現(xiàn)代焊接與連接工程學(章3)

現(xiàn)代焊接與連接工程學

ModernWeldingandJoiningEngineering2現(xiàn)代焊接與連接工程學3.1先進材料發(fā)展概述3.1.1新型金屬結構材料

1)通過控軋、控冷、控制雜質(zhì)含量以及微合金化等措施生產(chǎn)出高強、高韌和抗裂性能好的高強鋼。

2)通過定向結晶、單晶化和微晶化等控制凝固技術獲得的高級合金。

3)通過快速冷卻獲得非晶態(tài)金屬、微晶和納米晶。

4)通過機械合金化生產(chǎn)出具有優(yōu)異性能的新型合金，如高熔點氧化物彌散強化超級合金，表面納米化材料。

5)通過合金成分設計及微量元素控制獲得的新型合金，如高比強度鋁鋰合金，高熔點、抗氧化和低密度的金屬間化合物高溫合金等。第三章先進材料的焊接性和質(zhì)量控制Chapter3WeldabilityandQualityControlforAdvancedMaterials3現(xiàn)代焊接與連接工程學3.1.2先進陶瓷

在組成、性能、制造工藝以及應用等方面與傳統(tǒng)陶瓷截然不同。由原來的SiO2、Al2O3、MgO等發(fā)展到了Si3N4、SiC和ZrO2。具有特定的精細結構和性能。這類陶瓷又稱精細陶瓷。根據(jù)用途分為結構陶瓷和功能陶瓷兩大類。功能陶瓷使用最廣，除具有各種特殊電性能和磁性能外，還有對聲、光、熱、壓力等敏感的陶瓷，在發(fā)展高新技術中占有極為重要的地位，產(chǎn)量約占精細陶瓷的90％。結構陶瓷由于高強度、耐磨、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)異特性而受到重視。與金屬和高分子材料相比，突出優(yōu)點就是能耐更高溫度，由于脆性限制了應用。目前做機械零件和切削刀具。4現(xiàn)代焊接與連接工程學3.1.3先進復合材料1)樹脂基復合材料由碳纖維和芳酰胺纖維等高性能纖維增強的耐熱性好的熱固性和熱塑性樹脂基復合材料。主要特點：高比強、高彈性模量、低膨脹系數(shù)、優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性，優(yōu)異的減振性和抗疲勞性能。2)金屬基復合材料除了高強度、高彈性模量和低膨脹系數(shù)，與樹脂基復合材料相比，還具有優(yōu)良的韌性，抗沖擊，耐熱性高，橫向力學性能好，導電和導熱性好，耐輻射，高真空環(huán)境性能穩(wěn)定等優(yōu)點。其中鋁基復合材料發(fā)展最成熟，已成功用于航空航天和汽車制造業(yè)。目前正在研究鈦基復合材料以及能耐更高溫度的鎳基、金屬間化合物基等復合材料。5現(xiàn)代焊接與連接工程學3)陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料中的纖維主要通過分散裂紋前端的應力集中，改變裂紋走向和終止裂紋擴展，起補強增韌作用。由于陶瓷基復合材料要求在更高溫度下使用，對增韌材料、成形工藝及界面設計要求更高。這類復合材料離實用化還有距離。4)碳-碳復合材料碳-碳復合材料已不僅是一種很好的防燒蝕防熱材料和耐高溫、抗磨損材料，經(jīng)滲硅處理后已具有一定的抗氧化能力，成功用于航天飛機作為能重復使用的熱結構材料。但強度和抗氧化性能還不夠理想，主要受防護層抗氧化能力的限制。一旦這一問題有所突破，將成為能在2000℃以上長期工作的最好的耐熱結構材料。6現(xiàn)代焊接與連接工程學3.2低合金高強鋼焊接

-WeldingofHighStrengthLowAlloySteels

低合金鋼高強鋼簡稱HSLA鋼，在碳鋼基礎上加上總量不超過5%的合金元素，一般不超過3%。常常也指微合金化鋼。HSLA鋼的屈服強度一般在50~130ksi（350~900MPa），其用途十分廣泛：容器以“R”表示，如16Mn16MnR；橋梁以“q”表示，如16Mn16Mnq；管線鋼以“X”打頭，X42X120；海洋船舶結構；建筑用鋼；低溫用鋼；高、中溫用鋼；7現(xiàn)代焊接與連接工程學

鋼中雜質(zhì)元素主要是S、P、O、N、H及五害元素Pb（鉛）、Sn（錫）、As（砷）、Sb（銻）、Bi（鉍）。80年代第一代微合金沉淀硬化鋼（高強韌鋼）：純度N+O+P+S150ppm，細晶粒10-15m，微碳200-1000ppm，微量Nb+V+Ti150ppm。形成3-10nm的彌散沉淀相；Pcm0.25。90年代，微合金高強高韌鋼：純度N+O+P+S150ppm，晶粒3-8m；C500ppm；Pcm0.20；

目前，超純、超細、高均勻性的超級鋼研究有可能成為本世紀的主要結構用鋼：S+O+P+N100ppm，晶粒2-5m。

軋制工藝發(fā)展趨勢：一般熱軋控軋TMCPF區(qū)軋制。8現(xiàn)代焊接與連接工程學3.2.1焊接性試驗1、根據(jù)化學成分進行焊接性評定

焊接熱影響區(qū)硬度和冷裂傾向與鋼材化學成分有密切關系。IIW規(guī)定的碳當量的公式是以40年代生產(chǎn)的鋼為基礎建立起來的：

60年代出現(xiàn)了焊接性良好的低碳低合金鋼與微合金化的高強鋼，Ito提出了冷裂敏感指數(shù)PCM公式：

TMCP鋼的出現(xiàn)考慮了Nb、B影響，1985年Ito提出新的PCM公式：9現(xiàn)代焊接與連接工程學2、熱影響區(qū)最高硬度法

判斷鋼材的淬硬傾向與冷裂紋敏感性。試板標準厚度為20mm，長、寬為200mm、75mm。采用4.0mm焊條，焊接電流17010A，焊接速度15010mm/min。寬度75mm的試件在室溫下焊接，如硬度超標，則采用寬度150mm的試件并進行預熱焊接。試件焊后放置12小時以上切開。采用HV法,測點間距0.5mm。在硬度較低區(qū)域，可適當放寬測定間距。硬度測定線必須與焊縫剖面熔合線相切。10現(xiàn)代焊接與連接工程學3、斜Y型坡口焊接裂紋試驗法采用規(guī)定材料和溫度，檢測試驗焊縫表面、根部和斷面裂紋數(shù)量，計算裂紋率，評價低合金高強鋼焊接熱影響區(qū)的冷裂紋敏感性。裂紋率低于20%時認為實際試件不會出現(xiàn)開裂。11現(xiàn)代焊接與連接工程學4、窗形拘束裂紋試驗法評定低合金鋼多層焊時焊縫的橫向裂紋敏感性（包括熱裂紋和冷裂紋)，可作為選擇焊接材料和施焊工藝的試驗方法。試件為兩塊500180mm鋼板，先焊在窗口部位，然后用在坡口兩面填滿焊縫。焊后放置48小時以上，取下試板用X射線探傷。再把試板沿焊縫金屬縱向剖開，磨片后在縱斷面上檢查裂紋。評定方法一般以裂紋有無為據(jù)，亦可按斷面裂紋率進行計算。12現(xiàn)代焊接與連接工程學3.2.2焊縫金屬的韌性控制

焊縫是化學冶金與物理冶金的綜合產(chǎn)物。熔化焊接的特點：（1）溫度高：弧柱溫度5000-8000C；熔滴金屬的平均溫度2100-2200C；熔池溫度1600-2000C；熔渣溫度1600C。（2）焊接冶金過程分區(qū)進行（分區(qū)連續(xù)反應）：藥皮反應區(qū)（造渣反應區(qū)）；熔滴反應區(qū)；熔池反應區(qū)。（3）反應界面大；（4）反應過程短促，達不到平衡狀態(tài)；（5）熔池的對流與攪拌。對于快速反應的小熔池，化學冶金基本采用大冶金數(shù)據(jù)，不準確，已出現(xiàn)數(shù)值模擬方法。下面主要介紹物理冶金方面內(nèi)容。13現(xiàn)代焊接與連接工程學1、低合金鋼焊接接頭區(qū)域組成（1）混合區(qū)1：焊縫金屬的主要部分，由填充金屬與熔化母材混合形成。（2）未混合區(qū)2：未與填充金屬相混的熔化母材。是各種裂紋的發(fā)源地，如液化裂紋，氫致裂紋等，韌性很差。（3）部分熔化區(qū)3：對于異種鋼來說，除了未混合區(qū)與部分熔化區(qū)以外，還會存在一稀釋過渡區(qū)，在該區(qū)中可能出現(xiàn)脆性的馬氏體組織，有的還會出現(xiàn)冷裂紋。該區(qū)與熱影響區(qū)的交界稱為熔合線5。（4）熱影響區(qū)4：包括粗晶區(qū)、細晶區(qū)、不完全重結晶區(qū)、回火或時效脆化區(qū)。14現(xiàn)代焊接與連接工程學2、焊縫金屬的組織形態(tài)及定義（1）初共析鐵素體(簡稱PF，PrimaryFerrite)：在原奧氏體晶界或晶內(nèi)首先形成的組織，形成溫度1000-650C。如在晶界形成，稱晶界鐵素體GBF。如在晶內(nèi)形成，稱晶內(nèi)多角形鐵素體IPF。（2）側板條鐵素體(簡稱FS，F(xiàn)erriteSidePlate)：形成溫度750-650C，如板條間含排列的第二相，如M-A組元，則稱FS(A)。包括魏氏組織、上貝氏體與粒狀貝氏體等組織。側向板條一般從晶界往晶內(nèi)生長。（3）針狀鐵素體(簡稱AF，AcicularFerrite)：比較細小，長寬比約4:1，寬度為1-3m。在奧氏體晶內(nèi)形成，形成溫度在650C以下。通過第二相質(zhì)點或夾雜形核，也可以在已形成的鐵素體上形核。（4）含碳化物的鐵素體：如上貝氏體，下貝氏體及珠光體。（5）馬氏體15現(xiàn)代焊接與連接工程學3、焊縫金屬韌性的影響因素

A）焊縫金屬凝固組織受溶質(zhì)濃度、溫度梯度及凝固速度影響，焊縫一般為粗大胞狀晶、胞狀枝晶或柱狀枝晶。細化晶粒是改善焊縫性能最有效辦法?？衫米冑|(zhì)劑、振動法、電磁攪拌等方法來細化晶粒。由于焊縫的結晶是聯(lián)生生長，阻止或減少母材過熱區(qū)晶粒長大的因素直接影響焊縫晶粒大小，加微量元素Ti的鋼，過熱區(qū)晶粒細化。減少焊接熱輸入也能減少過熱區(qū)晶粒的長大。在多層焊中，下層焊縫部分區(qū)域已看不清柱狀晶的特征，即采用多層焊能使焊縫組織得到一定程度的細化。結束開始16現(xiàn)代焊接與連接工程學B）化學成分的影響碳：嚴格控制焊縫中的含碳量。錳：既是脫氧元素，又可提高強度。降低固態(tài)相變溫度、增加焊縫中針狀鐵素體含量，一定范圍內(nèi)可改善焊縫韌性。硅：脫氧元素。大于0.5%損害韌性。鉬：增加針狀鐵素體含量，改善焊縫金屬韌性。鎳：細化焊縫組織，改善低合金鋼焊縫韌性，特別是低溫韌性。鈦和硼：微量Ti和B對焊縫金屬韌性有很大影響，出現(xiàn)加Ti、B的高韌性焊材。最佳含量Ti為0.01-0.05%，B為0.001-0.003%。Ti在熔池中形成TiO成為針狀鐵素體形核核心，保護B不被氧化與N化。B與N形成BN，減少自由氮含量，阻止晶界鐵素體形成。17現(xiàn)代焊接與連接工程學鈮與釩：造成回火脆性。氣體元素：焊縫中的氣體元素主要是氮和氧。N對韌性有害影響的原因之一是促進了含M-A組元的片狀組織產(chǎn)生。O與許多合金元素形成第二相夾雜，降低了由微孔聚合引起的延性斷裂的抗力。夾雜：鋼中的夾雜物將降低它抗裂紋的擴展能力。但焊縫中的夾雜起著雙重的作用。焊縫中的夾雜來不及長大，密度也比鋼材中高得多，在一定程度上有利于針狀鐵素體的形成，如TiO夾雜。母材成分：母材中的一些元素將進入焊縫中（特別是埋弧焊母材的稀釋率可達50%），要考慮可能進入的C、Si、Nb、V等對焊縫性能的影響。18現(xiàn)代焊接與連接工程學C）焊接工藝的影響熱輸入：一般來說，焊接熱輸入偏小對焊縫韌性有益。預熱與層間溫度：對焊縫韌性的影響并不清晰。過高的預熱溫度與層間溫度會產(chǎn)生粗大的晶粒而使韌性變壞。根部焊道：韌性最差，施工中常把根部焊道全部清除。原因是：1）由后繼焊道施加的動態(tài)應變時效；2）母材的稀釋量大；3）冷卻速度過快。4）背面保護效果差。熱應變脆化：與焊接過程中產(chǎn)生的應力應變、鋼中的自由C、N原子的數(shù)量等因素有關。19現(xiàn)代焊接與連接工程學4、焊縫金屬韌性控制措施1）選用合適的焊材低合金鋼焊接一般根據(jù)強度的匹配來選用焊接材料，不同廠家生產(chǎn)的同一類型的焊條韌性會有差別。2）選擇合適的焊接熱輸入焊接熱輸入不宜偏高，但焊接熱輸入過小，生產(chǎn)率低，也易造成工藝缺陷。3）選擇合適預熱溫度與層間溫度。4）選擇合適的焊層厚度一般焊層厚度控制在3-4mm左右。5）選擇合適的焊后熱處理制度。6）控制電弧長度電弧過長，合金元素燒損大，氣體污染嚴重。7）仔細清除焊根除了清除缺陷外，把打底焊道全部清理干凈。8）焊前仔細清理坡口。20現(xiàn)代焊接與連接工程學3.2.4焊接熱影響區(qū)（粗晶區(qū)）韌性控制1、熱影響區(qū)相變特點及產(chǎn)物1）加熱速度高。電弧焊時，幾秒鐘加熱到各區(qū)的峰值溫度，相變點遠偏離平衡狀態(tài)。2）高溫停留時間短。升溫相變后的奧氏體化學成分極不均勻，第二相質(zhì)點溶解后來不及擴散均勻。3）峰值溫度在很大范圍內(nèi)變化。從近縫區(qū)固相線溫度至母材熱應變脆化溫度（~300C），近縫區(qū)的峰值溫度使晶粒急劇長大。4）冷卻速度快。5）在加熱、冷卻循環(huán)過程中伴有應力應變循環(huán)，對相變產(chǎn)生影響。6）在多層焊中，產(chǎn)生多次熱循環(huán)，使相變組織更為復雜。21現(xiàn)代焊接與連接工程學19Mn5鋼SMAW接頭正火區(qū)母材粗晶區(qū)焊縫熔合區(qū)不完全正火區(qū)22現(xiàn)代焊接與連接工程學粗晶區(qū)相變組織的類型：1）網(wǎng)狀鐵素體初共析鐵素體，奧氏體晶界產(chǎn)生，熱輸入偏大時出現(xiàn)。2）魏氏組織從奧氏體晶界向晶內(nèi)生長的片狀鐵素體，損害材料韌性。3）貝氏體上貝為較高溫度下條狀鐵素體與滲碳體混合組織，下貝為較低溫度下轉(zhuǎn)變的針狀鐵素體，針間呈一定角度，針內(nèi)分布碳化物。貝氏體三種形態(tài)：BI形成于600-500C高溫階段，為無碳貝氏體；BII形成于500-450C的溫度區(qū)間，在鐵素體條之間有碳化物析出，為上貝氏體。BIII形成450C-MS溫度區(qū)間，在鐵素體條上析出碳化物，呈板條狀。還常出現(xiàn)含有M-A組元的中溫轉(zhuǎn)變組織，稱為粒狀貝氏體（Bg）。M-A組元的出現(xiàn)可能使材料韌性受到損害。23現(xiàn)代焊接與連接工程學2、影響熱影響區(qū)韌性的因素A）組織影響低碳微合金鋼HAZ中常出現(xiàn)的粒狀貝氏體，低溫韌性比低碳馬氏體、下貝氏體差。由于這類鋼中含碳量低于0.10%，比粗大的晶界鐵素體珠光體或魏氏組織韌性要好。

由24現(xiàn)代焊接與連接工程學B）主要合金元素的影響

C對韌性影響很大。C-Mn鋼中從0.14%增加到0.20%，母材和熱影響區(qū)的韌性變得很差。影響：冷卻快時形成含碳量高的馬氏體，韌性差；冷卻慢時形成較多的碳化物或M-A組元，韌性也變壞。含碳量與冷卻速度對16Mn鋼粗晶區(qū)沖擊韌性的影響C0.14%C0.20%Mn在鋼中的含量一般小于1.6%，對HAZ韌性的影響遠小于碳。Ni是低溫鋼中的重要元素，它會改善HAZ的韌性。25現(xiàn)代焊接與連接工程學C）微量合金元素的影響微量元素加入可以保證強度降低碳含量，降低冷裂敏感性。

Ti、Al等固定自由N，形成N化物阻礙奧氏體晶粒長大，促進生成IPF，使M-A組元從條狀粒（塊）狀，V有類似作用；

B降低晶界相變溫度，使晶內(nèi)、晶界相變溫度趨于一致，使F有可能在晶內(nèi)析出，分割奧氏體晶粒；D）雜質(zhì)元素與氣體元素的影響S，P雜質(zhì)元素含量對母材韌性有損害，對HAZ韌性影響研究不多。球狀硫化物增加熔合區(qū)韌性，長條狀硫化物對韌性有害。氣體元素中自由N會降低HAZ的韌性。26現(xiàn)代焊接與連接工程學E）焊接熱輸入影響

取決于鋼的化學成分及強度級別。對600-800MPa強度級別的鋼，熱輸入15-55KJ/cm時，隨著能量增加韌性惡化。鋼中含碳量不同，熱輸入的影響也不一樣。含碳量較低，熱輸入應選小些，防止魏氏組織的產(chǎn)生。當含碳量高時，熱輸入應選大一些，防止脆性馬氏體的產(chǎn)生。F）焊后熱處理制度影響焊后熱處理的主要目的是消除焊接殘余應力。鋼中含有Cr、Mo時，應考慮二次硬化現(xiàn)象，含有Nb、V時，應考慮消應處理可能產(chǎn)生的再熱脆化現(xiàn)象。27現(xiàn)代焊接與連接工程學3、熱影響區(qū)韌性控制技術1）根據(jù)使用要求選用適當板材如果母材韌性不良，焊接熱影響區(qū)韌性會更差。如在低溫使用，又要消除應力熱處理，最好不選用含N高的V鋼或Nb鋼。2）正確控制熱輸入由工藝評定確定。還要考慮材料使用溫度，如CF60鋼使用溫度-20C，最大熱輸入可達50KJ/cm。使用溫度-40C，最大熱輸入應在40KJ/cm以下。3）盡量采用多層焊有時采用回火焊道可消除已有焊道過硬組織。4）正確選用焊后熱處理制度對于調(diào)質(zhì)鋼，特別是含Nb、V鋼，焊后消除應力處理溫度應偏低一些。5）預熱與層間溫度的控制較高的預熱溫度可由后熱措施來代替，以免預熱溫度過高，t8/5增大而使組織變壞。28現(xiàn)代焊接與連接工程學本節(jié)思考題1、新型金屬結構材料的特征有哪些？給焊接帶來了什么樣的問題？2、金屬焊接性的試驗方法有哪些？目的是什么？3、影響低合金鋼焊縫金屬韌性的因素有哪些，如何控制？4、影響低合金鋼熱影響區(qū)韌性的因素有哪些，如何控制？29現(xiàn)代焊接與連接工程學3.3（雙相）不銹鋼的焊接Theweldingofdual-phaseSS

抵抗大氣腐蝕的鋼叫不銹鋼，但不銹鋼常常用于耐腐蝕和耐高溫場合。按用途分，不銹鋼包括耐蝕鋼（主要耐酸）和耐熱鋼（高溫下有好的能抗氧化能力和強度）兩類。從制造和加工角度，常常從化學成分和組織結構方面進行分類。不銹鋼（高）鉻不銹鋼鉻鎳奧氏體不銹鋼（18-8，25-20）鉻錳氮奧氏體不銹鋼（Cr17Mn13Mo2N(A4)）鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼（Cr21Ni5Ti，00Cr18Ni5Mo3Si2）馬氏體不銹鋼（Cr13系不銹鋼，Cr12基耐熱鋼）

鐵素體不銹鋼（Cr17，Cr28）30現(xiàn)代焊接與連接工程學3.3.1一般不銹鋼的焊接問題馬氏體不銹鋼：淬硬傾向大，易開裂，需預熱并采用大規(guī)范；奧氏體不銹鋼：Cr遷移形成貧Cr區(qū)的晶間腐蝕、熱裂紋和應力腐蝕開裂（SCC）。為避免晶間腐蝕需要采用超低碳焊接材料并用小規(guī)范焊接，必要時作固溶處理。為避免熱裂紋需采用適當?shù)暮附硬牧峡刂坪缚p的組織成分，同時采用小電流、快速焊工藝。奧氏體不銹鋼的SCC傾向要比馬氏體或鐵素體不銹鋼突出得多，焊后消除應力處理工藝往往十分必要；鐵素體不銹鋼：粗晶脆化，焊接時需要預熱并防止過熱。31現(xiàn)代焊接與連接工程學3.3.2雙相不銹鋼概述強度高（Cr-Ni鋼的2倍）、韌性好、耐蝕性好、焊接性好的新型結構材料。具有鐵素體加奧氏體（＋）雙相組織（1:1），廣泛應用于存儲和運輸氯化物和硫化物的設備和管道，運輸潮濕天然氣的高壓系統(tǒng)，海上冷卻系統(tǒng)，原子能工業(yè)再熱器和熱交換器。主要成分為Cr、Ni、Mo和N。Cr和Mo是鐵素體形成元素，Ni和N為穩(wěn)定奧氏體元素，N同時又是固溶強化元素。Cr、Mo、N對提高雙相不銹鋼的耐點蝕性能具有重要作用，常用耐點蝕當量表示：PREN＝Cr+3.3Mo+16N。PREN>40的鋼稱為超級雙相不銹鋼。

雙相不銹鋼綜合了相（鐵素體）和相（奧氏體）的優(yōu)點，可簡單認為鐵素體提供了高的屈服強度和耐氯化物應力腐蝕的性能，奧氏體提供了好的韌性和耐全面腐蝕性能。32現(xiàn)代焊接與連接工程學3.3.3雙相不銹鋼焊接冶金1、焊縫凝固和奧氏體相的形成

保持合理的/比例是焊接雙相鋼最重要冶金問題。供貨態(tài)相以長條狀分布在相基體中，熔化后形成粗大鑄態(tài)組織.含Cr22%的雙相不銹鋼的母材組織a)和焊縫組織b)

焊縫中相數(shù)量和形態(tài)與化學成分和冷卻速度有關。焊縫條件下形成的相一般呈魏氏組織。冷卻速度增加相含量減少。提高焊縫中的Ni、Mn、N等奧氏體形成元素含量，促使相增加，N的作用最顯著。

通過Cr、Ni當量組織相圖對焊縫室溫組織進行預測。預測相含量的組織圖有Schaeffler圖和DeLong圖。33現(xiàn)代焊接與連接工程學2、焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變

如何控制熱影響區(qū)組織構成仍是一個重要問題。當加熱到接近熔化溫度時，單相組織在隨后快冷過程中轉(zhuǎn)變來不及充分進行，冷卻后相含量較多。N含量較高時，相的含量受冷卻速度的影響較小，所以含N量較高的雙相不銹鋼可采用低的熱輸入。粗晶區(qū)外的低溫熱影響區(qū)組織變化稍弱。一般規(guī)律是隨著峰值溫度的提高，相增加，相減少。相的晶粒尺寸隨峰值溫度的升高而增大。相晶界和晶內(nèi)析出Cr2N碳化物的總量隨峰值溫度升高或冷卻速度的增加而增加。

雙相不銹鋼中Cr、Mo含量較高，在800C附近停留時間較長有析出脆性金屬間化合物（相）的危險。

34現(xiàn)代焊接與連接工程學3.3.3雙相不銹鋼的焊接性1、N含量對焊縫組織性能影響

同樣相含量（60%），母材的抗拉強度和延伸率均高于焊縫。拉伸試樣的斷口表明，只有母材和含N量高的焊縫金屬（接近0.4%）才表現(xiàn)為明顯的韌窩斷裂。焊縫金屬的沖擊功雖隨N的增加而增加，但都低于母材，焊縫金屬的脆性轉(zhuǎn)變溫度也都高于母材。這是由于焊縫中相的晶粒粗大，焊縫金屬的韌度受相和Cr2N的影響所致。而N量增加會導致相增多和Cr2N析出的減少。35現(xiàn)代焊接與連接工程學2、熱輸入對熱影響區(qū)沖擊韌性影響熱影響區(qū)中N含量不會發(fā)生變化，影響熱影響區(qū)組織性能的因素主要是熱輸入。熱輸入太低，導致相含量增加以及Cr2N析出增多，沖擊韌度下降。熱輸入太高引起晶粒嚴重長大，同樣會使沖擊韌性降低。影響冷卻速度因素，如板厚和層間溫度等都會影響沖擊韌性。3、雙相不銹鋼及其焊縫的脆化研究750C和850C加熱時間對SUS3291J1雙相不銹鋼及焊縫金屬脆化時發(fā)現(xiàn)：試件脆性開裂都發(fā)生于相以及基體與相的界面。焊縫中析出相要比母材快得多，韌性下降也比母材劇烈。母材有很多相時韌性才下降，焊縫有少量就引起韌性降低。36現(xiàn)代焊接與連接工程學4、焊接接頭中的氫致破壞包括氫脆、氫致裂紋和氫致應力腐蝕開裂（HESCC）。雙相不銹鋼焊接熱影響區(qū)中的氫脆可在相中產(chǎn)生，氫脆敏感性隨峰值溫度提高而增加。主要是相減少、相增多以及在相內(nèi)部或邊界析出Cr2N。相的體積分數(shù)低于50%時，焊縫金屬對氫致裂紋不敏感，大于50%后，敏感性明顯增加。雙相不銹鋼本身只有達到拉斷強度的90%才會發(fā)生氫脆型應力腐蝕開裂。TIG焊縫金屬的臨界開裂應力達到拉斷應力的70%、屈服強度的95%?？紤]到焊接接頭附近存在可達材料屈服點的殘余拉伸應力，因此焊接接頭中產(chǎn)生HESCC的可能性很大。37現(xiàn)代焊接與連接工程學3.3.4雙相不銹鋼的焊接工藝特點

為了獲得滿意的/比以及力學性能和耐腐蝕性能的最佳組合，需要控制：焊縫化學成分、接頭冷卻速度。1、焊接方法的選擇焊接含N量不是很高（<0.4%）的鋼時，盡量采用填充材料進行焊接。若無填充材料，可采用Ar+N2（1-2％）的混合氣體。2、填充材料的選擇考慮到焊接冷速很大以及奧氏體形成元素N的損失等，對轉(zhuǎn)變的抑制作用引起含量嚴重不足，對于焊后不做熱處理的構件，應選擇比母材具有更高奧氏體形成元素含量的填充材料。如使焊縫中的Ni相對于母材高2-3％，增加焊縫奧氏體化傾向。38現(xiàn)代焊接與連接工程學3、焊接熱過程控制熱輸入、層間溫度、預熱及材料厚度都會影響焊接冷卻速度，從而影響焊縫和熱影響區(qū)組織（如/和Cr2N析出）和性能。冷卻速度太快會引起過多的相及Cr2N析出；太慢會造成晶粒嚴重長大，甚至可能析出金屬間脆性化合物（相）。焊接Cr25%雙相鋼和超級雙相不銹鋼時，最高層間溫度控制在100C以內(nèi)。要求焊后熱處理時，可不考慮控制層間溫度。4、焊后熱處理雙相不銹鋼焊后最好不進行熱處理，當焊態(tài)下相含量超過要求或析出有害相時，可采用焊后固溶處理改善，熱處理溫度1100C。熱處理時加熱速度應盡可能快，退火溫度下的保溫時間為5-30min，采用惰性氣體保護防止氧化。39現(xiàn)代焊接與連接工程學3.4鈦合金的焊接TheWeldingofTitaniumalloys密度4.51g/cm3，高的比強度（強度和密度之比），優(yōu)異的抗腐蝕、耐高溫性能，廣泛應用于航空航天、石油化工等部門。3.4.1鈦及其合金的種類和特性高溫和低溫下均有良好性能，600C性能不變（鋁在150C、不銹鋼在310C時就會變化），-253C低溫還有良好性能。導熱系數(shù)是鐵的1/4，所以鈦材焊接時能量損失較小。鈦合金分為鑄造和形變合金兩大類，應用廣泛的是形變合金。鈦的同素異構特征：882C以下的晶格為密排六方的-Ti，以上為體心立方的-Ti。該溫度會隨著合金元素的加入發(fā)生變化。工業(yè)純鈦有TA1~TA3，區(qū)別在于H、O、N雜質(zhì)含量不同。在鈦合金中可加入三類元素調(diào)整組織性能，包括穩(wěn)定相或相元素、中性元素。40現(xiàn)代焊接與連接工程學穩(wěn)定元素有Al，以置換固溶形式存于-Ti中。Ti-Al是很重要的合金系統(tǒng)。這類合金是固溶強化，可退火處理消除冷作硬化和焊接應力。穩(wěn)定元素還可擴大相區(qū)范圍。V、Mo等可與相無限固溶而與相有限固溶，可形成型、型和（＋）型鈦合金。Cr、Fe、Mn、Co等與相有限互溶并有共析轉(zhuǎn)變，共析轉(zhuǎn)變會產(chǎn)生脆性金屬間化合物（相）。鋯、鉿、錫屬中性元素，在Ti中有很大的溶解度，但不影響鈦和鈦的同素異構轉(zhuǎn)變溫度，能形成置換固溶體。TA系列的鈦及合金為型，TA1-TA3為工業(yè)純鈦，TA4－TA6為Ti－Al系，TA7、TA8為Ti－Al－Sn系。TC系列鈦合金為（＋）型，以TC4（Ti-6Al-4V）最為著名，室溫強度1170MPa。幾乎所以鈦合金中均加有Al元素（<6%），主要是用于強化相。41現(xiàn)代焊接與連接工程學3.4.2鈦合金的焊接性1、氣體雜質(zhì)污染對焊接性的影響

鈦合金非?；顫?，300C溶解氫，600C吸收氧，700C吸收氮。這些氣體進入焊接區(qū)將引起焊接接頭的脆化。H是對接頭性能影響最嚴重的元素。發(fā)生轉(zhuǎn)變時，由于溶解度的急劇下降，形成脆性的相（TiH2），以片狀或針狀析出，造成接頭塑性和韌性顯著下降。不允許鈦中含H量大于0.015%。O在鈦中形成間隙固溶體，促使材料硬度和強度升高，塑性有一定下降。低于600C時由于氧化膜的形成阻礙了氧的吸收，溫度升高后氧化膜向鈦中溶解，形成間隙固溶體。含O量不宜超過0.15％。N在高溫下與Ti發(fā)生劇烈反應，間隙固溶于鈦中，使硬度升高、塑性下降。含量超過0.13%時焊縫將會因其污染脆化而產(chǎn)生裂紋。42現(xiàn)代焊接與連接工程學2、合金元素對焊接性的影響一般情況下焊縫中含鋁量在3%以內(nèi)時不影響焊縫熔化金屬的微觀組織。當含鋁量達到5%時，焊縫金屬中就會產(chǎn)生粗大的針狀組織，使焊縫金屬的塑性有所降低。焊縫中的Sn、Zr含量一般控制在8-10%以內(nèi)，對提高焊縫的綜合性能非常有利。Mo的含量控制在3-4%以內(nèi)，它具有良好的塑性和韌性。加入Mn、Fe、Cr等元素對提高焊縫的抗拉強度最為明顯。在焊縫中加入Al、Nb、W、Si則對提高抗氧化能力有顯著改善作用。當加入Cu時，對消除氫的有害作用效果明顯。對于純鈦，焊接加熱溫度高于相區(qū)造成相晶粒粗化，冷卻時可能形成馬氏體（相），繼續(xù)冷卻會析出相。對于TC類鈦合金，快速冷卻時發(fā)生的穩(wěn)定相變，并可能殘留部分亞穩(wěn)相。43現(xiàn)代焊接與連接工程學3、焊接裂紋問題鈦合金中的S、P、C雜質(zhì)含量少，有效結晶溫度區(qū)間窄。鈦與Al、V、Cr等其它合金元素也不會形成低熔點共晶，焊縫凝固時收縮量也較小，這些都是鈦合金焊接時不易形成熱裂紋的內(nèi)在原因。正常焊接時不會形成TiH2，故不會產(chǎn)生冷裂紋。只有在熱影響區(qū)氫含量超過共析溫度下相中的溶解度極限7.9％時，才發(fā)生共析轉(zhuǎn)變＋（TiH2）。4、焊縫中的氣孔問題由于氫的作用，在焊縫中心和焊縫邊緣部位容易出現(xiàn)氣孔，對接頭疲勞強度會產(chǎn)生影響。焊接中氫的來源與工件、焊絲的表面污染，保護氣體不純等因素有關。等離子焊接要比氬弧焊好，脈沖形式比非脈沖好，脈沖等離子焊是焊接鈦合金的最佳方法。44現(xiàn)代焊接與連接工程學3.4.3鈦及其合金的焊接工藝要點1、鈦及其合金的氬弧焊技術有TIG和MIG兩種。對于薄板結構，采用脈沖TIG焊時，由于焊接熱輸入可減少20-30%，接頭質(zhì)量相應提高。鈦合金導熱性能差，冷卻速度慢，高溫停留時間長，加上鈦的活性大，為了加強焊接區(qū)保護，焊矩噴嘴直徑要大，一般在16-18mm。當鋼板厚度大于0.5mm時，應采用有附加尾拖罩的焊矩來保護高溫下的焊縫不受空氣侵入。氬弧焊時焊縫背面的保護也很重要。從表面顏色直接判斷好壞：“銀白色”最好；“黃色”為TiO，輕度氧化；“藍色”為Ti2O3，不允許出現(xiàn)在焊縫。“灰白色”即TiO2，表明氧化嚴重。焊接型鈦或鈦合金時，可選擇同質(zhì)焊絲；焊接（＋）鈦合金TC4、TC3時，如采用同質(zhì)焊絲，焊后需進行熱處理，以消除脆性。采用TA3、TA7焊絲，接頭塑性較好。45現(xiàn)代焊接與連接工程學2、鈦合金的等離子焊接技術小孔型焊接法適合板厚2.5-15mm的鈦合金焊接。因為鈦合金密度小、液體表面張力大，小孔效應焊接中熔池不塌陷，焊縫成形良好。焊接時同樣需要采用尾罩保護，尾罩長度可比氬弧焊稍長。由于焊接時的高溫等離子弧焰流過小孔，為保證小孔型焊接的穩(wěn)定，氬弧焊型的墊板溝槽尺寸要加大，氣體保護流量也應提高。熔透型焊接一般用于厚度不超過3mm的薄板一次焊透成形。采用這種焊接方法比單道氬弧焊容易保證質(zhì)量，避免氬弧焊夾鎢的現(xiàn)象。等離子弧焊接接頭強度與氬弧焊相當，強度系數(shù)均為90%，但塑性指標要高于氬弧焊，可達到母材的75%。用10mm厚的TA1工業(yè)純鈦制造的壓力容器，采用等離子弧焊的生產(chǎn)效率要比氬弧焊高5-6倍。46現(xiàn)代焊接與連接工程學3.5鋁、鎂合金的焊接TheWeldingofAlandMgAlloys3.5.1鋁及鎂合金性能概述密度小、耐蝕性好、導電率和導熱率高，線膨脹系數(shù)高達23.6×10-6/C。容易進行冷熱變形、軋制、鍛造、擠壓、拉拔、切割、機械加工、通過裝飾和保護層進行表面化處理。按成材方式可分為變形鋁合金（牌號為4位數(shù)，1-8打頭）和鑄造鋁合金（以ZAl打頭，后跟主要合金元素如Si、Mg、Cu等）。按強化方式可分為變形強化和熱處理強化鋁合金。焊接結構一般由變形鋁合金生產(chǎn)，包括：工業(yè)純鋁（1×××）、Al-Cu系（2×××）、Al-Mn系（3×××）、Al-Si系（4×××）、Al-Mg系（5×××）、Al-Mg-Si系（6×××）、Al-Zn系（7×××）和其它（8×××，Al-Li系）。47現(xiàn)代焊接與連接工程學各種鋁合金材料的性能及基本焊接特點：1）工業(yè)純鋁強度低，塑性和耐蝕性好，易于焊接。采用熔焊時加熱到300-500C的溫度區(qū)會發(fā)生軟化（變形強化效應消失），接頭強度可達退火態(tài)母材強度90%以上。2）Al-Cu系合金具有高的室溫強度（b＝400-500MPa）、高溫和超低溫下的性能也很出色，被稱為硬鋁合金。不含鎂的合金采用各種焊接方法均可得到滿意的效果，如2A16（LY16）。含Mg的合金如2A02（LY12）、2A14（LD10）等，應用范圍廣，作為熱處理強化鋁合金，焊接接頭強度只有母材60-70%。3）Al-Mn系合金由于高塑性和良好的耐蝕性被廣泛應用于各個領域（防銹鋁）。錳作為基本合金元素，與純鋁相比可使強度增加1倍，塑性不變。常用牌號有3A21（LF21）、3003等。焊接特點如純鋁。48現(xiàn)代焊接與連接工程學4）Al-Si系合金強度不高，液態(tài)流動性好，焊接性好。5）中等強度的Al-Mg系合金廣泛應用于焊接結構。含Mg量在2%左右的5A01、5A02合金焊接裂紋傾向較高，超過5%后材料的耐蝕性降低。焊接接頭強度可達到退火態(tài)母材的80-90%。Al-Mg合金焊縫氣孔生成傾向很大。6）Al-Mg-Si系合金具有中等強度、高耐蝕性能和良好塑性，可熱處理強化，焊接時有開裂傾向。常用牌號6061、6063、6A02（LD2）。焊接時若母材經(jīng)過固溶和時效處理，接頭強度只能達到焊前母材的70%；若在固溶態(tài)下焊接，焊接結束后再做整體時效，則此時的接頭強度可達固溶時效態(tài)母材的85-90%。7）Al-Zn系合金被稱為超硬鋁，可熱處理強化。對應力集中和應力腐蝕開裂敏感，焊接時裂紋傾向明顯。當含Cu量很低時，如果Zn+Mg含量之和在5.5-7.0%范圍內(nèi)，焊接性較好。49現(xiàn)代焊接與連接工程學

鎂合金材料的性能特點:密度1.74g/cm3,熔點651C，沸騰溫度1110C。線脹系數(shù)與鋁合金接近，拉斷強度165-220MPa，延伸率遠低于鋁（2-15%）。由于熔點和溶解熱較低，熔化鎂時所需熱量只要鋼的1/3。由于線脹系數(shù)和熱導率較高，焊接時易變形。加熱時易氧化，形成高熔點氧化膜MgO（2500C），對焊接質(zhì)量造成較大影響。鎂合金耐蝕性較高，有的可接近鋁合金。含Al的鎂合金有較強應力腐蝕開裂傾向，焊后須消除應力處理。含Mn或Zn、Zr鎂合金抗SCC能力較強。鎂合金常溫下缺乏變形能力，提高溫度后變形能力迅速增大。鎂合金的成形工藝有兩種：鑄造鎂合金和變形鎂合金。在高溫下成形加工的變形鎂合金具有良好的焊接性。50現(xiàn)代焊接與連接工程學

鎂中加入合金元素可提高強度、改善耐蝕性：Zn強化和細化晶粒，加入量<1%，與Al、Zr等同時加入。Al硬化鎂合金，同時也細化晶粒、提高強度。增大鎂合金凝固溫度范圍，容易產(chǎn)生缺陷。加入量一般不超過10%。Mn主要增加耐蝕性，有晶粒粗化傾向，單獨加入時一般小于2%。Zr提高機械性能，細化晶粒。與Al、Zn形成金屬間化合物，不固溶而析出強化。改善鎂合金的加工性能，加入量一般低于0.7%。Re起到強化作用也可提高高溫性能，而且對Mg-Zn、Mg-Zr等合金可大大降低裂紋敏感性，同時可改善鑄造性能，特別是Ce。Ag對稀土-Zr鎂合金鑄造材料可提高第二相的析出硬化效果。變形鎂合金以“MB”表示，鑄造鎂合金以“ZM”表示。常用鎂合金如Mg-Al、Mg-Zn二元合金，Mg-Al-Zn、Mg-Al-Re三元合金。51現(xiàn)代焊接與連接工程學3.5.2鋁合金的焊接性及焊接質(zhì)量控制鋁合金焊接時存在的問題：1)極易氧化，生成的氧化鋁熔點高、非常穩(wěn)定、能吸潮、不易去除，妨礙焊接和釬焊過程的進行，能在接頭中產(chǎn)生氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等缺陷。焊接之前需要徹底清理和在焊接過程加強保護。2)鋁的比熱容、電導率和熱導率比鋼大得多，焊接時熱輸入向母材迅速流失，熔焊時需要高度集中熱源，電阻焊時需要大功率電源。3）鋁的熱膨脹系數(shù)是鋼的2-3倍，焊接時極易變形。4）鋁對光和熱的反射能力較強，熔化前無明顯色澤變化，人工操作熔焊或釬焊時會造成判斷困難。激光焊時能量利用率很低。5）對于熱處理沉淀強化鋁合金，由于焊接時焊縫的時效不足和HAZ的過時效，造成接頭軟化嚴重，焊后需固溶+時效處理。52現(xiàn)代焊接與連接工程學1、焊接材料的選用目前國內(nèi)外生產(chǎn)的表面拋光的鋁合金焊絲，使用前可不再要求清洗，并能存放很長時間。焊絲成分中，除了加入必要的合金元素，還有少量的微量元素Ti，甚至還有Zr、B、V等（最大含量在0.25％以下），主要作用包括細化晶粒、降低裂紋傾向、提高焊縫塑性和韌性。稀土元素鈧（Sc）具有特殊價值，在母材和焊絲中加入鈧比其它微量元素更好發(fā)揮細化晶粒、降低裂紋傾向和提高材料強度和韌塑性作用。選用鋁合金焊絲，除要求焊絲具有合適的強度和塑性，還要具有低的開裂敏感性和小的氣孔傾向。此外，對焊接接頭的耐蝕性和焊縫表面顏色與母材的匹配也有較高要求，但這些要求很難兼得。53現(xiàn)代焊接與連接工程學2、常用氣保護焊焊接工藝要點TIG過程穩(wěn)定、控制簡單、質(zhì)量良好，特別適用于焊接較薄的零件和熱處理強化的高強度鋁合金結構。一般采用正弦波或方波交流電源，實現(xiàn)“陰極清理”的作用。MIG焊可以采用更大的電流，可焊板材厚度更大，焊接生產(chǎn)效率更高，廣泛用于鋁合金焊接結構生產(chǎn)中。熔滴過渡形式和穩(wěn)定性是采用此方法的關鍵。噴射過渡比較穩(wěn)定，幾乎可用于各種厚度的鋁材焊接。在短路過渡和射流之間，有一個亞射流過渡區(qū)，此時弧長較短，但能進行自適應調(diào)節(jié)，焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形均勻美觀，焊接效率更高，焊接質(zhì)量更好。采用等離子弧焊接工藝時，一般選用直流反接或交流，可用小孔法和熔透法兩種方式，適宜焊接10mm以下的中等板厚。54現(xiàn)代焊接與連接工程學3、鋁合金焊接裂紋及預防技術主要為熱裂紋，產(chǎn)生于焊縫的為結晶裂紋（凝固裂紋），產(chǎn)生于近縫區(qū)或前層焊縫中的為液化裂紋。熱處理強化鋁合金內(nèi)有很多金屬間化合物強化相，焊接時近縫區(qū)母材峰值溫度會超過500C，此時晶界發(fā)生低熔點共晶體的熔化（液化）。如果熔化發(fā)展成網(wǎng)狀聚積，因晶界塑性變形能力不足而產(chǎn)生液化裂紋。焊接熱裂紋經(jīng)常出現(xiàn)在起弧、熄弧、定位焊、補焊、焊縫交叉及剛性很大的鑲嵌件（如法蘭盤）環(huán)形焊縫中。2A12鋁合金近縫區(qū)母材晶界熔化及沿晶開裂55現(xiàn)代焊接與連接工程學防止鋁合金焊接裂紋的主要措施：1）正確選用母材若選用焊接性較差的熱處理強化鋁合金，當焊件尺寸不大時，可采用退火狀態(tài)焊接、焊后再實施固溶時效的工藝。2）選用外部拘束度較小的結構形式和焊接工藝拘束過大會形成液化裂紋。合理的焊接順序和接頭設計可減少拘束應力，如先焊拘束大的焊縫，改V型坡口為X型，注意清根。

6A02-T6鋁合金法蘭座環(huán)縫斷裂外貌3）選用抗熱裂能力強的焊絲向熔池提供流動性好的低熔點共晶體，焊縫發(fā)生晶界開裂時自動填充縫隙，并能滲入到近縫區(qū)母材晶間開裂間隙，并能在焊縫凝固前結束。56現(xiàn)代焊接與連接工程學4、鋁合金焊接時（氫）氣孔的預防1）嚴格控制氫來源注意母材和焊絲清理、保護氣體和送絲結構的潔凈和干燥。2）焊前預熱、減緩散熱增加熔池存在時間，便于氫氣泡逸出，在補焊、定位焊及正常焊接中比較有效。3）優(yōu)選焊接工藝方法極性及參數(shù)非對稱調(diào)節(jié)的鎢極方波交流氬弧焊和等離子弧焊（包括等離子立焊），陰極霧化充分，焊接過程中可排除氣孔和夾雜物，對焊縫氣孔敏感性較低。

降低電弧電壓、增大焊接電流、降低焊接速度，利于減少焊接熔池溶解的含氫量，減緩熔池冷卻速度，便于氫氣泡逸出。57現(xiàn)代焊接與連接工程學3.5.3鎂合金的焊接性和焊接質(zhì)量控制1、鎂合金焊接中的主要問題

氧化與蒸發(fā)加入合金元素后鎂合金的熔點變低，鎂與氧的氧化作用更強。焊接過程中形成高熔點MgO覆蓋在熔池和坡口上，嚴重影響焊縫成形并可能形成夾渣；也可能形成Mg3N2夾渣，影響焊縫金屬的塑性。鎂可與O、C、S、N、H等形成多種不同顏色的氧化物，密度一般都稍高于鎂，在鎂焊接液態(tài)中難以排出。另外，由于鎂的沸點溫度低，在電弧焊高溫下容易燃燒和蒸發(fā)。過熱區(qū)晶粒粗大鎂合金熔點低、導熱快、焊接時需要較大功率，加熱面積大，熱影響區(qū)寬且易于過熱，組織晶粒粗大，嚴重影響接頭性能。58現(xiàn)代焊接與連接工程學熱裂紋傾向大鎂合金線脹系數(shù)較大，在焊接過程中易于產(chǎn)生較大熱應力和變形。鎂與Cu、Al、Ni等易形成低熔點共晶體，偏析于晶界，增大了結晶溫度范圍，在應力作用下極易形成熱裂紋，尤其是弧坑裂紋。Mg-Mn合金是單相（相），結晶溫度區(qū)間窄，熱裂紋傾向小。氣孔氣孔是主要問題之一。高溫條件下大量溶解氫，隨溫度的下降，其溶解度急劇減少，析出大量的氫氣容易形成氣孔。所以焊接區(qū)的保護和坡口附近的清理十分重要。由于焊接高溫下存在鎂的燃燒問題，故保護氣體宜采用惰性氣體。焊接高溫使晶界過度氧化即過燒現(xiàn)象，也會嚴重降低接頭性能，控制焊接熱輸入十分重要。59現(xiàn)代焊接與連接工程學2、鎂合金的主要焊接工藝與焊接鋁合金基本相同，比鋁合金更要加強保護，規(guī)范控制更嚴格些。氬弧焊方法仍是目前應用最廣最先進的工藝。氬弧焊焊接鎂合金時所用焊絲可采用與母材同質(zhì)的材料。焊絲在使用前一定要經(jīng)過除去氧化膜工藝，并在12h內(nèi)焊完。對焊絲的質(zhì)量有較高要求，不得有氣孔、夾雜、疏松等缺陷。鎂合金結構件焊接前必須徹底清理表面氧化膜和其它各種污物。由于鎂合金的沸點低、易蒸發(fā)，產(chǎn)生大量的黃色氣體對人體有害，焊接時排風特別重要。對于鑄造鎂合金，焊后往往還要進行熱處理，以消除應力和降低SCC傾向。60現(xiàn)代焊接與連接工程學3.6(鎳基)高溫合金焊接TheWeldingofNi-basedSuperalloys

鎳基高溫合金不僅具有熱強性，還具有耐蝕性，廣泛應用于航空航天、核能和石油化工。航空發(fā)動機上所需的鎳合金材料約占整體結構材料的60%。70s以來定向凝固、單晶以及ODS（氧化物彌散強化）等新工藝突破了靠單純調(diào)整合金成分改善性能的限制。3.6.1普通高溫合金的種類一類是變形鎳基合金，一類是鑄造鎳基合金。變形鎳基合金具有較高的熱穩(wěn)定性和熱強性。采用精密鑄造方法生產(chǎn)的鎳基合金仍具有良好的熱強性和焊接性，但應用范圍要比變形合金少。鎳基合金強化方式：固溶強化、沉淀強化、彌散強化等。61現(xiàn)代焊接與連接工程學

固溶強化：加入少量合金元素（如Cr、Mo、W、V、Nb）以及稀土，采用高溫固溶處理的方式來提高合金強度。

沉淀強化：固溶處理+時效處理。含有金屬間化合物-Ni3(Al,Ti)或Ni3(Nb,Al,Ti)，同時有W、Mo、B等元素與C形成碳化物（MC、M6C、M23C6等）使之沉淀獲得強化。

彌散強化：以氧化釷（ThO）或氧化釔（Y2O3）彌散強化的鎳基合金（ODS合金），如TD－Ni，DS－Ni等。氧化釷含量一般在2%，余為鎳。氧化物彌散分布于合金基體中，使抗拉強度有顯著提高。62現(xiàn)代焊接與連接工程學四類常用合金：Ni-Cu類合金，也稱Monel合金，如Monel-400系列，其中Ni占1/2到2/3。Ni-Cr和Ni-Cr-Fe類合金，也稱為Inconel合金，如Inconel-600系列，其中Ni占70%以上。Ni-Fe-Cr型合金稱為Incoloy合金，也常叫做鐵鎳基合金，如Incoloy-800系列，其中Ni=30-55%，Ni＋Fe>65%。Hastelly型系列合金。在Ni-Cr-Fe合金基礎上加入Mo為HastellyF型合金；Ni-Mo型合金為HastellyA型合金；降低碳含量并少量加入Fe、V等元素為HastellyB型合金；加入W、Cr、V后就成為HastellyC型合金。63現(xiàn)代焊接與連接工程學鎳基合金基體組織為相（奧氏體）。為使相得到固溶強化，需加入合金強化元素。合金基體的固溶強化效應只能維持到基體熔點的0.6倍。借助金屬間化合物的析出強化（’），產(chǎn)生沉淀硬化效果，可以有效提高合金的高溫使用強度。

大多數(shù)鎳基合金中’相體積百分數(shù)大于30％。為使’相更穩(wěn)定，一般加入高熔點元素，使其不易溶解或長大。加入Co、W、Mo、Nb等元素可減緩Al、Ti的擴散速度，提高鎳基合金中Cr含量可以降低’相粗化率。64現(xiàn)代焊接與連接工程學要使鎳基合金強化，還要強化晶界。晶界強化技術主要包括：通過熱處理改變晶界狀態(tài)。使第二相沿晶界呈顆粒狀析出或形成鋸齒狀晶界。控制晶界成分?？刂朴泻υ谺i、Pb、S、Sb等不在晶界產(chǎn)生偏析和脆化，加入稀土元素可以凈化晶界（去S、O、H等）。形成碳化物和其它化合物的有利形態(tài)。鎳基合金中可能存在的四種碳化物類型：M6C、M23C6、M7C3和MC。鎳基合金組織結構較為復雜，除了相單一組織，至少還有’強化相及碳化物強化相，另外還可能有相、相等和其它非金屬化合物。變形鎳基合金的性能均靠熱處理來保證。

65現(xiàn)代焊接與連接工程學3.6.2普通高溫合金的焊接性和焊接工藝特點主要問題是焊接熱裂紋（結晶裂紋、多邊化裂紋、液化裂紋）、近縫區(qū)組織長大、接頭等強度問題。對于沉淀強化的鎳基高溫合金，焊后再次加熱時效時易出現(xiàn)再熱裂紋。焊接過程中保護不好會產(chǎn)生氣孔和元素氧化，液態(tài)金屬流動性變差，產(chǎn)生缺陷（如氣孔、夾渣、未焊透等）的可能性增加。1、焊接熱裂紋焊縫出現(xiàn)結晶裂紋（凝固裂紋）的可能性較大。由于合金較多，組織又是單相奧氏體，對合金元素的溶解度有限，這些合金元素與Ni、Fe作用生成低熔點共晶體而偏析于晶界的可能性很大，在焊接熱應力的作用下產(chǎn)生結晶裂紋。66現(xiàn)代焊接與連接工程學要求母材和焊絲中含S量控制在50ppm以下，焊條中S、P控制在200ppm以下，含Si量控制0.25%以下。加入Mn有利于避免熱裂紋。K6C鑄造合金TIG焊結晶裂紋（左）及其斷口形貌（右）GH150鐵鎳基合金TIG焊縫（左）及結晶裂紋形貌（右）67現(xiàn)代焊接與連接工程學a)Mo9.13%b)Mo15.2%c)Mo15.2%+W4%

多邊化裂紋發(fā)生在多邊化晶界，即亞晶界或二次晶界，它是在焊接應力作用下晶格內(nèi)大量位錯、空位從不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)移動、合并而成的與一次結晶晶界不同的新的網(wǎng)界。該晶界薄弱，易形成微裂紋，發(fā)生在焊縫結晶過程的固液階段，在固相中成核之后往結晶前沿擴展并與液相相連。

Mo含量增加可減輕多邊化裂紋危害；再加入4%W,可完全避免多邊化裂紋。

68現(xiàn)代焊接與連接工程學

液化裂紋是鎳基合金近縫區(qū)母材和多層焊縫的層間過熱區(qū)較容易出現(xiàn)的一種沿奧氏體晶界開裂形式。焊接時的高溫狀態(tài)使晶界上的低熔點組成物被高溫所重熔，形成液化膜，在拉應力作用下，沿晶界開裂而形成液化裂紋。影響液化裂紋的因素很多方面與結晶裂紋一致。冶金方面主要是對B、P、S、Si元素的控制。B在鎳基合金中溶解度很小，只要30-50ppm微量就可能在晶界產(chǎn)生偏析，能與鐵、鎳形成低熔點共晶體（Fe-B、Ni-B共晶體熔點不超過1150C）。K6C鎳基合金焊接近縫區(qū)（左C處）和過熱區(qū)（右）液化裂紋C69現(xiàn)代焊接與連接工程學

鎳基高溫合金中Ti、Al含量與TIG焊裂紋率關系A區(qū)：裂紋率低于10%，Al、Ti含量較低的固溶強化合金，抗裂性較好。B區(qū)：裂紋率10-15%，含Al、Ti量較高的時效強化變形合金，可以焊接。C區(qū)：裂紋率大于20%，Al、Ti含量更高的沉淀強化鑄造合金以及部分可焊性不好的變形合金，焊接時易出現(xiàn)熱裂紋。70現(xiàn)代焊接與連接工程學2、再熱裂紋InconelX-750合金中的再熱裂紋焊后加熱中隨殘余應力松弛和材料二次硬化相的析出，接頭不足以承受產(chǎn)生的應變而引起的一種裂紋。經(jīng)常出現(xiàn)在沉淀強化型鎳基合金焊接結構中。沿晶界形核和擴展，具有晶間開裂特征。

一般起源于粗晶區(qū)，然后擴展至接頭細晶區(qū)。’相形成元素Al、Ti的含量越多，再熱裂紋傾向越大。71現(xiàn)代焊接與連接工程學3、焊接接頭等強度問題鎳基合金焊接接頭一般狀態(tài)下不能達到與母材等強度的要求，接頭強度（尤其是高溫持久強度）和塑性與母材相比均有降低。焊接接頭熱影響區(qū)普遍存在過熱和晶粒長大現(xiàn)象，導致韌塑性降低，用焊后熱處理方法得不到改善。鎳基合金在時效狀態(tài)下施焊，在高溫過熱區(qū)中會有部分區(qū)域重新進入固溶狀態(tài)，該部分區(qū)域會軟化使強度降低。焊接Al、Ti含量較低的固溶強化合金時，經(jīng)過在較長時間的時效條件下使用，有可能在熱影響區(qū)的高溫部位出現(xiàn)沉淀硬化現(xiàn)象。72現(xiàn)代焊接與連接工程學4、焊接氣孔形成氣孔的敏感性較強。原因與其它材料中產(chǎn)生氣孔的規(guī)律基本相同，即坡口表面的不清潔，焊接保護不到位等，造成熔池溶解較多的氫、氧、氮等氣體，冷卻時由于溶解度的下降而產(chǎn)生導致氣體析出形成氣孔。鎳及鎳基合金熔池的流動性稍差，不利于氣體的逸出，也是形成氣孔并造成氣孔尺寸較大（2-3mm）的原因。為了避免氣孔，注意清理坡口，選擇合理的焊接材料和焊接工藝，加強熔池的保護。73現(xiàn)代焊接與連接工程學5、普通鎳基高溫合金的焊接工藝特點A）手工電弧焊適合焊接1.5mm以上厚度的工件。焊條藥皮一般都采用低氫型渣系，焊芯多用接近母材成分的焊絲。為改善焊縫的抗裂性能，在藥皮中加入Ti、Al、Mo、Nb等合金元素。為避免焊條和焊縫金屬過熱，應采用小直徑、小規(guī)范、短電弧，不作橫向擺動的焊接工藝，焊接速度可比一般鋼件低15%左右。焊條長度一般不超過300mm，直徑在3.2mm-4mm之間，否則焊芯會發(fā)紅而影響正常施焊。焊接厚度大于15mm的工件，焊前可預熱200-250C。多層焊時要控制層間溫度在150C以下，注意清渣和填滿弧坑。74現(xiàn)代焊接與連接工程學B）TIG焊焊接鎳基合金中應用最廣泛的先進焊接工藝。通常在直流正極性條件下進行，要求氬氣干燥并純度高。為了獲得優(yōu)質(zhì)焊縫，同樣需要附近尾罩的焊接區(qū)保護，同時焊縫背面300C溫度區(qū)域也要加強保護。選擇添加有Ti、Nb、Al等元素的焊絲，一般2.0%~3%，防止焊縫金屬產(chǎn)生氣孔和裂紋。如果含量過大，可能在焊縫中出現(xiàn)點狀和薄膜狀的非金屬夾雜物，降低焊縫的強度和韌性。

TIG焊時，盡量采用最大焊接速度，層間溫度控制在90C以下為宜。75現(xiàn)代焊接與連接工程學C）釬焊鎳基合金，特別是其小型器件，采用釬焊連接技術也比較普遍。含Ti、Cr、Al等合金元素最好采用真空釬焊工藝，這種方法可以得到表面光潔的接頭，同時釬料也能很好地潤濕。

含有Ti、Cr、Al的合金表面氧化物難以除去，真空釬焊時，爐內(nèi)壓力必須控制在10-2Pa以下才行，若是含有較多的W、Mo合金，更要在10-3Pa壓力下進行。釬焊時的加熱溫度可能影響母材基體性能，針對熱處理強化的合金，應選擇在淬火或固溶溫度以下進行。同時釬焊的冷卻速度要比空冷快一些，以避免已溶于基體中的化合物析出過多。76現(xiàn)代焊接與連接工程學常用鎳基釬料中含有Cr7-19%，B3-5%，Si3.5-5%。在750-850C下仍有很高的強度，在900-1100C條件下有很高的抗氧化性。其中：鉻可提高鎳基釬料的高溫強度和抗氧化性，硼可降低釬料的熔點，提高其潤濕性和高溫強度。硼和鎳還可形成低熔點共晶體，從而降低釬料熔點、增加流動性。但含B量過大會使釬料變脆，并對母材產(chǎn)生溶蝕，特別是和C的聯(lián)合作用。Si的加入也是為了降低釬料的熔點。釬焊時接頭間隙要盡可能小，一般不超過0.1mm，否則會在釬縫中形成脆性的鑄造組織，造成接頭強度下降，特別是沖擊韌性的降低。77現(xiàn)代焊接與連接工程學3.6.3先進高溫合金的焊接1、定向凝固高溫合金和單晶合金

晶界是金屬高溫時的薄弱環(huán)節(jié)，一般采用合金化的方式加入強化晶界的元素，更有效的方法是采用定向凝固技術生成柱狀晶消除與主應力垂直的橫向晶界或生成單晶徹底消除晶界。定向凝固合金和單晶合金實際上都是采用定向凝固技術。定向凝固合金70’s應用于波音747飛機發(fā)動機的高溫部件，80’s研制成功一系列新型鎳基單晶合金葉片。定向凝固合金和單晶合金葉片的壽命是普通鑄造葉片的2.5倍和5倍。78現(xiàn)代焊接與連接工程學2、ODS高溫合金在鎳基或鐵基合金中通過機械合金化方式加入均勻分布的超細氧化物質(zhì)點Y2O3，實現(xiàn)第二相彌散強化。Y2O3具有很高的熱力學穩(wěn)定性、很低的界面能和很細的顆粒度（<0.1m）和理想的形貌（不帶尖角），在高溫下不會分解，不會與基體反應，不易聚集，在接近基體熔點時也不溶解。Y2O3的引入，降低了擴散速度，阻止了晶粒的形核和長大，提高了再結晶溫度（MA956合金的再結晶溫度提高到1350C），因此在熱機械加工過程中形成了非常穩(wěn)定的纖維狀長晶，減少了垂直于受力方向的橫向晶界，顯著提高高溫（持久）強度。79現(xiàn)代焊接與連接工程學3、定向凝固和單晶高溫合金的焊接這類合金成分復雜，特別是’相形成元素Al和Ti的含量高，熔化焊時很難避免熱裂紋的產(chǎn)生。另外，在熔化的焊接區(qū)內(nèi)也破壞了母材原有的特殊凝固狀態(tài)，所以連接定向凝固和單晶高溫焊接的較好方法應該是母材不熔化的釬焊或擴散焊。

釬焊的接頭強度往往受釬料的限制而很難達到要求，直接擴散焊時由于這些材料的高溫強度很高而使連接過程中接觸面上很難發(fā)生蠕變變形，最合適的方法是過渡液相擴散連接工藝（TLP）。80現(xiàn)代焊接與連接工程學定向凝固高溫合金的TLP連接將定向凝固高溫合金用作航空發(fā)動機渦輪葉片時，為提高葉片性能將其制造成復雜的空心氣冷結構時必需采用焊接工藝進行連接。在進行DZ22真空釬焊時，焊后經(jīng)固溶、時效處理（規(guī)范同母材）和較高溫度的擴散處理（1130-1150C×8h），接頭持久性能為母材的80%。采用TLP連接工藝，中間層材料為0.04mm厚的非晶箔帶，成分為將DZ22合金中的Al、Ti去掉后加入3-5％的B。連接溫度1210C（與母材固溶處理溫度相同）。經(jīng)36h保溫，接頭中的＋基體與母材基體之間已無明顯界限。接頭持久相當于母材的90%。81現(xiàn)代焊接與連接工程學4、ODS高溫合金的焊接A）熔化焊MA754激光焊焊縫很窄，約1.5mm，沒有裂紋和氣孔。焊縫組織中分布有0.1-0.4m的Y2O3質(zhì)點，直徑大于母材中的Y2O3質(zhì)點(0.05m)。TIG焊縫中的Y2O3質(zhì)點嚴重聚集，平均尺寸為3m，質(zhì)點數(shù)量損失嚴重。力學性能母材激光焊接頭TIG焊接頭屈服強度，MPa656620360抗拉強度，MPa824816540伸長率，％192219面縮，％161816MA754合金激光焊和TIG焊接頭TIGLW82現(xiàn)代焊接與連接工程學B）TLP連接普通鎳基高溫合金TLP連接時的常用中間層材料都是在Ni-Cr基礎上加入一些降低熔點的元素B、Si，這些中間層也能用于鎳基ODS合金，但用于鐵基ODS合金時含B、Si要多些。與常規(guī)Ni基合金TLP接頭不同，ODS合金的TLP連接接頭中得不到外延生長的晶粒組織，母材與中間層之間有一個明顯的界面，在晶粒尺寸和晶粒方向上都存在很大區(qū)別，破壞了母材組織的連續(xù)性。所以，在ODS合金的TLP連接接頭中如何獲得外延生長的晶粒是一個值得研究的課題。83現(xiàn)代焊接與連接工程學3.7異質(zhì)材料連接TheJoiningofDissimilarMaterials

為滿足不同使用性能要求，采用具有不同性能特點的材料，用焊接的方法制造成復合結構或復合材質(zhì)的零部件。從母材組成看，異種金屬的焊接包括：異種鋼/鋼或鋼/鑄鐵的焊接，異種有色金屬的焊接，鋼/有色金屬的焊接。從焊接接頭形成條件看，可有各種不同材料形成的焊接接頭，同一母材采用不同種的焊縫金屬接頭，還有不同母材采用某一種填充金屬接頭，也有覆板和基板組成的復合板焊接接頭。異種金屬焊接時，由于熔點、密度、導熱性、線膨脹系數(shù)和焊接過程中的物理化學冶金等方面存在較大差異，必然給它們之間的可靠連接帶來特殊問題。84現(xiàn)代焊接與連接工程學物理化學性能差別對焊接性的影響：熔點。發(fā)生低熔點金屬熔化量增加、過燒、蒸發(fā)。線膨脹系數(shù)。增大接頭中的應力和變形，易使焊接接頭產(chǎn)生裂紋，嚴重時導致焊縫剝離。導熱性和比熱。不同溫度場會影響焊縫和熱影響區(qū)的結晶條件。電磁特性。造成電弧偏擺，使焊縫成形不好，甚至不能形成焊縫。金屬的氧化性。有強烈氧化性的異種金屬（如Cu/Al、Cu/Ti等），在焊接加熱過程中形成氧化膜，不利熔合。產(chǎn)生金屬間化合物。增加接頭脆性，導致接頭開裂。不同的化學冶金特性。兩種金屬在固態(tài)和液態(tài)下的相互溶解特性及形成固溶體或金屬間化合物等均直接影響接頭性能。85現(xiàn)代焊接與連接工程學能形成無限固溶體的異種金屬，與同種材料間的焊接問題基本相似。連接有限固溶體的異種金屬（在液態(tài)下無限互溶，固態(tài)下有限溶解，且產(chǎn)生共晶反應），能否得到優(yōu)良接頭的關鍵是焊縫金屬一次結晶過程中的晶內(nèi)偏析程度和固溶體的晶體結構轉(zhuǎn)變及相變特性。晶體結構畸形和體積改變，接頭易產(chǎn)生冷裂紋。有限固溶體的焊接，最終形成的是以兩種金屬各為基體的固溶體以及共晶體產(chǎn)物。當超過固溶體的溶解度極限時，還可以形成晶體結構不同于兩種金屬的新相，即金屬間化合物。如果金屬間化合物以條狀、片狀存在于晶粒之間，會造成接頭性能明顯下降。

可在兩被焊金屬之間加入過渡層，作為向兩種金屬溶解的溶質(zhì)。如用V作為連接Nb與18-8不銹鋼的過渡層。86現(xiàn)代焊接與連接工程學各種焊接方法連接異質(zhì)材料的特點電弧焊：正確選擇填充材料，盡可能降低母材溶入量，在坡口預先堆焊隔離層。

電子束或激光焊：很多金屬可以實現(xiàn)直接連接。

壓力焊和釬焊：易于實現(xiàn)，但不適應大型構件生產(chǎn)。

電阻焊：（電阻、閃光）對焊在工具生產(chǎn)和銅/鋁焊接中應用廣泛。大厚度焊件和微小直徑焊件連接時，電儲能焊接方法有獨到之處。摩擦焊：工件形狀和尺寸符合要求時，適合多數(shù)金屬材料的連接。

爆炸焊：生產(chǎn)大張復合板的最佳方法，材料組合有鋼-鋁、鋼-銅、鋼-鈦、碳鋼-不銹鋼等。87現(xiàn)代焊接與連接工程學3.7.1異種鋼的焊接1、碳鋼、低合金鋼與奧氏體不銹鋼的焊接問題及主要工藝稀釋造成熔合區(qū)化學成分不均勻。碳鋼一側熔合區(qū)形成高合金鋼成分，形成低塑性馬氏體。熔合區(qū)中碳擴散。若在350-400C下工作，由于焊縫中碳的濃度差和碳化物形成元素Cr的影響，會在熔合區(qū)出現(xiàn)C從珠光體一側向奧氏體焊縫的擴散。碳元素的減少使珠光體變成鐵素體而軟化，同時晶粒發(fā)生長大。而增碳層硬度提高，強度和塑性下降。焊縫組織不均勻性。熔合比大時，可能形成奧氏體＋馬氏體組織，易產(chǎn)生較高殘余應力。焊接時的