1、第8章 異種金屬的焊接,圖8-1 幾種異種金屬焊接結(jié)構(gòu) （a）不銹鋼與低碳鋼的焊接 （b）耐熱鋼與低碳鋼的焊接 （c）不銹鋼與黃銅的焊接 （d）鋁合金與紫銅的焊接,（c） （d）,異種鋼 異種金屬 鋼與有色金屬 異種有色金屬,8.1 異種金屬焊接概述,知識(shí)目標(biāo)： 1.了解異種金屬焊接的應(yīng)用及類型； 2.熟悉異種材料的焊接性特點(diǎn)； 能力目標(biāo)： 能夠根據(jù)異種材料的性能特點(diǎn)正確分析其焊接性。,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),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

2、鉻鉬耐熱鋼、1Cr18Ni9Ti 與高鎳奧氏體鋼（如Cr25Ni20、 Cr16Ni36）之間的焊接。,最常見(jiàn)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。,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

3、、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,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。,異 種

4、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(guò)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(lái)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。,影響 異種 材料 焊接 性的 因素,熱物理 性能的 差異,結(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、

5、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(guò)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(shuō) 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，,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(lái)連接異種材料構(gòu)件,8.2 異種鋼的焊接,知識(shí)目標(biāo)： 1

6、.掌握異種鋼的焊接性特點(diǎn)及分析方法； 2.掌握異種鋼焊接的工藝特點(diǎn)； 3.熟悉典型異種鋼的焊接方法。 能力目標(biāo)： 能夠根據(jù)異種鋼的性能特點(diǎn)正確分析其焊接性，并合理選擇焊接方法及工藝參數(shù)對(duì)其焊接。,8.2.1 異種鋼的焊接性分析,異種鋼焊接種類： 1）母材金相組織相同，焊縫金屬與母材基體合金系和組織不同 2）母材金相組織不同 3）復(fù)合鋼焊接結(jié)構(gòu)件,異種鋼焊接主要問(wèn)題： 焊縫成分的稀釋 熔合區(qū)凝固過(guò)渡層的形成 碳遷移擴(kuò)散層 接頭的應(yīng)力狀態(tài),1.焊縫成分的稀釋,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

7、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 /%,稀 釋：焊縫中合金元素比例減小的現(xiàn)象 合金化：焊縫中合金元素比例增大的現(xiàn)象,（1）由于珠光體鋼的稀釋作用，會(huì)引起焊縫的組織和性能都要發(fā)生較大的變化，若填充金屬選擇不當(dāng)，則焊縫中會(huì)出現(xiàn)數(shù)量不等的馬氏體，塑性及韌性都將下降； （2）通過(guò)調(diào)整填充金屬的成分及熔合比，可以在很大范圍內(nèi)改變焊縫的成分、組織與性能，從而獲得抗裂性較高的組織。,2. 熔合區(qū)凝固過(guò)渡層的形成,熔池邊緣的液態(tài)金屬溫度較低、流動(dòng)性較差、液態(tài)停留時(shí)間較短，機(jī)械攪拌作用較弱，導(dǎo)致熔化的母材不能與填充金屬充分混合，

8、這部分焊縫中母材熔化金屬所占的比例較大。因此，在毗鄰珠光體鋼一側(cè)熔合線的焊縫金屬中，就會(huì)形成一層與內(nèi)部焊縫金屬成分不同的過(guò)渡層。,過(guò)渡層中的高硬度馬氏體組織會(huì)使脆性增加，塑性顯著下降，形成低塑性帶，從而降低了焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。 低塑性帶的寬度隨所用焊條的不同而異，一般為0.2-0.6mm,熔合過(guò)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(guò)程中，特別是接頭處于熱處理及高溫運(yùn)行過(guò)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

9、的靠奧氏體焊縫一側(cè)產(chǎn)生增碳層。,3. 焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài),珠光體鋼與奧氏體鋼焊接時(shí)，接頭在焊后除了產(chǎn)生由于局部加熱而引起的熱應(yīng)力外，還有由于兩種鋼的熱膨脹系數(shù)相差很大，不僅在焊接后會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，而且在使用中如有循環(huán)溫度的作用，也會(huì)形成熱應(yīng)力，因而這種異種鋼的焊接接頭應(yīng)力狀態(tài)較之同種金屬焊接時(shí)更為復(fù)雜。更重要的是由于熱膨脹系數(shù)不同所形成的殘余應(yīng)力，經(jīng)過(guò)熱處理是無(wú)法消除的。,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(guò)程，但在隨后冷卻過(guò)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”。,8.2.2 異種鋼的焊接工藝特點(diǎn),

10、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(duì)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。,焊接材料的選擇原則：,A、保證焊縫金屬與基體金屬有良好的力學(xué)性能，一般根據(jù)接頭兩側(cè)焊接性較差或強(qiáng)度較低的材料選擇焊接材料； B、保證焊縫金屬具有一定的致密性，無(wú)氣孔、夾雜； C、保證有良好的工藝性能，即不出現(xiàn)裂紋、適應(yīng)各種位置焊接； D、保證焊縫金屬具有

11、所要求的特性，如熱強(qiáng)性、耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性等； E、對(duì)不能形成固溶體的異種金屬，可在良種被焊的異種金屬之間加能形成固溶體的中間過(guò)渡層。,8.2.3 典型異種鋼的焊接,舉例： A、不同強(qiáng)度等級(jí)鐵素體或珠光體型鋼之間的焊接（如20G15CrMoG），其總的特點(diǎn)是線膨脹系數(shù)按近、導(dǎo)熱系數(shù)相差不大。因而主要考慮運(yùn)行時(shí)工作應(yīng)力平滑過(guò)渡、組織穩(wěn)定，一般選用成分或強(qiáng)度（常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度）介于兩者之間的焊接材料。 B、碳鋼或低合金、高合金鋼與奧氏體不銹鋼焊接，要考慮稀釋、碳擴(kuò)散和熱應(yīng)力三方面的問(wèn)題，同時(shí)還要考慮焊接工藝性及使用條件： a、當(dāng)產(chǎn)品工作溫度400時(shí)，通常選用A307或A507； b、當(dāng)產(chǎn)品

12、工作溫度400或焊接接頭要求熱處理時(shí)，則受壓元件對(duì)接接頭可選用鎳基焊接材料，而受壓元件與附件的焊接選用高鉻鎳不銹鋼焊接材料。,隔離層堆焊法,為了防止因應(yīng)力過(guò)高而在回火處理或使用過(guò)程中在熔合區(qū)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，可以在珠光體鋼的坡口表面堆焊含有較多的強(qiáng)碳化物形成元素過(guò)渡層 （如高鉻鎳奧氏體鋼焊條或鎳及鎳合金電焊條Ni307）。過(guò)渡層厚度一般為6-9mm。 為防止凝固過(guò)渡層，可在P鋼的坡口先堆焊一層23-13之類的A金屬隔離層，這樣可使P鋼在拘束度極小的情況下焊接；堆焊隔離層時(shí)，應(yīng)避免在A鋼上熔敷碳鋼或低合金鋼，從而導(dǎo)致形成脆硬的M組織焊縫； 為防止碳遷移現(xiàn)象，可先在P鋼的坡口上用V、Nb、Ti等含量較

13、高的焊條堆焊第一隔離層，再用適當(dāng)?shù)腁焊條堆焊第二隔離層；（廣泛用于不銹鋼管與低合金鋼管的焊接）,圖8-1 異種鋼焊接中的隔離層堆焊,例： 16Mn鋼與0Crl8Ni11Ti鋼的焊接,采用焊條電弧焊進(jìn)行16Mn+0Crl8Ni11Ti異種鋼的焊接，兩金屬母材厚度均為l2mm，焊接工藝要點(diǎn)如下： （1）接頭及坡口形式 如圖所示： （2）清理坡口 將坡口及其邊緣徹底清理干凈，使之露出金屬光澤。 （3）堆焊過(guò)渡層 選用Ni112（焊縫主要成分wNi92）鎳基合金焊條在16Mn鋼母材金屬的坡口上堆焊過(guò)渡層，堆焊層厚度為3.2mm。 （4）焊滿坡口 選用E318-16（A212）焊條將整個(gè)坡口填滿。焊每道

14、焊縫時(shí)，注意及時(shí)清理焊渣，為防止過(guò)熱，各道焊縫應(yīng)交叉進(jìn)行焊接。 （5）背面焊縫 正面坡口焊滿后，對(duì)焊縫背面進(jìn)行徹底清根，并選用上述同樣焊條進(jìn)行封底焊接，注意保證正、反面，焊縫形狀尺寸。,8.2.4 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

15、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。,表8.3 不銹復(fù)合鋼焊接材料的選用,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(duì)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(guò)渡層，最后焊復(fù)層，同時(shí)考慮過(guò)渡層的焊接特點(diǎn)，盡量減少?gòu)?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(duì)接接頭間隙約1.52mm，保證不錯(cuò)邊。先焊基層，

16、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(guò)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。,8.3 鋼與有色金屬的焊接,知識(shí)目標(biāo)： 1.了解鋼與有色金屬的焊接特點(diǎn)； 2.熟悉鋼與鋁及鋁合金的焊特點(diǎn)； 3.熟悉鋼與銅及銅合金的焊特點(diǎn)。 能力目標(biāo)： 能夠根據(jù)鋼與有色金屬的性能特點(diǎn)正確分析其焊接性，并合理選擇焊接方法及工藝參數(shù)對(duì)其焊接。,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)

17、、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(lái)不及析出，就會(huì)形成氣孔。,表8.4 有色金屬與鋼焊接常出現(xiàn)的問(wèn)題、產(chǎn)生原因及防止措施,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

18、冷卻過(guò)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。,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(duì)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

19、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。,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(wèn)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(duì)滲透裂紋 的形成及裂紋長(zhǎng)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。,焊接工 藝要點(diǎn),焊接方法 和焊接材料,坡

20、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(duì)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(guò)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5-8 mm，盡量減少鋼一側(cè)的熔化量，采用熔焊-釬焊工藝。,知識(shí)目標(biāo)： 1.了解鋁與銅的焊接工藝特點(diǎn)； 2.了解鋁與鈦的焊接工藝特點(diǎn)；

21、 3.了解鈦與銅的焊接工藝特點(diǎn)。 能力目標(biāo)： 能夠根據(jù)異種有色金屬的性能特點(diǎn)正確分析其焊接性，并合理選擇焊接方法及工藝參數(shù)對(duì)其焊接。,8.4 異種有色金屬的焊接,8.4.1鋁與銅的焊接 鋁與銅可以用熔焊、壓焊和釬焊，其中以壓焊應(yīng)用最多。 鋁和銅能形成多種由金屬間化合物為主的固溶體相，其中有A1Cu2、A12Cu3,A1Cu、A12Cu等。 鋁銅合金中含銅量在12一13以下時(shí)，綜合性能最好。因此，熔焊時(shí)應(yīng)設(shè)法控制焊縫金屬的鋁銅合金中銅的含量不超過(guò)這個(gè)范圍，或者采用鋁基合金。,8.4.2 鋁與鈦的焊接,鈦和鋁不能直接用熔焊，因?yàn)閮烧呶锢砘瘜W(xué)性能、力學(xué)性能差別很大，而且電子結(jié)構(gòu)和原子半徑等也有明顯不

22、同；鋁的熔點(diǎn)比鈦低1160；鈦在鋁中的溶解度極小，室溫下只有0.07%；在不同溫度條件下分別能形成TiAl型和TiAl3型化合物，當(dāng)溫度超過(guò)900時(shí)，又會(huì)形成TiAl3，這時(shí)鈦尚未熔化。所以最好采用鈦不熔化，而鋁熔化的熔焊-釬焊法，控制鋁的溫度不超過(guò)800850。,8.4.3 鈦與銅的焊接,鈦與銅焊接的主要問(wèn)題是兩者之間互溶性很小，能形成多種脆性金屬間化合物，如TiCu2、TiCu、TiCu4等。此外還形成多種共晶體，其中熔點(diǎn)最低的TiCu2+TiCu4共晶只有860。 熔焊時(shí)常加入含有鉬、鈮或鉭的鈦合金過(guò)渡段，目的使轉(zhuǎn)變溫度降低以獲得與銅組織相近的單相的鈦合金。這樣與銅焊接可以得到較為滿意的焊接接頭。表8-5舉出TB2(型鈦合金)與T2（2號(hào)純銅）熔焊用的工藝參數(shù)和接頭性能例子。,固態(tài)焊很適于鈦