第8章异种金属的焊接课件.ppt

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,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”。,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20G15CrMoG），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wNi92）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,知识目标： 1.了解钢与有色金属的焊接特点； 2.熟悉钢与铝及铝合金的焊特点； 3.熟悉钢与铜及铜合金的焊特点。能力目标： 能够根据钢与有色金属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。,8.3.1 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8.4 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5-8 mm，尽量减少钢一侧的熔化量，采用熔焊-钎焊工艺。,知识目标： 1.了解铝与铜的焊接工艺特点； 2.了解铝与钛的焊接工艺特点； 3.了解钛与铜的焊接工艺特点。能力目标： 能够根据异种有色金属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。,8.4 异种有色金属的焊接,8.4.1铝与铜的焊接 铝与铜可以用熔焊、压焊和钎焊，其中以压焊应用最多。 铝和铜能形成多种由金属间化合物为主的固溶体相，其中有A1Cu2、A12Cu3,A1Cu、A12Cu等。铝铜合金中含铜量在12一13以下时，综合性能最好。因此，熔焊时应设法控制焊缝金属的铝铜合金中铜的含量不超过这个范围，或者采用铝基合金。,8.4.2 铝与钛的焊接,钛和铝不能直接用熔焊，因为两者物理化学性能、力学性能差别很大，而且电子结构和原子半径等也有明显不同；铝的熔点比钛低1160；钛在铝中的溶解度极小，室温下只有0.07%；在不同温度条件下分别能形成TiAl型和TiAl3型化合物，当温度超过900时，又会形成TiAl3，这时钛尚未熔化。所以最好采用钛不熔化，而铝熔化的熔焊-钎焊法，控制铝的温度不超过800850。,8.4.3 钛与铜的焊接,钛与铜焊接的主要问题是两者之间互溶性很小，能形成多种脆性金属间化合物，如TiCu2、TiCu、TiCu4等。此外还形成多种共晶体，其中熔点最低的TiCu2+TiCu4共晶只有860。 熔焊时常加入含有钼、铌或钽的钛合金过渡段，目的使转变温度降低以获得与铜组织相近的单相的钛合金。这样与铜焊接可以得到较为满意的焊接接头。表8-5举出TB2(型钛合金)与T2（2号纯铜）熔焊用的工艺参数和接头性能例子。,固态焊很适于钛与铜的焊接。冷压焊和爆炸焊可以使钛与铜直接相焊。但钛合金与纯铜爆炸焊时，为了获得高而稳定的接头力学性能，须在两者之间加入铌中间层，这样可以防止和减少金属间化合物。 扩散焊时，也需加入钼、铌等中间层，因为这些中间层与钛和铜都不会形成低熔共晶体和脆性金属间化合物。表8-6列举钛合金与铜扩散焊用的工艺参数及接头的力学性能的例子。从表中看出，加入中间层在电炉中加热扩散焊效果最好。,8-5,8-6,1.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？,课后题：,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？,课后题：,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问题有哪些，应采取什么措施？7.低合金钢与不锈钢焊接时，应选择什么型号或合金系的填充材料？8.珠光体-奥氏体异种钢焊接时，过渡区出现脆化是什么原因，如何防止？,课后题：,9.简述复合钢板的焊接程序。采用焊条电弧焊焊接0Cr13与Q235复合钢板时，应选用什么型号或合金系的焊条焊接过渡层？10.采用埋弧焊焊接20g与1Cr18Ni29Ti的复合钢板，针对基层、复层和过渡层，给出焊丝与焊剂的型号（或牌号）及焊接工艺要点。,课后题：,