8.1異種材料的分類、組合及焊接性特點(diǎn)8.1.1異種材料的分類和組合表8.1異種材料焊接的分類、組合及特點(diǎn)第1頁/共24頁第一頁，共25頁。不同化學(xué)成分和金相組織的異種鋼

母材金相組織相同復(fù)合鋼焊接結(jié)構(gòu)件母材金相組織不同的異種鋼焊接構(gòu)件例低碳鋼與鉻鉬耐熱鋼、1Cr18Ni9Ti與高鎳奧氏體鋼（如Cr25Ni20、Cr16Ni36）之間的焊接。最常見的有珠光體鋼與鉻鎳奧氏體鋼、珠光體鋼與高鉻鐵素體鋼的焊接結(jié)構(gòu)件等

這類結(jié)構(gòu)件是用低碳鋼或低合金鋼做基層，用不銹鋼或有色金屬（Ti、Cu、Al等）做復(fù)層，采用復(fù)合軋制、爆炸焊、堆焊等工藝制成的雙金屬板材。

第2頁/共24頁第二頁，共25頁。不同用途的異種材料焊接結(jié)構(gòu)件用于耐磨的異種金屬焊接構(gòu)件用于耐熱的異種金屬焊接構(gòu)件

用于耐腐蝕的異種金屬焊接構(gòu)件

用于減輕裝備重量的異種金屬焊接構(gòu)件

提高電磁性能的異種金屬焊接構(gòu)件

如不銹鋼、耐熱鋼、鎳基合金、鈷基合金、耐熱超合金、復(fù)合材料、金屬間化合物以及鉭、鈮、鉬合金等如高碳鋼、各種合金鋼、高錳鋼、超合金、碳化鎢等硬質(zhì)合金如各種不銹鋼、鎳基合金、銅、鋁、鈦、鉭及其合金等。

如鈦、鋁、鎂及其合金等，主要用于航空航天、運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈、運(yùn)輸設(shè)備等。如銀、銅、鈹及其合金等，主要用于制造電器、計(jì)算機(jī)、電子工業(yè)零件等第3頁/共24頁第三頁，共25頁。8.1.2異種材料的焊接性特點(diǎn)指將不同化學(xué)成分、不同組織性能的兩種或兩種以上金屬，在一定的工藝條件下焊接成規(guī)定設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件，并使形成的接頭滿足預(yù)定的服役要求。異種材料的焊接異種材料的焊接性取決于兩種材料的組織結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性能等，兩種材料的這些性能差異越大，焊接性越差。第4頁/共24頁第四頁，共25頁。異種材料焊接的困難異種材料的線膨脹系數(shù)不同，容易引起熱應(yīng)力，而且這種熱應(yīng)力不易消除，結(jié)果會(huì)使接頭處產(chǎn)生裂紋或很大的焊接變形。異種材料焊接過程中，由于金相組織的變化以及新生成的組織或化合物，可使焊接接頭的性能惡化，給焊接帶來很大的困難。

異種材料焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)的力學(xué)性能較差，特別是塑性和韌性明顯下降。

由于接頭塑韌性的下降以及焊接應(yīng)力的存在，異種材料焊接接頭容易產(chǎn)生裂紋，尤其是焊接熱影響區(qū)更容易產(chǎn)生裂紋，甚至發(fā)生斷裂。第5頁/共24頁第五頁，共25頁。

影響異種材料焊接性的因素?zé)嵛锢硇阅艿牟町惤Y(jié)晶化學(xué)性能的差異材料的表面狀態(tài)兩種材料熱物理性能的差異主要是指熔化溫度、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等的差異，它們將影響焊接熱循環(huán)過程、結(jié)晶條件，降低焊接接頭的質(zhì)量。結(jié)晶化學(xué)性能的差異主要是指晶格的類型、晶格參數(shù)、原子半徑、原子的外層電子結(jié)構(gòu)等的差異，也就是通常所說的“冶金學(xué)上的不相容性”。

材料的表面狀態(tài)，如表面氧化層（氧化膜）、結(jié)晶表面層、吸附的氧離子和水份、油污、雜質(zhì)等，第6頁/共24頁第六頁，共25頁。異種材料焊接方法

熔焊

壓焊熔焊在異種材料焊接中應(yīng)用很廣，主要的熔焊方法有電弧焊、氣體保護(hù)焊、電子束焊、激光焊等。異種材料焊接常采用壓焊方法主要有電阻焊、冷壓焊、擴(kuò)散焊、摩擦焊等。還可以采用釬焊方法來連接異種材料構(gòu)件

第7頁/共24頁第七頁，共25頁。8.2異種鋼的焊接8.2.1異種鋼的焊接性分析焊縫成分的稀釋（熔合比）

焊縫金屬實(shí)際上是熔敷金屬與熔化的基體金屬混合在一起的合金?；w金屬（母材）溶入焊縫后使其合金元素比例發(fā)生變化，焊縫中合金元素比例減小稱為“稀釋”，若比例增加則稱為“合金化”。表8.2

焊條電弧焊和堆焊時(shí)基體金屬的熔合比/%第8頁/共24頁第八頁，共25頁。熔合過渡區(qū)的形成異種鋼焊接接頭塑性和韌性降低的主要原因是熔合區(qū)出現(xiàn)馬氏體脆性層。熔合區(qū)馬氏體脆性層的寬度與焊接工藝和填充材料等有關(guān)。

馬氏體脆性層碳遷移擴(kuò)散層

奧氏體和珠光體異種鋼在焊接過程中，特別是接頭處于熱處理及高溫運(yùn)行過程中，熔合區(qū)附近存在碳的擴(kuò)散遷移，在熔合區(qū)靠珠光體鋼一側(cè)產(chǎn)生脫碳層，而在相鄰的靠奧氏體焊縫一側(cè)產(chǎn)生增碳層。接頭區(qū)應(yīng)力狀態(tài)異種鋼接頭在回火加熱時(shí)發(fā)生了應(yīng)力松弛過程，但在隨后冷卻過程中，隨著彈性性能的恢復(fù)，異種鋼焊接接頭不均勻的熱收縮性會(huì)重新引起殘余應(yīng)力，這屬于“回火殘余應(yīng)力”。第9頁/共24頁第九頁，共25頁。8.2.2異種鋼的焊接工藝特點(diǎn)

焊接方法及焊接材料焊接工藝要點(diǎn)珠光體鋼與奧氏體鋼焊接時(shí)，常規(guī)的手工電弧焊和氣體保護(hù)焊都可采用。針對奧氏體和珠光體異種鋼的焊接，一般選用Cr25-Ni13系焊條，如E309-15、E309-16等。焊接珠光體和奧氏體異種鋼接頭時(shí)，應(yīng)盡量降低熔合比，減少焊縫金屬被稀釋。為此應(yīng)減小焊條或焊絲直徑，采用大坡口、小電流、快速多層焊等工藝。第10頁/共24頁第十頁，共25頁。8.2.3不銹復(fù)合鋼的焊接不銹復(fù)合鋼板是由較厚的珠光體鋼（基體）和較薄的不銹鋼（復(fù)層）復(fù)合軋制而成的雙金屬板?；w多為碳鋼或低合金鋼，復(fù)層多為奧氏體不銹鋼，如

1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti、Cr23Ni28Mo3Cu3Ti等，主要滿足耐蝕性能要求。復(fù)層通常是在容器里層，厚度一般只占復(fù)合鋼板總厚度的10%-20%。不銹復(fù)合鋼的焊接性分析焊縫容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋熱影響區(qū)易產(chǎn)生液化裂紋稀釋率的影響

結(jié)晶區(qū)間的影響復(fù)合鋼焊接時(shí)，奧氏體鋼熱影響區(qū)由于受焊接熱循環(huán)影響，低熔點(diǎn)雜質(zhì)或共晶液化，在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生液化裂紋。第11頁/共24頁第十一頁，共25頁。

表8.5不銹復(fù)合鋼焊接材料的選用第12頁/共24頁第十二頁，共25頁。復(fù)層鋼的焊接工藝要點(diǎn)

坡口形式和焊接順序工藝要點(diǎn)

焊后熱處理

對于復(fù)合鋼板接頭設(shè)計(jì)和坡口形式，薄件可采用I形坡口，較厚的復(fù)合鋼板可采用V形、U形、X形、V和U復(fù)合坡口。一般盡可能采用X形坡口雙面焊。

復(fù)合鋼的焊接順序：先焊基層，再焊過渡層，最后焊復(fù)層，同時(shí)考慮過渡層的焊接特點(diǎn)，盡量減少復(fù)層一側(cè)的焊接量。首先必須保證復(fù)合鋼工件裝配的質(zhì)量，一般對接接頭間隙約1.5~2mm，保證不錯(cuò)邊。先焊基層，第一道基層焊縫不應(yīng)熔透到復(fù)層金屬，基層焊完后，用碳弧氣刨、鏟削或磨削法清理焊根，經(jīng)X射線探傷合格后，才能焊接過渡層。在不銹復(fù)合鋼的焊接接頭中，不進(jìn)行復(fù)層的固溶處理，一般也不進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。但是，在極厚的復(fù)合鋼的焊接中，往往要求中間退火和消應(yīng)力熱處理。第13頁/共24頁第十三頁，共25頁。8.3鋼與有色金屬的焊接

8.3.1鋼與有色金屬的焊接性特點(diǎn)焊接裂紋

生成脆性化合物

焊縫中的氣孔

鋼與有色金屬的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)、力學(xué)性能都有很大的差別。焊接時(shí)低熔點(diǎn)的母材先熔化，而高熔點(diǎn)的母材仍處在固體加熱狀態(tài)，二者難以熔合。鋼與有色金屬焊接時(shí)，由于Al、Cu、Ti等在Fe中的溶解度不同，接頭處除形成固溶體外，還會(huì)形成脆性化合物，影響接頭性能。鋼與鈦、鎳及其合金焊接時(shí)，焊縫中很容易產(chǎn)生氣孔。這是因?yàn)門i、Ni基體在高溫下易吸收、溶解較多的H、O、N，熔池凝固結(jié)晶時(shí)這些氣體來不及析出，就會(huì)形成氣孔。第14頁/共24頁第十四頁，共25頁。表8.9有色金屬與鋼焊接常出現(xiàn)的問題、產(chǎn)生原因及防止措施第15頁/共24頁第十五頁，共25頁。8.3.2鋼與鋁及鋁合金的焊接焊接性分析鋼與鋁及其合金焊接時(shí)，由于Fe在固態(tài)Al中的溶解度極小，室溫下，F(xiàn)e幾乎不溶于Al，所以冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生FeAl3，并且隨著Fe含量的增加，還會(huì)出現(xiàn)Fe2Al、Fe2Al7、Fe2Al5、FeAl2等脆性金屬間化合物，降低接頭的塑韌性，甚至?xí)鸷附恿鸭y。第16頁/共24頁第十六頁，共25頁。焊接工藝要點(diǎn)焊接方法和焊接材料焊前準(zhǔn)備焊接工藝及參數(shù)鋼與鋁及其合金熔焊一般采用氬弧焊、電子束焊等方法。此外，采用摩擦焊、超聲波焊、擴(kuò)散焊和冷壓焊等壓焊方法焊前必須徹底清理待焊工件表面，消除氧化物薄膜。對鋁件的表面處理可以用15%-20%NaOH或KOH溶液浸蝕，浸蝕后用清水沖洗，然后在20%的HNO3水溶液中鈍化，沖洗和干燥之后，放在干凈的環(huán)境中待焊。鋼與鋁及其合金氬弧焊時(shí)，電弧要指向鋁及其合金一側(cè)的焊絲上采用摩擦焊時(shí)，應(yīng)盡量縮短接頭的加熱時(shí)間并施加較大的擠壓力采用冷壓焊焊接鋼與鋁及其合金，有兩種焊接工藝，一種是在Al+Al3Fe的共晶溫度以上焊接；另一種工藝是先在鋼件上涂敷Cu、Ag或Zn，然后再進(jìn)行冷壓焊。

第17頁/共24頁第十七頁，共25頁。8.3.3鋼與銅及銅合金的焊接焊接性分析鋼與銅焊接存在的主要問題是焊縫易產(chǎn)生熱裂紋、熱影響區(qū)易產(chǎn)生滲透裂紋。鋼與銅焊縫金屬的化學(xué)成分對滲透裂紋的形成及裂紋長度有很大影響。

熱裂紋主要與低熔共晶、晶界偏析以及鋼與銅的線膨脹系數(shù)相差較大有關(guān)。焊縫中出現(xiàn)低熔點(diǎn)共晶或是銅的晶界偏析，在較大的焊接應(yīng)力作用下，產(chǎn)生熱裂紋。第18頁/共24頁第十八頁，共25頁。焊接工藝要點(diǎn)

焊接方法和焊接材料坡口形式焊接工藝及參數(shù)

可以采用手工電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊和電子束焊等。低碳鋼板厚度小于4mm，一般不開坡口，厚度大于4mm時(shí)要開V形坡口，坡口角度為60°-70°，鈍邊為1-2mm，可不留間隙。厚度大于10mm的開不對稱V形坡口，坡口角度為60°-70°，銅一側(cè)角度稍大于鋼一側(cè)，鈍邊3mm，間隙0-2mm。鋼與銅及其合金焊接應(yīng)采用小直徑焊條或焊絲、小電流、快速焊，不擺動(dòng)的焊接工藝。施焊過程中，控制焊接電弧必須指向銅及其合金一側(cè)，偏離鋼一側(cè)，距坡口中心約為5-8mm，盡量減少鋼一側(cè)的熔化量，采用熔焊-釬焊工藝。第19頁/共24頁第十九頁，共25頁。1.珠光體鋼與奧氏體鋼焊接時(shí)，從焊接性角度分析應(yīng)注意哪幾個(gè)問題，為什么？2.如果低合金結(jié)構(gòu)鋼焊縫根部第1層用不銹鋼焊條焊接，第2層用結(jié)構(gòu)鋼焊條焊接，分析這種組合焊縫是否合理？兩層焊縫交界區(qū)的組織性能有什么特點(diǎn)？所用的不銹鋼焊條應(yīng)選用何種合金系，為什么？第20頁/共24頁第二十頁，共25頁。3.什么是碳遷移過渡層？焊接異種鋼時(shí)如何防止碳的擴(kuò)散遷移？4.低合金鋼（Q345）與0Cr18Ni9Ti不銹鋼焊接時(shí)，為什么有時(shí)要在低合金鋼母材一側(cè)的坡口面上堆焊過渡層？5.異種鋼焊接時(shí)，可否在奧氏體鋼一側(cè)的坡口面上用低合金鋼或碳鋼焊條堆焊過渡層，然后再與低合金鋼或碳鋼焊接？為什么？第21頁/共24頁第二十一頁，共25頁。6.為什么采用熔焊方法很難實(shí)現(xiàn)有色金屬與鋼的可靠連接？分析有色金屬與鋼焊接時(shí)出現(xiàn)的問題有哪些，應(yīng)采取什么措施？7.低合金鋼與不銹鋼焊接時(shí)，應(yīng)選擇什么型號或合金系的填充材料？8.珠光體-奧氏體異種鋼焊接時(shí)，過渡區(qū)出現(xiàn)脆化是什么原因，如何防止？第22頁/共24頁第二十二頁，共25頁。9.簡述復(fù)合鋼板的焊接程序。采用焊條電弧焊焊接0Cr13與Q235復(fù)合鋼板時(shí)，應(yīng)選用什么型號或合金系的焊條焊接過渡層？10.采用埋弧焊焊接20g與1Cr18Ni29Ti的復(fù)合鋼板，針對基層、復(fù)層和過渡層，給出焊絲與焊劑的型號（或牌號）及焊接工藝要點(diǎn)。第2