊接与连接工程学

镁合金材料的性能特点:密度1.74g/cm3,熔点651C，沸腾温度1110C。线胀系数与铝合金接近，拉断强度165-220MPa，延伸率远低于铝（2-15%）。由于熔点和溶解热较低，熔化镁时所需热量只要钢的1/3。由于线胀系数和热导率较高，焊接时易变形。加热时易氧化，形成高熔点氧化膜MgO（2500C），对焊接质量造成较大影响。镁合金耐蚀性较高，有的可接近铝合金。含Al的镁合金有较强应力腐蚀开裂倾向，焊后须消除应力处理。含Mn或Zn、Zr镁合金抗SCC能力较强。镁合金常温下缺乏变形能力，提高温度后变形能力迅速增大。镁合金的成形工艺有两种：铸造镁合金和变形镁合金。在高温下成形加工的变形镁合金具有良好的焊接性。50现代焊接与连接工程学

镁中加入合金元素可提高强度、改善耐蚀性：Zn强化和细化晶粒，加入量<1%，与Al、Zr等同时加入。Al硬化镁合金，同时也细化晶粒、提高强度。增大镁合金凝固温度范围，容易产生缺陷。加入量一般不超过10%。Mn主要增加耐蚀性，有晶粒粗化倾向，单独加入时一般小于2%。Zr提高机械性能，细化晶粒。与Al、Zn形成金属间化合物，不固溶而析出强化。改善镁合金的加工性能，加入量一般低于0.7%。Re起到强化作用也可提高高温性能，而且对Mg-Zn、Mg-Zr等合金可大大降低裂纹敏感性，同时可改善铸造性能，特别是Ce。Ag对稀土-Zr镁合金铸造材料可提高第二相的析出硬化效果。变形镁合金以“MB”表示，铸造镁合金以“ZM”表示。常用镁合金如Mg-Al、Mg-Zn二元合金，Mg-Al-Zn、Mg-Al-Re三元合金。51现代焊接与连接工程学3.5.2铝合金的焊接性及焊接质量控制铝合金焊接时存在的问题：1)极易氧化，生成的氧化铝熔点高、非常稳定、能吸潮、不易去除，妨碍焊接和钎焊过程的进行，能在接头中产生气孔、夹渣、未熔合、未焊透等缺陷。焊接之前需要彻底清理和在焊接过程加强保护。2)铝的比热容、电导率和热导率比钢大得多，焊接时热输入向母材迅速流失，熔焊时需要高度集中热源，电阻焊时需要大功率电源。3）铝的热膨胀系数是钢的2-3倍，焊接时极易变形。4）铝对光和热的反射能力较强，熔化前无明显色泽变化，人工操作熔焊或钎焊时会造成判断困难。激光焊时能量利用率很低。5）对于热处理沉淀强化铝合金，由于焊接时焊缝的时效不足和HAZ的过时效，造成接头软化严重，焊后需固溶+时效处理。52现代焊接与连接工程学1、焊接材料的选用目前国内外生产的表面抛光的铝合金焊丝，使用前可不再要求清洗，并能存放很长时间。焊丝成分中，除了加入必要的合金元素，还有少量的微量元素Ti，甚至还有Zr、B、V等（最大含量在0.25％以下），主要作用包括细化晶粒、降低裂纹倾向、提高焊缝塑性和韧性。稀土元素钪（Sc）具有特殊价值，在母材和焊丝中加入钪比其它微量元素更好发挥细化晶粒、降低裂纹倾向和提高材料强度和韧塑性作用。选用铝合金焊丝，除要求焊丝具有合适的强度和塑性，还要具有低的开裂敏感性和小的气孔倾向。此外，对焊接接头的耐蚀性和焊缝表面颜色与母材的匹配也有较高要求，但这些要求很难兼得。53现代焊接与连接工程学2、常用气保护焊焊接工艺要点TIG过程稳定、控制简单、质量良好，特别适用于焊接较薄的零件和热处理强化的高强度铝合金结构。一般采用正弦波或方波交流电源，实现“阴极清理”的作用。MIG焊可以采用更大的电流，可焊板材厚度更大，焊接生产效率更高，广泛用于铝合金焊接结构生产中。熔滴过渡形式和稳定性是采用此方法的关键。喷射过渡比较稳定，几乎可用于各种厚度的铝材焊接。在短路过渡和射流之间，有一个亚射流过渡区，此时弧长较短，但能进行自适应调节，焊接过程稳定，焊缝成形均匀美观，焊接效率更高，焊接质量更好。采用等离子弧焊接工艺时，一般选用直流反接或交流，可用小孔法和熔透法两种方式，适宜焊接10mm以下的中等板厚。54现代焊接与连接工程学3、铝合金焊接裂纹及预防技术主要为热裂纹，产生于焊缝的为结晶裂纹（凝固裂纹），产生于近缝区或前层焊缝中的为液化裂纹。热处理强化铝合金内有很多金属间化合物强化相，焊接时近缝区母材峰值温度会超过500C，此时晶界发生低熔点共晶体的熔化（液化）。如果熔化发展成网状聚积，因晶界塑性变形能力不足而产生液化裂纹。焊接热裂纹经常出现在起弧、熄弧、定位焊、补焊、焊缝交叉及刚性很大的镶嵌件（如法兰盘）环形焊缝中。2A12铝合金近缝区母材晶界熔化及沿晶开裂55现代焊接与连接工程学防止铝合金焊接裂纹的主要措施：1）正确选用母材若选用焊接性较差的热处理强化铝合金，当焊件尺寸不大时，可采用退火状态焊接、焊后再实施固溶时效的工艺。2）选用外部拘束度较小的结构形式和焊接工艺拘束过大会形成液化裂纹。合理的焊接顺序和接头设计可减少拘束应力，如先焊拘束大的焊缝，改V型坡口为X型，注意清根。

6A02-T6铝合金法兰座环缝断裂外貌3）选用抗热裂能力强的焊丝向熔池提供流动性好的低熔点共晶体，焊缝发生晶界开裂时自动填充缝隙，并能渗入到近缝区母材晶间开裂间隙，并能在焊缝凝固前结束。56现代焊接与连接工程学4、铝合金焊接时（氢）气孔的预防1）严格控制氢来源注意母材和焊丝清理、保护气体和送丝结构的洁净和干燥。2）焊前预热、减缓散热增加熔池存在时间，便于氢气泡逸出，在补焊、定位焊及正常焊接中比较有效。3）优选焊接工艺方法极性及参数非对称调节的钨极方波交流氩弧焊和等离子弧焊（包括等离子立焊），阴极雾化充分，焊接过程中可排除气孔和夹杂物，对焊缝气孔敏感性较低。

降低电弧电压、增大焊接电流、降低焊接速度，利于减少焊接熔池溶解的含氢量，减缓熔池冷却速度，便于氢气泡逸出。57现代焊接与连接工程学3.5.3镁合金的焊接性和焊接质量控制1、镁合金焊接中的主要问题

氧化与蒸发加入合金元素后镁合金的熔点变低，镁与氧的氧化作用更强。焊接过程中形成高熔点MgO覆盖在熔池和坡口上，严重影响焊缝成形并可能形成夹渣；也可能形成Mg3N2夹渣，影响焊缝金属的塑性。镁可与O、C、S、N、H等形成多种不同颜色的氧化物，密度一般都稍高于镁，在镁焊接液态中难以排出。另外，由于镁的沸点温度低，在电弧焊高温下容易燃烧和蒸发。过热区晶粒粗大镁合金熔点低、导热快、焊接时需要较大功率，加热面积大，热影响区宽且易于过热，组织晶粒粗大，严重影响接头性能。58现代焊接与连接工程学热裂纹倾向大镁合金线胀系数较大，在焊接过程中易于产生较大热应力和变形。镁与Cu、Al、Ni等易形成低熔点共晶体，偏析于晶界，增大了结晶温度范围，在应力作用下极易形成热裂纹，尤其是弧坑裂纹。Mg-Mn合金是单相（相），结晶温度区间窄，热裂纹倾向小。气孔气孔是主要问题之一。高温条件下大量溶解氢，随温度的下降，其溶解度急剧减少，析出大量的氢气容易形成气孔。所以焊接区的保护和坡口附近的清理十分重要。由于焊接高温下存在镁的燃烧问题，故保护气体宜采用惰性气体。焊接高温使晶界过度氧化即过烧现象，也会严重降低接头性能，控制焊接热输入十分重要。59现代焊接与连接工程学2、镁合金的主要焊接工艺与焊接铝合金基本相同，比铝合金更要加强保护，规范控制更严格些。氩弧焊方法仍是目前应用最广最先进的工艺。氩弧焊焊接镁合金时所用焊丝可采用与母材同质的材料。焊丝在使用前一定要经过除去氧化膜工艺，并在12h内焊完。对焊丝的质量有较高要求，不得有气孔、夹杂、疏松等缺陷。镁合金结构件焊接前必须彻底清理表面氧化膜和其它各种污物。由于镁合金的沸点低、易蒸发，产生大量的黄色气体对人体有害，焊接时排风特别重要。对于铸造镁合金，焊后往往还要进行热处理，以消除应力和降低SCC倾向。60现代焊接与连接工程学3.6(镍基)高温合金焊接TheWeldingofNi-basedSuperalloys

镍基高温合金不仅具有热强性，还具有耐蚀性，广泛应用于航空航天、核能和石油化工。航空发动机上所需的镍合金材料约占整体结构材料的60%。70s以来定向凝固、单晶以及ODS（氧化物弥散强化）等新工艺突破了靠单纯调整合金成分改善性能的限制。3.6.1普通高温合金的种类一类是变形镍基合金，一类是铸造镍基合金。变形镍基合金具有较高的热稳定性和热强性。采用精密铸造方法生产的镍基合金仍具有良好的热强性和焊接性，但应用范围要比变形合金少。镍基合金强化方式：固溶强化、沉淀强化、弥散强化等。61现代焊接与连接工程学

固溶强化：加入少量合金元素（如Cr、Mo、W、V、Nb）以及稀土，采用高温固溶处理的方式来提高合金强度。

沉淀强化：固溶处理+时效处理。含有金属间化合物-Ni3(Al,Ti)或Ni3(Nb,Al,Ti)，同时有W、Mo、B等元素与C形成碳化物（MC、M6C、M23C6等）使之沉淀获得强化。

弥散强化：以氧化钍（ThO）或氧化钇（Y2O3）弥散强化的镍基合金（ODS合金），如TD－Ni，DS－Ni等。氧化钍含量一般在2%，余为镍。氧化物弥散分布于合金基体中，使抗拉强度有显著提高。62现代焊接与连接工程学四类常用合金：Ni-Cu类合金，也称Monel合金，如Monel-400系列，其中Ni占1/2到2/3。Ni-Cr和Ni-Cr-Fe类合金，也称为Inconel合金，如Inconel-600系列，其中Ni占70%以上。Ni-Fe-Cr型合金称为Incoloy合金，也常叫做铁镍基合金，如Incoloy-800系列，其中Ni=30-55%，Ni＋Fe>65%。Hastelly型系列合金。在Ni-Cr-Fe合金基础上加入Mo为HastellyF型合金；Ni-Mo型合金为HastellyA型合金；降低碳含量并少量加入Fe、V等元素为HastellyB型合金；加入W、Cr、V后就成为HastellyC型合金。63现代焊接与连接工程学镍基合金基体组织为相（奥氏体）。为使相得到固溶强化，需加入合金强化元素。合金基体的固溶强化效应只能维持到基体熔点的0.6倍。借助金属间化合物的析出强化（’），产生沉淀硬化效果，可以有效提高合金的高温使用强度。

大多数镍基合金中’相体积百分数大于30％。为使’相更稳定，一般加入高熔点元素，使其不易溶解或长大。加入Co、W、Mo、Nb等元素可减缓Al、Ti的扩散速度，提高镍基合金中Cr含量可以降低’相粗化率。64现代焊接与连接工程学要使镍基合金强化，还要强化晶界。晶界强化技术主要包括：通过热处理改变晶界状态。使第二相沿晶界呈颗粒状析出或形成锯齿状晶界。控制晶界成分。控制有害元素Bi、Pb、S、Sb等不在晶界产生偏析和脆化，加入稀土元素可以净化晶界（去S、O、H等）。形成碳化物和其它化合物的有利形态。镍基合金中可能存在的四种碳化物类型：M6C、M23C6、M7C3和MC。镍基合金组织结构较为复杂，除了相单一组织，至少还有’强化相及碳化物强化相，另外还可能有相、相等和其它非金属化合物。变形镍基合金的性能均靠热处理来保证。

65现代焊接与连接工程学3.6.2普通高温合金的焊接性和焊接工艺特点主要问题是焊接热裂纹（结晶裂纹、多边化裂纹、液化裂纹）、近缝区组织长大、接头等强度问题。对于沉淀强化的镍基高温合金，焊后再次加热时效时易出现再热裂纹。焊接过程中保护不好会产生气孔和元素氧化，液态金属流动性变差，产生缺陷（如气孔、夹渣、未焊透等）的可能性增加。1、焊接热裂纹焊缝出现结晶裂纹（凝固裂纹）的可能性较大。由于合金较多，组织又是单相奥氏体，对合金元素的溶解度有限，这些合金元素与Ni、Fe作用生成低熔点共晶体而偏析于晶界的可能性很大，在焊接热应力的作用下产生结晶裂纹。66现代焊接与连接工程学要求母材和焊丝中含S量控制在50ppm以下，焊条中S、P控制在200ppm以下，含Si量控制0.25%以下。加入Mn有利于避免热裂纹。K6C铸造合金TIG焊结晶裂纹（左）及其断口形貌（右）GH150铁镍基合金TIG焊缝（左）及结晶裂纹形貌（右）67现代焊接与连接工程学a)Mo9.13%b)Mo15.2%c)Mo15.2%+W4%

多边化裂纹发生在多边化晶界，即亚晶界或二次晶界，它是在焊接应力作用下晶格内大量位错、空位从不平衡状态向平衡状态移动、合并而成的与一次结晶晶界不同的新的网界。该晶界薄弱，易形成微裂纹，发生在焊缝结晶过程的固液阶段，在固相中成核之后往结晶前沿扩展并与液相相连。

Mo含量增加可减轻多边化裂纹危害；再加入4%W,可完全避免多边化裂纹。

68现代焊接与连接工程学

液化裂纹是镍基合金近缝区母材和多层焊缝的层间过热区较容易出现的一种沿奥氏体晶界开裂形式。焊接时的高温状态使晶界上的低熔点组成物被高温所重熔，形成液化膜，在拉应力作用下，沿晶界开裂而形成液化裂纹。影响液化裂纹的因素很多方面与结晶裂纹一致。冶金方面主要是对B、P、S、Si元素的控制。B在镍基合金中溶解度很小，只要30-50ppm微量就可能在晶界产生偏析，能与铁、镍形成低熔点共晶体（Fe-B、Ni-B共晶体熔点不超过1150C）。K6C镍基合金焊接近缝区（左C处）和过热区（右）液化裂纹C69现代焊接与连接工程学

镍基高温合金中Ti、Al含量与TIG焊裂纹率关系A区：裂纹率低于10%，Al、Ti含量较低的固溶强化合金，抗裂性较好。B区：裂纹率10-15%，含Al、Ti量较高的时效强化变形合金，可以焊接。C区：裂纹率大于20%，Al、Ti含量更高的沉淀强化铸造合金以及部分可焊性不好的变形合金，焊接时易出现热裂纹。70现代焊接与连接工程学2、再热裂纹InconelX-750合金中的再热裂纹焊后加热中随残余应力松弛和材料二次硬化相的析出，接头不足以承受产生的应变而引起的一种裂纹。经常出现在沉淀强化型镍基合金焊接结构中。沿晶界形核和扩展，具有晶间开裂特征。

一般起源于粗晶区，然后扩展至接头细晶区。’相形成元素Al、Ti的含量越多，再热裂纹倾向越大。71现代焊接与连接工程学3、焊接接头等强度问题镍基合金焊接接头一般状态下不能达到与母材等强度的要求，接头强度（尤其是高温持久强度）和塑性与母材相比均有降低。焊接接头热影响区普遍存在过热和晶粒长大现象，导致韧塑性降低，用焊后热处理方法得不到改善。镍基合金在时效状态下施焊，在高温过热区中会有部分区域重新进入固溶状态，该部分区域会软化使强度降低。焊接Al、Ti含量较低的固溶强化合金时，经过在较长时间的时效条件下使用，有可能在热影响区的高温部位出现沉淀硬化现象。72现代焊接与连接工程学4、焊接气孔形成气孔的敏感性较强。原因与其它材料中产生气孔的规律基本相同，即坡口表面的不清洁，焊接保护不到位等，造成熔池溶解较多的氢、氧、氮等气体，冷却时由于溶解度的下降而产生导致气体析出形成气孔。镍及镍基合金熔池的流动性稍差，不利于气体的逸出，也是形成气孔并造成气孔尺寸较大（2-3mm）的原因。为了避免气孔，注意清理坡口，选择合理的焊接材料和焊接工艺，加强熔池的保护。73现代焊接与连接工程学5、普通镍基高温合金的焊接工艺特点A）手工电弧焊适合焊接1.5mm以上厚度的工件。焊条药皮一般都采用低氢型渣系，焊芯多用接近母材成分的焊丝。为改善焊缝的抗裂性能，在药皮中加入Ti、Al、Mo、Nb等合金元素。为避免焊条和焊缝金属过热，应采用小直径、小规范、短电弧，不作横向摆动的焊接工艺，焊接速度可比一般钢件低15%左右。焊条长度一般不超过300mm，直径在3.2mm-4mm之间，否则焊芯会发红而影响正常施焊。焊接厚度大于15mm的工件，焊前可预热200-250C。多层焊时要控制层间温度在150C以下，注意清渣和填满弧坑。74现代焊接与连接工程学B）TIG焊焊接镍基合金中应用最广泛的先进焊接工艺。通常在直流正极性条件下进行，要求氩气干燥并纯度高。为了获得优质焊缝，同样需要附近尾罩的焊接区保护，同时焊缝背面300C温度区域也要加强保护。选择添加有Ti、Nb、Al等元素的焊丝，一般2.0%~3%，防止焊缝金属产生气孔和裂纹。如果含量过大，可能在焊缝中出现点状和薄膜状的非金属夹杂物，降低焊缝的强度和韧性。

TIG焊时，尽量采用最大焊接速度，层间温度控制在90C以下为宜。75现代焊接与连接工程学C）钎焊镍基合金，特别是其小型器件，采用钎焊连接技术也比较普遍。含Ti、Cr、Al等合金元素最好采用真空钎焊工艺，这种方法可以得到表面光洁的接头，同时钎料也能很好地润湿。

含有Ti、Cr、Al的合金表面氧化物难以除去，真空钎焊时，炉内压力必须控制在10-2Pa以下才行，若是含有较多的W、Mo合金，更要在10-3Pa压力下进行。钎焊时的加热温度可能影响母材基体性能，针对热处理强化的合金，应选择在淬火或固溶温度以下进行。同时钎焊的冷却速度要比空冷快一些，以避免已溶于基体中的化合物析出过多。76现代焊接与连接工程学常用镍基钎料中含有Cr7-19%，B3-5%，Si3.5-5%。在750-850C下仍有很高的强度，在900-1100C条件下有很高的抗氧化性。其中：铬可提高镍基钎料的高温强度和抗氧化性，硼可降低钎料的熔点，提高其润湿性和高温强度。硼和镍还可形成低熔点共晶体，从而降低钎料熔点、增加流动性。但含B量过大会使钎料变脆，并对母材产生溶蚀，特别是和C的联合作用。Si的加入也是为了降低钎料的熔点。钎焊时接头间隙要尽可能小，一般不超过0.1mm，否则会在钎缝中形成脆性的铸造组织，造成接头强度下降，特别是冲击韧性的降低。77现代焊接与连接工程学3.6.3先进高温合金的焊接1、定向凝固高温合金和单晶合金

晶界是金属高温时的薄弱环节，一般采用合金化的方式加入强化晶界的元素，更有效的方法是采用定向凝固技术生成柱状晶消除与主应力垂直的横向晶界或生成单晶彻底消除晶界。定向凝固合金和单晶合金实际上都是采用定向凝固技术。定向凝固合金70’s应用于波音747飞机发动机的高温部件，80’s研制成功一系列新型镍基单晶合金叶片。定向凝固合金和单晶合金叶片的寿命是普通铸造叶片的2.5倍和5倍。78现代焊接与连接工程学2、ODS高温合金在镍基或铁基合金中通过机械合金化方式加入均匀分布的超细氧化物质点Y2O3，实现第二相弥散强化。Y2O3具有很高的热力学稳定性、很低的界面能和很细的颗粒度（<0.1m）和理想的形貌（不带尖角），在高温下不会分解，不会与基体反应，不易聚集，在接近基体熔点时也不溶解。Y2O3的引入，降低了扩散速度，阻止了晶粒的形核和长大，提高了再结晶温度（MA956合金的再结晶温度提高到1350C），因此在热机械加工过程中形成了非常稳定的纤维状长晶，减少了垂直于受力方向的横向晶界，显著提高高温（持久）强度。79现代焊接与连接工程学3、定向凝固和单晶高温合金的焊接这类合金成分复杂，特别是’相形成元素Al和Ti的含量高，熔化焊时很难避免热裂纹的产生。另外，在熔化的焊接区内也破坏了母材原有的特殊凝固状态，所以连接定向凝固和单晶高温焊接的较好方法应该是母材不熔化的钎焊或扩散焊。

钎焊的接头强度往往受钎料的限制而很难达到要求，直接扩散焊时由于这些材料的高温强度很高而使连接过程中接触面上很难发生蠕变变形，最合适的方法是过渡液相扩散连接工艺（TLP）。80现代焊接与连接工程学定向凝固高温合金的TLP连接将定向凝固高温合金用作航空发动机涡轮叶片时，为提高叶片性能将其制造成复杂的空心气冷结构时必需采用焊接工艺进行连接。在进行DZ22真空钎焊时，焊后经固溶、时效处理（规范同母材）和较高温度的扩散处理（1130-1150C×8h），接头持久性能为母材的80%。采用TLP连接工艺，中间层材料为0.04mm厚的非晶箔带，成分为将DZ22合金中的Al、Ti去掉后加入3-5％的B。连接温度1210C（与母材固溶处理温度相同）。经36h保温，接头中的＋基体与母材基体之间已无明显界限。接头持久相当于母材的90%。81现代焊接与连接工程学4、ODS高温合金的焊接A）熔化焊MA754激光焊焊缝很窄，约1.5mm，没有裂纹和气孔。焊缝组织中分布有0.1-0.4m的Y2O3质点，直径大于母材中的Y2O3质点(0.05m)。TIG焊缝中的Y2O3质点严重聚集，平均尺寸为3m，质点数量损失严重。力学性能母材激光焊接头TIG焊接头屈服强度，MPa656620360抗拉强度，MPa824816540伸长率，％192219面缩，％161816MA754合金激光焊和TIG焊接头TIGLW82现代焊接与连接工程学B）TLP连接普通镍基高温合金TLP连接时的常用中间层材料都是在Ni-Cr基础上加入一些降低熔点的元素B、Si，这些中间层也能用于镍基ODS合金，但用于铁基ODS合金时含B、Si要多些。与常规Ni基合金TLP接头不同，ODS合金的TLP连接接头中得不到外延生长的晶粒组织，母材与中间层之间有一个明显的界面，在晶粒尺寸和晶粒方向上都存在很大区别，破坏了母材组织的连续性。所以，在ODS合金的TLP连接接头中如何获得外延生长的晶粒是一个值得研究的课题。83现代焊接与连接工程学3.7异质材料连接TheJoiningofDissimilarMaterials

为满足不同使用性能要求，采用具有不同性能特点的材料，用焊接的方法制造成复合结构或复合材质的零部件。从母材组成看，异种金属的焊接包括：异种钢/钢或钢/铸铁的焊接，异种有色金属的焊接，钢/有色金属的焊接。从焊接接头形成条件看，可有各种不同材料形成的焊接接头，同一母材采用不同种的焊缝金属接头，还有不同母材采用某一种填充金属接头，也有覆板和基板组成的复合板焊接接头。异种金属焊接时，由于熔点、密度、导热性、线膨胀系数和焊接过程中的物理化学冶金等方面存在较大差异，必然给它们之间的可靠连接带来特殊问题。84现代焊接与连接工程学物理化学性能差别对焊接性的影响：熔点。发生低熔点金属熔化量增加、过烧、蒸发。线膨胀系数。增大接头中的应力和变形，易使焊接接头产生裂纹，严重时导致焊缝剥离。导热性和比热。不同温度场会影响焊缝和热影响区的结晶条件。电磁特性。造成电弧偏摆，使焊缝成形不好，甚至不能形成焊缝。金属的氧化性。有强烈氧化性的异种金属（如Cu/Al、Cu/Ti等），在焊接加热过程中形成氧化膜，不利熔合。产生金属间化合物。增加接头脆性，导致接头开裂。不同的化学冶金特性。两种金属在固态和液态下的相互溶解特性及形成固溶体或金属间化合物等均直接影响接头性能。85现代焊接与连接工程学能形成无限固溶体的异种金属，与同种材料间的焊接问题基本相似。连接有限固溶体的异种金属（在液态下无限互溶，固态下有限溶解，且产生共晶反应），能否得到优良接头的关键是焊缝金属一次结晶过程中的晶内偏析程度和固溶体的晶体结构转变及相变特性。晶体结构畸形和体积改变，接头易产生冷裂纹。有限固溶体的焊接，最终形成的是以两种金属各为基体的固溶体以及共晶体产物。当超过固溶体的溶解度极限时，还可以形成晶体结构不同于两种金属的新相，即金属间化合物。如果金属间化合物以条状、片状存在于晶粒之间，会造成接头性能明显下降。

可在两被焊金属之间加入过渡层，作为向两种金属溶解的溶质。如用V作为连接Nb与18-8不锈钢的过渡层。86现代焊接与连接工程学各种焊接方法连接异质材料的特点电弧焊：正确选择填充材料，尽可能降低母材溶入量，在坡口预先堆焊隔离层。

电子束或激光焊：很多金属可以实现直接连接。

压力焊和钎焊：易于实现，但不适应大型构件生产。

电阻焊：（电阻、闪光）对焊在工具生产和铜/铝焊接中应用广泛。大厚度焊件和微小直径焊件连接时，电储能焊接方法有独到之处。摩擦焊：工件形状和尺寸符合要求时，适合多数金属材料的连接。

爆炸焊：生产大张复合板的最佳方法，材料组合有钢-铝、钢-铜、钢-钛、碳钢-不锈钢等。87现代焊接与连接工程学3.7.1异种钢的焊接1、碳钢、低合金钢与奥氏体不锈钢的焊接问题及主要工艺稀释造成熔合区化学成分不均匀。碳钢一侧熔合区形成高合金钢成分，形成低塑性马氏体。熔合区中碳扩散。若在350-400C下工作，由于焊缝中碳的浓度差和碳化物形成元素Cr的影响，会在熔合区出现C从珠光体一侧向奥氏体焊缝的扩散。碳元素的减少使珠光体变成铁素体而软化，同时晶粒发生长大。而增碳层硬度提高，强度和塑性下降。焊缝组织不均匀性。熔合比大时，可能形成奥氏体＋马氏体组织，易产生较高残余应力。焊接时的