常见异种金属材料的焊接.ppt

焊工技师、高级技师培训,5-3 常见异种金属材料的焊接,常见异种金属材料的焊接,珠光体耐热钢与低合金钢的焊接,一、焊接性 这类异种钢焊接时的主要问题是焊接接头的热影响区或熔合区容易产生冷裂纹。为了消除或减少冷裂纹的形成，在设计焊接结构时，要选择合理的结构形式，尽量避免焊接接头应力过于集中，减少T形和十字接头的焊接结构；同时在焊前应严格控制氢的来源，要严格清理。清洗焊丝，烘干焊剂和焊条，尽量选用低氢型焊条，彻底清理坡口两侧20mm内的油污、铁锈和油漆等；正确选用焊接参数。焊前要将待焊处进行预热，采用较大的焊接热输人进行焊接，焊后进行缓冷或热处理，选择合理的焊接顺序以减少焊接残余应力。,常见异种金属材料的焊接,迁钢3#炉坡口（Q345+15GrMo）,常见异种金属材料的焊接,常见异种金属材料的焊接,常见异种金属材料的焊接,二、焊接方法 这类异种钢可以选用焊条电弧焊和气体保护电弧焊等焊接方法。对于重要的高压管道，可先采用手工钨极氩弧焊（TIG）打底，然后用焊条电弧焊盖面，以保证焊缝质量。,常见异种金属材料的焊接,三、预热温度和层间温度 无论是定位焊，还是正式施焊，焊前均应进行预热。预热温度可根据珠光体耐热钢的要求(4d or150mm)进行选择。可以整体或局部预热。对于焊接结构刚度比较大、质量要求高的产品，最好采用整体预热，而且多层焊时层间温度不能低于此温度，并一直要保持到焊接结束。焊接过程如果间断，则焊件应保温后再缓慢冷却，必要时，还应进行脱氢处理，再施焊时，仍按原要求重新进行预热。,常见异种金属材料的焊接,四、焊接材料和坡口 珠光体耐热钢与低合金钢焊接时，应根据钢材的力学性能来选择相应强度等级的焊接材料，而不是根据珠光体耐热钢的化学成分来选择焊接材料。焊接坡口的选择原则是希望珠光体耐热钢熔入焊缝金属的量越少越好，即熔合比越小越好。其目的是为了减少热影响区脆硬的马氏体组织，避免或减少出现冷裂纹。,常见异种金属材料的焊接,五、焊后热处理 为了减少焊接接头的残余应力，消除延迟裂纹，改善焊接接头的力学性能，防止在使用过程中产生变形，焊后必须进行回火热处理。当焊后不能立即进行回火热处理时，要及时进行后热处理间热到（200350，保温26h）焊后热处理的温度要以珠光体耐热钢为基准(600-650)。,常见异种金属材料的焊接,珠光体钢与马氏体钢的焊接,马氏体钢是介于珠光体钢与奥氏体钢之间的钢种，含铬量5%-9%和12%的高铬钢。由于含铬量较高，所以抗氧化性能好，在高温580以上，高温持久强度比一般常用的珠光体耐热钢高，并且有较好的抗蠕变性能。一、焊接性 这类异种焊接接头的焊接性较差，主要表现在两个方面：1、淬硬倾向 马氏体钢具有明显的空气淬硬倾向，焊后易得到硬度很高的马氏体组织，使焊缝金属脆性增加。,常见异种金属材料的焊接,在焊接热循环作用下，经高温放热，焊缝及熔合线附近晶粒急剧长大，加上焊接残余应力的作用，极易形成冷裂纹。此外，这两类钢种的碳当量值均较高，如珠光体钢的碳当量为0.626%，马氏体钢碳当量为2.99%，均超过产生冷裂纹的碳当量极限值0.4%，所以冷裂纹倾向均很大。,常见异种金属材料的焊接,2、形成增碳层和脱碳层 为了提高马氏体钢的高温强度，常在这类钢种加入Mo、V、W等易形成碳化物的元素，从而在焊接接头中导致珠光体钢焊缝熔合线附近的碳扩散形成脱碳层，而马氏体钢一侧，由于碳的迁入，形成增碳层。如F11钢与12Cr1MoV钢焊接时，选用E2-11MoVNiW-15焊条，焊缝金属中含铬量高，由于碳和铬的亲和力很强，于是在12Cr1MoV钢焊缝熔合区中的碳向着焊缝金属迁移，在焊接热循环的作用下，较短时间内，扩散距离可在。,常见异种金属材料的焊接,2、形成增碳层和脱碳层 如果焊后再760、保温4-5h进行回火热处理，则为碳扩散创造了更充分的条件，在靠近12Cr1MoV钢一侧焊缝的熔合区形成了一个宽的脱碳层。,常见异种金属材料的焊接,二、焊接工艺 这类异种钢焊接时，由于焊接性较差，所以必须采取严格的工艺措施。1、预热与层间温度 焊前预热和控制层间温度的目的是预防裂纹和残余应力。例如珠光体钢ZG15Cr1MoV和马氏体钢F12进行焊接时，预热温度按F12要求进行选择，温度控制在300-450，并保持此层间温度。,常见异种金属材料的焊接,2、焊后层间温度的控制及回火热处理 马氏体钢的焊接接头，如2Cr13、F12，焊后必须缓慢冷却到Mf点以下，大约在150-100，保温0.5-10h，使其焊接接头完全转变成马氏体组织，然后升温，进行热处理。马氏体钢的焊接接头，焊后不宜在较高温度下立即升温回火，是因为在焊接过程中奥氏体组织还未完全转变，立即升温进行回火热处理时，碳化物会从奥氏体晶界析出，得到粗大的铁素体加碳化物组织，性质很脆，容易造成焊接接头脆断。,常见异种金属材料的焊接,2、焊后层间温度的控制及回火热处理 如果将焊接接头焊后冷却到室温后进行回火热处理，此时2Cr13、F12钢将出现空气淬硬倾向，造成常温塑性降低，并且在常温下残余奥氏体将继续转变为马氏体组织，使焊接接头变得又硬又脆，组织应力也随之增加。如果再加上扩散氢的聚集，焊接接头中就可能产生裂纹。所以，2Cr13、F12钢的焊接接头，焊后一定要缓冷到150-100，保温，才能进行回火热处理。,常见异种金属材料的焊接,2、焊后层间温度的控制及回火热处理 对于F12钢与ZG15Cr1MoV钢的异种钢焊接接头的回火热处理参数，均按焊接性较差的钢种即F12钢进行选择，常用回火热处理温度为720-780，保温时间根据焊接壁厚，控制在2-5h范围内。F12钢与ZG15Cr1MoV钢焊接接头热处理过程的工艺参数，如图所示。,常见异种金属材料的焊接,3、焊接材料 珠光体钢与马氏体钢焊接时，可以选择三种不同的焊接材料：一种与珠光体钢相似；一种与马氏体钢相似；再一种是与这两类钢完全不同的焊接材料，即奥氏体焊条或焊丝。采用奥氏体钢焊条或焊丝时，可以使焊缝金属得到奥氏体组织，抗裂性能较好。缺点是焊后回火热处理过程中，容易发生碳的迁移，另外奥氏体钢热膨胀系数比马氏体钢约大50%，使焊缝祖师产生较大的内应力。所以一般都避免使用奥氏体钢焊条或焊丝。,常见异种金属材料的焊接,3、焊接材料 采用与珠光体钢相似的E5515-B2-VNb焊条焊接F12与ZG15Cr1MoV异种钢时，在接头处未发现脱碳层和增碳层现象。经过力学性能试验，冲击韧度大于100J/cm2，硬度值大于250HBS，其高温强度与马氏体耐热钢相等。,常见异种金属材料的焊接,珠光体钢与奥氏体钢的焊接,一、珠光体钢和奥氏体钢的焊接性 1焊缝的稀释 由于珠光体钢合金元素含量相对较低，所以它对整个焊缝金属的合金具有稀释作用，从而使焊缝的奥氏体形成元素含量减少，结果焊缝中可能会出现马氏体组织，导致焊接接头性能恶化，严重时甚至可能出现裂纹。焊缝的组织决定于焊缝的成分，而焊缝的成分决定于母材的熔入量，即熔合比。因此，一定的熔合比决定了一定的焊缝成分和组织。熔合比发生变化时，焊缝的成分和组织都要随之发生相应的变化，这种变化可以根据舍夫勒不锈钢的组织图来表示。,常见异种金属材料的焊接,常见异种金属材料的焊接,2过渡层的形成 在焊接热源的作用下，熔化的母材和填充金属材料相互混合的程度在熔池边缘是不相同的。在熔池边缘，液态金属温度较低，流动性较差，在液态停留时间较短。由于珠光体钢与奥氏体钢填充金属材料的成分相差悬殊。,常见异种金属材料的焊接,2过渡层的形成 在紧靠珠光体钢一侧熔合线的焊缝金属中，会形成和焊缝金属内部成分不同的过渡层。离熔合线越近，珠光体的稀释作用越强烈，过渡层中含铬、镍量也越小，因此，其铬当量和镍当量也相应减少。对照舍夫勒组织图可以看出，此时过渡层将由奥氏体区十马氏体，过渡层的宽度决定于所用焊条的类型。,常见异种金属材料的焊接,2过渡层的形成 当马氏体区较宽时，会显著降低焊接接头的韧性，使用过程中容易出现局部脆性破坏。因此，当工作条件要求接头的低温冲击韧度较好时，应选用含镍较高的焊条。,常见异种金属材料的焊接,3熔合区扩散层的形成 奥氏体钢和珠光体钢组成的焊接接头中，由于珠光体钢的合碳量较高，但合金元素含量较少（主要指碳化物形成元素）而奥氏体钢则相反，这样在熔合区珠光体钢一侧的碳和碳化物形成元素含量差。当接头在温度高于350400长期工作时，熔合区便出现明显的碳的扩散，即碳从珠光体钢一侧通过熔合区向奥氏体焊缝扩散。结果，在靠近熔合区的珠光体钢母材上形成了一层脱碳软化层，在奥氏体焊缝一侧产生了增碳硬化。,常见异种金属材料的焊接,影响脱碳层发展的因素有：（1）接头加热温度和在高温停留的时间 焊后状态，特别是在单层焊缝的接头中，即使采用大功率的韩恶疾参数，扩散层也是很弱的。但把接头重新加热到较高温度（500左右），并保温一定时间，扩散层就开始明显发展起来，到了600800时最为强烈，800时达到最大值，并且随着加热时间的延长，扩散层加宽。因此在通常情况下，这类异种钢接头不宜进行焊后热处理。,常见异种金属材料的焊接,影响脱碳层发展的因素有：（2）碳化物形成元素的影响 奥氏体钢种碳化物形成元素的种类和数量对珠光体钢中脱碳层的宽度有不同的影响。碳化物形成元素按由弱到强接下列次序排列：Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Ti。在数量相同的情况下，与碳亲和力越大的元素，则在珠光体钢中形成的脱碳层越宽。对于某一种碳化物形成元素，随着数量增加，脱碳层加宽。反之，当珠光体钢中碳化物形成元素增加时，能降低扩散层的发展。因此，在珠光体钢中加入Cr、Mo等元素，而且其数量要足以完全把碳固定在稳定碳化物中，是抑制这两类异种钢熔合区扩散层的有效手段，通常叫稳定珠光体钢。,常见异种金属材料的焊接,（3）母材含碳量的影响 珠光体钢中含碳量越高，扩散层的发展越（4）镍的影响 镍是一种石墨化元素，它会降低碳化物的稳定性，并削弱碳化物形成元素对碳的结合能力，因此提高焊缝中的镍含量，可以减弱扩散层。在金属材料中增加镍含量，是一种抑制熔合区扩散过程的有效手段。扩散层是这两种异种钢焊接接头中的薄弱环节，对接头的常温和高温瞬时力学性能影响不大，但会降低接头的高温持久强度，一般要降低10%-20%左右。,常见异种金属材料的焊接,4.焊接接头应力状态的特点 由于奥氏体钢和焊缝金属的线膨系数比珠光体钢大3050，而热导率却只有珠光体钢的50左右。因此，这种异种钢的焊接接头将会产生很大的热应力，特别当温度变化速度较快时，由热应力引起的热冲击力像合金钢淬火一样容易引起焊件开裂。此外，在交变温度条件下工作时，由于珠光体钢一侧抗氧化性能较差，易被氧化形成缺口，在反复热应力的作用下，缺口便沿着薄弱的脱碳层扩展，形成所谓热疲劳裂纹。这类异种钢接头焊后热处理并不能消除残余应力，只能引起应力的重新分布，这一点与同种金属的焊接有很大的不同。,常见异种金属材料的焊接,5.延迟裂纹 氢在不同的组织中，溶解度并不相同，并且与温度有关。当温度为500时，氢在奥氏体组织中的溶解度为4cm3/100g，而在铁素体组织中为0.75 cm3/100g，在100时，氢在奥氏体组织中的溶解度降到0.9cm3/100g，在铁素体组织中溶解度只有0.2cm3/100g。这类异种钢的焊接熔池在结晶过程中，既有奥氏体组织又有铁素体组织，两者相互接近，气体可以进行扩散，使扩散氢得以聚集，为产生延迟裂纹创造了条件，使焊接接头受到破坏。,常见异种金属材料的焊接,二、珠光体钢和奥氏体钢的焊接工艺,1焊接方法的选择 由于焊条电弧焊时熔合比比较小而且操作灵活，不受焊件形状的限制，所以，焊接这类钢时焊条电弧焊应用最为普遍。,常见异种金属材料的焊接,2焊接材料的选择 珠光体钢与奥氏体钢焊接时，焊缝及熔合区的组织和性能主要取决于填充金属材料。（1）克服珠光体钢对焊缝的稀释作用 由于珠光体钢对焊缝金属有稀释作用，因此，不釆用填充金属材料（如钨极氩弧焊）是不允许的。用E347-16型焊条施焊时，焊缝中会产生大量马氏体组织，而且在靠近珠光钢一侧，马氏体数量多，是脆性破坏的根源，故此种填充金属也不适用。用Ni大于12%的E309-16、E310-16型焊条施焊时，焊缝金属得到的组织基本上是奥氏体或者全部是奥氏体组织。由于镍的含量较高，能起到稳定奥氏体组织的作用，是比较理想的填充金属材料。,常见异种金属材料的焊接,（2）抑制熔合区碳的扩散 提髙焊接材料中的奥氏体形成元素，是抑制熔合区碳扩散的最有效的手段。随着焊接接头在使用过程中工作温度的提高，要阻止焊接接头中碳扩散，镍的含量也必须提高。不同温度工作条件下，异种钢接头对焊缝含镍量的要求如表所示。,常见异种金属材料的焊接,（3）改变焊接接头的应力分布 在高温工作下的异种钢接头，如果焊缝金属的线膨胀系数与奧氏体钢母材接近，那么高温应力就将集中、存珠光体钢一侧的熔合区内；由于珠光体钢通过塑性形降低应力的能力较弱，所以高温应力集中在奥氏体钢一侧较为有利。因此，焊接这类异种钢时，最好选用膨胀系数接近于珠光体钢的镍基合金焊接材料，如国外常用Crl5Ni70镍基材料，作为焊接上述异种钢的焊接材料。,常见异种金属材料的焊接,例如某厂在生产上焊接这类异种钢的对接接头时，将焊件开成V形坡口，可先在珠光体钢一侧的坡口用E309-16或E309-15型焊条堆 焊或使用E347-16型焊条进行施焊，施焊结果如表所示。均未发现任何裂纹现象，且综合力学性能较好。对表中后三种焊件，不论其厚度如何，均要进符预热和焊后回火热处理，才能得到满意的结果。,常见异种金属材料的焊接,（4）提高焊缝金属抗热裂纹的能力 珠光体钢与普通(Cr/Ni1)奥氏体钢焊接时，为了避免在焊缝中出现热裂纹，在不影响使用性能的前提下，最好使焊缝中含有体积分数为3%7%的铁素体组织。为此，在填充金属材料中要含有一定量的铁素体形成元素；珠光体钢与热强(Cr/Nil)奥氏体钢焊接时，所选用的填充金属材料应保证焊缝具有较高抗裂性能的单相奥氏体或奥氏体+碳化物组织。,常见异种金属材料的焊接,（4）提高焊缝金属抗热裂纹的能力 综上所述，珠光体钢与奥氏体钢焊接时，选用E309-16、E309-15或 E310-16、E310-15型焊条，它们不仅能抑制珠光体钢熔合区中碳的扩散，而且对改变焊接接头应力分布也有利。用E310-16、E310-15型焊条，其焊缝金属为单相奥氏体组织，除了焊接热强奥氏体钢外，对于其他类型的奥氏体钢，其热裂纹倾向较大，故生产上用得比较少。,常见异种金属材料的焊接,3.焊接工艺 珠光体钢与奥氏体钢焊接时主要是减少母材金属熔入焊缝。确定焊接工艺时，应保证焊缝获得一定的成分和组织，使接头具有良好的使用性能。珠光体钢的含碳量较高，碳化物形成元素较少，而奥氏体钢则相反，因此在珠光体钢与奥氏体钢接头的熔合线两侧出现碳和碳化物形成元素的浓度差。这类异种钢处于350400温度下长期工作时，或 在焊后热处理过程中，往往会在熔合线区域出现碳元素的、扩散，即前面所讲过的碳从珠光体钢一侧通过熔合线向奥氏体焊缝扩散，从而在珠光体钢母材金属边缘形成脱碳层，脱碳层的晶粒粗大，导致软化。,常见异种金属材料的焊接,在奥氏体钢母材金属一侧形成增碳层，增碳层中的碳元素以铬的碳化物形态析出，并导致硬化。实践证明，脱碳层是接头中的薄弱环节，对高温持久强度的影响较大，约降低10%20%。因此在选择焊条及制定焊接工艺时，应充分考虑两种材料的特性及焊条的选用。,常见异种金属材料的焊接,12CrMo、15CiMo珠光体钢与lCrl8Ni9Ti奥氏体钢焊接时，若选用E309-15、E310-15型焊条，即使稀释率达25%-30%，焊缝金属中也不致于出现马氏体组织。厚度超过20mm的珠光体钢与奥氏体钢的焊接接头刚度较大，在焊后热处理过程中或周期性的加热、冷却运行条件下，将产生很大的热应力，导致珠光体钢一侧的熔合区出现热疲劳裂纹。裂纹沿着脱碳层 延伸至母材金属内部，严重的引起接头断裂。为了减少热应力，采用热膨胀系数与珠光体钢相接近的含镍量高的E16-25MoN-15型焊条或ENiCrMo-0(NTi307)型运条。,常见异种金属材料的焊接,运行温度高于400450的异种钢焊接时，在珠光体耐热钢热12CrMoV）坡口上采用含钒、铌、钛、钨等碳化物形成元素的珠光体耐热钢焊条（如E5515B2V、E5515-B2VNb 型焊条）堆焊一层56mm的过渡层，以限制珠光体钢中的碳向奥氏体焊缝扩散。焊后在700760下进行回火处理，再用奥氏体钢焊条（如 E30915）焊接焊缝。,常见异种金属材料的焊接,为提高高温下运行的珠光体耐热钢与奥氏体钢焊接接头的高温持久强度，可在图2-11的管1和管5之间加一段含银、铌、钛等强碳化物形成元素的珠光体耐热钢的中间过渡管子。先用铬钼钢焊条(E5515-B2-15)焊接焊缝4，焊后在700-760下进行回火处理，再用奥氏体钢焊条(如E309-l5)焊接焊缝2。,常见异种金属材料的焊接,用E310-15型焊条焊成的12CrlMoVY与1Cr18Ni9Ti异种钢接头，在600下长期试验时，由于碳的强烈扩散，使熔合线附近的性能降低。但若用含铌的焊条E5515-B2-VNb在珠光体耐热钢一侧堆焊一层过渡层，则碳的扩散能力显著减弱且高温持久强度提高，试样断裂位置移到珠光体耐热钢母材一侧。焊条电弧焊接头的坡口形式对母材熔合比有很大的影响。焊接层数越多，熔合比越小；坡口越大，熔合比越小；u形坡口的熔合比比V 形坡口小。,常见异种金属材料的焊接,采用镍基合金型的焊条或焊丝进行焊接时，为使焊条或焊丝能自由摆动使熔池液态余属流到所要求的位置上，应增大坡口的角度，v形坡口的角度应增至80-90。釆用镍基焊条焊接时的坡口形式如图所示。,常见异种金属材料的焊接,为降低熔合比，焊接时应釆用小直径焊条或焊丝。在可能的情况下尽量采用小电流、高电压和快速焊接。焊条电弧焊时焊接电流的选用如表所示。,常见异种金属材料的焊接,焊接过渡层是为了减小扩散层尺寸，可在珠光体钢上堆焊一层稳定珠光体钢的过渡层。过渡层中应含有比母材更多的强碳化物形成元素，并使淬硬倾向减小。利用过渡层还可以降低对接头的预热要求及减少产生裂纹的危险性。过渡层的厚度应为56mm如图所示。,Thank You,Thank You,