異種材料的焊接課件

1、第8章 異種材料的焊接_8.1 異種材料的分類、組合及焊接性特點(diǎn)_8.2 異種鋼的焊接_8.3 鋼與有色金屬的焊接_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_ 8.1.2 異種材料的焊接性特點(diǎn)_ 1、異種材料焊接的困難 2、影響異種材料焊接性的因素 3、異種材料焊接方法 4、異種焊接材料的選用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)分類異種材料焊接組合焊接問題實(shí)例1異種鋼焊縫化學(xué)成分不均勻、熔合區(qū)塑性降低(脆性層)、產(chǎn)生裂紋（應(yīng)力分布不均勻） 如珠光體鋼與奧氏體鋼的焊接、 復(fù)合鋼的焊接結(jié)

2、構(gòu)等2鋼與有色金屬氧化導(dǎo)致的未熔合、氣孔、裂紋、接頭力學(xué)性能低 如鋼與鋁的焊接、鋼與銅的 焊接等3異種有色金屬氧化性導(dǎo)致的未熔合、脆性相、氣孔、裂紋 如銅與鋁的焊接、鋁與鈦的 焊接等4金屬與非金屬界面結(jié)合（潤(rùn)濕性）差、脆性相、裂紋接頭性能下降 如鋼與石墨的焊接、金屬與陶 瓷的焊接、金屬間化合物與鋼 的焊接（1）母材金相組織相同，但焊縫金屬與母材基體合金系及組織性能不同的異種鋼焊接構(gòu)件 如低碳鋼鉻鉬耐熱鋼，1Cr18Ni9Ti與高Ni奧氏體鋼之間的焊接，這一類實(shí)際上屬于同種鋼焊接構(gòu)件，但當(dāng)采用的焊接材料與母材的成分差別較大時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生類似于異種鋼焊接中的問題異種鋼的焊接（2）母材金相組織不同的異

3、種鋼焊接構(gòu)件 如珠光體鋼鉻鎳奧氏體鋼、珠光體鋼高鉻鐵素體鋼（3）復(fù)合鋼焊接構(gòu)件 用低碳鋼或低合金鋼作基層，用不銹鋼或有色金屬（Ti、 Cu、Al）作復(fù)層，采用復(fù)合軋制、爆炸焊、堆焊等制成的雙 金屬板材。 用于耐磨的異種金屬焊接構(gòu)件 如高碳鋼、各種合金鋼、高錳鋼、硬質(zhì)合金等不同用途的異種材料的焊接 用于耐熱的異種金屬焊接構(gòu)件 如不銹鋼、耐熱鋼、鎳基合金、鈷基合金等 用于耐腐蝕的異種金屬焊接構(gòu)件 如不銹鋼、鎳基合金、銅、鋁、鈦及其合金等 用于減輕裝備重量的異種金屬焊接構(gòu)件 如鈦、鋁、鎂及其合金等，主要用于航空航天、運(yùn)載火箭等 提高電磁性能的異種金屬焊接構(gòu)件 如銀、銅、鈹及其合金等，主要用于電子電器

4、等8.1.2 異種材料的焊接性特點(diǎn)3、異種材料焊接方法1）熔焊：應(yīng)用廣泛 焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、電子束焊、激光焊等 應(yīng)采用小電流、高速焊，或者在坡口一側(cè)或兩側(cè)堆焊中間合金過渡層，來降低稀釋率，防止互擴(kuò)散導(dǎo)致的接頭部位的成分或組織不均勻。焊條電弧焊：工藝簡(jiǎn)便，操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng) 薄件用TIG焊，厚件：MIG或MAG焊電子束焊、激光焊：熱源密度集中，溫度高，焊縫窄 而深，焊接質(zhì)量好。熔焊、壓焊、釬焊3、異種材料焊接方法2）壓焊： 壓焊基體通常并不熔化，焊接溫度低于金屬的熔點(diǎn)。有的也加熱至熔化狀態(tài)，然后加壓將液態(tài)金屬擠出，但仍以固相結(jié)合而形成接頭。 電阻焊、冷壓焊、擴(kuò)散焊、摩擦焊等另：釬焊：熔焊方

5、法難連接的陶瓷、復(fù)合材料等4、異種焊接材料的選用選用一般原則：1）保證焊接接頭的使用性能，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；2）保證焊縫金屬具有一定的致密性，無氣孔、夾雜或 僅有單個(gè)小孔與夾雜，但數(shù)量在長(zhǎng)度范圍內(nèi)不超過 規(guī)定值3）應(yīng)具有良好的工藝性能，即在焊接接頭區(qū)內(nèi)不出現(xiàn) 熱裂紋和冷裂紋，能夠適應(yīng)各種空間位置的焊接， 有一定的生產(chǎn)效率4）保證焊縫金屬具有所要求的特性，包括熱強(qiáng)性、耐 熱性、耐腐蝕性和耐磨性等5）為了改善異種金屬焊接性能，對(duì)不能形成固溶體的 異種金屬，可在兩種被焊金屬之間加能形成固溶體 的中間過渡層8.2 異種鋼的焊接_ 8.2.1 異種鋼的焊接性分析_ 1

6、、焊縫成分的稀釋（熔合比） 2、熔合過渡區(qū)的形成 3、接頭區(qū)應(yīng)力狀態(tài) 8.2.2 異種鋼的焊接工藝特點(diǎn)_ 1、焊接方法及焊接材料 2、焊接工藝要點(diǎn) 8.2.3 不銹復(fù)合鋼的焊接 1、不銹復(fù)合鋼的焊接性分析 2、焊接材料 3、復(fù)合鋼的焊接工藝要點(diǎn)8.2 異種鋼的焊接8.1.1 異種鋼的焊接性分析以?shī)W氏體-珠光體異種鋼焊接為例 不但要考慮珠光體鋼的焊接問題（冷裂紋、熱裂紋、層狀撕裂、再熱裂紋、HAZ脆化和軟化）和奧氏體不銹鋼的焊接問題（熱裂紋、晶間腐蝕、接頭等強(qiáng)性），而且還必須考慮兩種鋼焊接時(shí)產(chǎn)生的新問題。1、焊縫成分的稀釋（熔合比） 母材溶入焊縫后使其合金元素比例發(fā)生變化：稀釋：焊縫中合金元素比

7、例減小合金化：焊縫中合金元素比例增加 稀釋或合金化的程度取決于熔合比， 即基體金屬在焊縫中所占的百分比應(yīng)盡量選擇熔合比小的焊接方法1、焊縫成分的稀釋（熔合比）1、焊縫成分的稀釋（熔合比）1、焊縫成分的稀釋（熔合比） 熔合比取決于多種因素：坡口形式、焊接參數(shù)和金屬的熔化特性、導(dǎo)熱性等。 坡口角度越大，熔合比越小，熔合比在各堆焊層之間的變化很大； 坡口角度越小，熔合比越大，熔合比在各堆焊層之間的變化很?。恢楣怏w鋼對(duì)焊縫金屬的稀釋作用： 珠光體鋼合金元素少，奧氏體不銹鋼元素多，在焊接過程中珠光體鋼母材的熔化會(huì)對(duì)焊縫金屬有稀釋作用，使得焊縫金屬中含Ni量、Cr量減少，焊縫金屬奧氏體化元素含量減少，可能

8、在焊縫中產(chǎn)生M，使焊縫性能變壞，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生裂紋。圖8-2 奧氏體異種鋼的焊縫組織圖適于大多數(shù)使用條件的焊縫金屬成分，奧氏體+3%8%鐵素體圖8-4 Q235+1Cr18Ni9焊接舍夫勒?qǐng)D1Cr18Ni9奧氏體鋼為a點(diǎn)，Q235低碳鋼為b點(diǎn)， f點(diǎn)為平均成分Q235低碳鋼+ 1Cr18Ni9奧氏體鋼的焊接 熔合比：3040% 采用E308-16焊條(c點(diǎn))： 對(duì)應(yīng)g-h段，A+M組織E310-15焊條(e點(diǎn))： 對(duì)應(yīng)k-l段，單相A區(qū)，抗裂性較差 E309-15焊條(d點(diǎn))： 對(duì)應(yīng)i-j段，A+5%F雙相組織，抗裂性較好2、熔合過渡區(qū)的形成（1）熔合區(qū)馬氏體脆性層 焊接珠光體鋼與奧氏體鋼接頭時(shí)，

9、熔池邊緣的液態(tài)金屬溫度較低，流動(dòng)性較差，導(dǎo)致熔化的母材與填充金屬不能充分地混合。在靠近珠光體鋼一側(cè)熔合線的焊縫金屬中，形成一層與內(nèi)部焊縫金屬成分不同的過渡層。過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，從而降低了焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。熔合區(qū)馬氏體層的寬度與焊接工藝和填充材料有關(guān) 2、熔合過渡區(qū)的形成距離m 焊縫Cr、Ni含量較高，單相奧氏體圖8-5 低碳鋼與Cr25-Ni20焊縫熔合區(qū)附近合金元素的分布焊縫Cr、Ni含量較低，快冷時(shí)可能形成M圖8-5 Cr5Mo-Ni13焊縫熔合區(qū)附近合金元素的分布Cr5Mo-Ni13焊縫熔合區(qū)附近合金元素的分布圖8-7 在奧氏體焊縫靠近碳鋼一側(cè)的過渡層

10、(a) 母材比例的變化(b) 合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化離熔合線越近，珠光體鋼的稀釋作用越強(qiáng)烈，過渡層中Cr、Ni含量越少，一般情況下，過渡層Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)25mm時(shí)，可先用結(jié)構(gòu)鋼焊條焊接基層，用純鐵焊條焊接一層過渡層，最后用不銹鋼焊條焊接復(fù)層。表 8-5 不銹復(fù)層鋼板焊接材料的選用3. 復(fù)合鋼的焊接工藝要點(diǎn)焊條電弧焊、埋弧焊、氬弧焊、CO2氣體保護(hù)焊1）焊接方法 常用氬弧焊焊接復(fù)層和過渡層，用埋弧焊和焊條電弧焊焊接基層。圖813 去掉復(fù)層金屬的復(fù)合鋼板焊接坡口形式2) 坡口形式 薄板可用I型坡口； 厚板可用V、U、X、V和U型復(fù)合坡口； 雙面焊盡可能采用X型坡口 去掉復(fù)層金屬坡口：也可以在接頭背

11、面一小段距離內(nèi)進(jìn)行機(jī)械加工，去掉復(fù)層金屬，以確保焊第一道基層焊道不受復(fù)層金屬的過大稀釋 3）焊接順序 先焊基層，再焊過渡層，最后焊復(fù)層 保證焊接接頭具有較好的耐蝕性圖813 復(fù)合鋼板焊接順序 采用從基體側(cè)施焊，將復(fù)層面焊縫磨光，在上面堆焊。 基層與復(fù)層各自采用各自合適的焊材 基層復(fù)層的過渡區(qū)應(yīng)選用Cr、Ni含量足夠的奧氏體填充金屬來焊接過渡區(qū)防止出現(xiàn)淬硬組織（3）焊后熱處理 也可采用噴丸處理復(fù)合鋼的不銹鋼部分，使材料表面形成殘余壓縮應(yīng)力，從而防止應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)生。 不銹復(fù)合鋼熱處理時(shí)，復(fù)合交接面上會(huì)產(chǎn)生碳元素從基層想復(fù)層的擴(kuò)散，并隨溫度升高，保溫時(shí)間延長(zhǎng)而加劇。 不銹復(fù)合鋼的焊接接頭，一般不

12、進(jìn)行復(fù)層的固溶處理，也不進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。 對(duì)于極厚的復(fù)合鋼的焊接中，在基層焊完后進(jìn)行消除焊接殘余應(yīng)力熱處理，再焊過渡層和復(fù)層。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)_ 1、焊接裂紋 2、生成脆性化合物 3、焊縫中的氣孔 8.3.2 鋼與鋁及鋁合金的焊接_ 1、焊接性分析 2、焊接工藝要點(diǎn) 8.3.3 鋼與銅及銅合金的焊接 1、焊接性分析 2、焊接工藝要點(diǎn)鋁、銅、鎳、鈦等有色金屬具有良好的耐蝕性，較高的比強(qiáng)度以及在低溫下能保持良好的力學(xué)性能等特點(diǎn)。有色鋼復(fù)合制品：提高復(fù)合性能，導(dǎo)熱導(dǎo)電，耐蝕，提高焊接產(chǎn)品的使用壽命，節(jié)約材料。應(yīng)用：航空、汽車、化工、國(guó)防8.3 鋼

13、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 熔點(diǎn)差別大：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。導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)差別大，接頭熱應(yīng)力大。接頭處生成低熔點(diǎn)共晶、晶界偏析8.3.1 鋼與有色金屬的焊接性特點(diǎn)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。生成脆性化合物 分析二元相圖：形成固溶體冶金相容性好焊接性較好形成脆性金屬間化合物相容性差焊接性差圖816 Fe-Ti相圖8.3.1 鋼與有色金屬的焊接性特點(diǎn)焊縫中 的氣孔 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

14、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。8.3.1 鋼與有色金屬的焊接性特點(diǎn) 在鋼表面鍍上與有色金屬相匹配的第三種金屬，作為過渡層，使鋼側(cè)為釬焊，有色金屬側(cè)為熔焊，避免脆性化合物的生成。工藝措施 選擇合適的填充材料：與有色金屬具有較高的溶解度，與鋼的熱物理性能又比較接近。低熔點(diǎn)有色金屬與鋼對(duì)接焊時(shí)：采用V型或K型坡口，坡口開在鋼一側(cè)，焊接電源偏向有色金屬一側(cè)，防止鍍層金屬蒸發(fā)。采用Ar、He等惰性氣體保護(hù)，或在真空焊接8.3.1 鋼與有色金屬的焊接性特點(diǎn)8.3.2 鋼與鋁及鋁合金的焊接“鋼+鋁”雙金屬焊 汽車輕量化 從21世紀(jì)初開始，在汽車工業(yè)生

15、產(chǎn)中，為了節(jié)約燃料、保護(hù)環(huán)境，不斷努力減輕汽車重量，因此對(duì)汽車用材料提出了更高的要求。增加鋁材的使用量是其中的重要措施之一。 采用“鋼+鋁”雙金屬焊接結(jié)構(gòu)成為汽車輕量化的首選方案，這必然涉及到鋼和鋁兩種材料之間的連接。 鋁鋼之間的焊接一直是焊接領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題和難點(diǎn)問題8.3.2 鋼與鋁及鋁合金的焊接數(shù)控鋼鋁暖氣片自動(dòng)焊機(jī)焊接應(yīng)用：航空、造船、石油化工、原子能和車輛制造力學(xué)性能高，加工性能好，價(jià)格便宜。 鋼 鋁合金 密度小比強(qiáng)度高良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性優(yōu)異的耐腐蝕性+1. 鋼與鋁及鋁合金的焊接性分析 熔點(diǎn)相差大，同時(shí)達(dá)到熔化很困難； 熱導(dǎo)率相差23倍，很難加熱均勻； 線膨脹系數(shù)相差2倍，接頭產(chǎn)生很大熱

16、應(yīng)力； 鋁表面受熱迅速氧化，給金屬熔合造成困難，容易 形成焊縫夾渣。 鋼與鋁及鋁合金的物理性能對(duì)比1. 鋼與鋁及鋁合金的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。 焊接性分析2.鋼與鋁及鋁合金的焊接方法 熔焊 壓焊 焊接方法氬弧焊 電子束焊 摩擦焊 擴(kuò)散焊 冷壓焊 超聲波焊 2.鋼與鋁及鋁合金的焊接工藝要點(diǎn)焊前準(zhǔn)備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

17、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。2.鋼與鋁及鋁合金的焊接工藝要點(diǎn) 在鋼表面鍍上與鋁相匹配的第三種金屬，如Zn、Ag、Sn等，作為過渡層，鋼側(cè)為釬焊，鋁側(cè)為熔焊。避免中間脆性化合物的生成。 對(duì)接焊時(shí)，使用K形坡口，坡口開在鋼材側(cè)。焊接熱源偏在鋁材一側(cè)，防止過渡層金屬蒸發(fā)。 使用氣體保護(hù)進(jìn)行焊接，如采用氬弧焊。熔焊工藝要點(diǎn) 為防止產(chǎn)生金屬間化合物，應(yīng)盡量縮短接頭的加熱時(shí)間并施加較大的擠壓力，以便將可能形成的金屬間化合物擠出接頭區(qū)。 但加熱時(shí)間不能過短，以免塑性變形量不足而不能形成完全結(jié)合。

18、摩擦焊2.鋼與鋁及鋁合金的焊接工藝要點(diǎn)母材不發(fā)生熔化，加熱范圍窄、冷卻速度快，接頭不易產(chǎn)生氧化，也不產(chǎn)生金屬間化合物。雖然有時(shí)也產(chǎn)生一些金屬間化合物，但在壓力作用下，能被擠出接口。壓焊工藝要點(diǎn)兩種工藝： 在AlAl3Fe共晶溫度以上焊接，加熱溫度660， 此時(shí)還處于固溶態(tài)，而共晶體已成液態(tài)； 先在鋼件上涂敷Cu、Ag、Zn等過渡金屬， 然后再進(jìn)行冷壓焊。 壓焊工藝要點(diǎn)冷壓焊2.鋼與鋁及鋁合金的焊接工藝要點(diǎn)8.3.2 鋼與銅及銅合金的焊接實(shí)例：在轉(zhuǎn)爐煉鋼工程的氧氣管道需要采用 T2銅管和不銹鋼管焊接新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用青銅與雙相不銹鋼電子束焊接 鐵與銅在液態(tài)時(shí)無限互溶，固態(tài)時(shí)有限互溶，不形成金屬間化合物；當(dāng)鐵向銅擴(kuò)散時(shí)，形成有限固