第一节 异种金属材料焊接接头的特点及成分和组织的控制

所谓异种金属的焊接，是指各种母材的物理常数和金属组织等性质各不相同的金属之间的焊接。异种金属的焊接主要包括三种情况：异种钢焊接（如奥氏体钢与珠光体耐热钢的焊接）；异种有色金属焊接（如铜与铝、铝与钛的焊接）：钢与有色金属焊接（如钢与铜、钢与铝的焊接）。从接头形式角度来看，也有三种情况：两种不同金属母材的接头（如铜与钼的接头）；母材金属相同而采用不同的焊缝金属的接头（如采用奥氏体钢焊接中碳调质钢的接头）；复合金属板的接头（如奥氏体不锈复合钢板的接头）。

第一节异种金属材料焊接接头的特点及成分和组织的控制

一、异种金属材料焊接接头的特点

异种金属材料焊接接头和同种金属材料焊接接头的本质差异和特点，在于熔敷金属两侧焊接热影响区和母材有如下诸方面的不均匀性。

1．化学成分的不均匀性异种金属焊接时，由于焊缝两侧的金属和焊缝的合金成分有明显的差别。随着焊缝形状、母材厚度、焊条药皮或焊剂、保护气体种类的不同，焊接熔池的行为也不一样。因而，母材的熔化量也将随之而不同。熔敷金属与母材熔化区的化学成分由于相互稀释也将发生变化。由此可见，异种金属焊接接头各区域化学成分的不均匀程度，不仅取决于母材和填充材料各自的原始成分，同时也随焊接工艺而变化。例如异种金属施焊时所用的焊接电流要尽量小，熔深要浅则受稀释的影响就小。

2．组织的不均匀性由于焊接热循环的作用，焊接接头各区域的组织也不同，而且，往往在局部的地方出现相当复杂的组织结构。根据舍夫勒组织图（见图3-1-1）和稀释率（见图3-1-2）可以确定异种

Creq (%)

图3-1-1舍夫勒(schaeffler)组织图图3-1-2焊缝熔合比（稀释率φ）

金属焊接接头中焊缝区的组织结构。组织的不均匀性，决定于母材和填充材料的化学成分，同时也与焊接方法、焊道层次、焊接工艺以及焊后热处理过程有关。若能在工艺上适当调整，可以使焊接接头的组织不均匀程度得到一定的改善。

其中，Ф按下式计算

Ф=A/(A+B)=(A1+A2)/( A1+A2+B)

式中B—填充材料的熔入量（用焊缝中填充材料熔化的截面面积表示）；

A—母材的熔人量，同样用焊缝中母材熔化的截面面积表示，A= A1+A2； A1、 A2分别为母材l、2熔入的截面面积。

3．性能的不均匀性焊接接头各区域化学成分和组织的差异，带来了焊接接头力学性能的不同，沿接头各区域的室温强度、硬度、塑性、韧性都有很大的差别。有时在3～5个晶粒的范围内，显微硬度出现成倍的变化；在焊缝两侧的热影响区，其冲击值甚至有几倍之

差。高温下的蠕变极限和持久强度也会因成分和组织的不同，相差极为悬殊。

物理性能对焊接接头影响最大的因素有热膨胀系数和热导率，它们的差异很大程度上决定着焊接接头在高温下的使用性能。

4．应力场分布的不均匀性异种金属焊接接头中焊接残余应力分布不均匀，这是因为接头各区域具有不同的塑性决定的；另外，材料导热性的差异，将引起焊接热循环温度场的变化，也是残余应力分布不均匀的因素之一。

由于异种金属焊接接头各区域热膨胀系数不同，接头在正常使用条件下，因温度循环而出现在界面上的附加热应力，其分布也不均匀，甚至还会出现应力高峰，从而成为焊接接头断裂的重要原因。

由于组织结构不均匀，在整个焊接接头各区域第Ⅱ类应力（即微观组织应力）的分布和大小也将存在差异。

总之，对于异种金属焊接接头来说，成分、组织、性能和应力场的不均匀性，是其表现的主要特征。

二、异种钢焊缝金属的化学成分和金相组织的控制

1．异种钢接头的焊缝成分与舍夫勒组织图关系

异种钢焊接时，由于选择了与母材成分不同的焊接材料，必须预先推算得到焊缝金属的成分和金相组织，根据其组织可知道异种钢焊接接头的性能。例如，奥氏体钢与珠光体钢焊接时，为了防止裂纹的产生，可考虑选用18-8型焊条，可是在这种情况下焊缝将会产生脆硬的马氏体组织。为了避免马氏体组织的产生，降低其对裂纹的敏感性，需采用更高合金含量的25-20型焊条。但是纯奥氏体的25-20型焊缝金属容易产生热裂纹，从避免热裂纹考虑，又希望焊缝金属中有一定数量的铁素体相。由于铁素体相存在，在500℃以上的高温下长期使用过程中，又必须注意σ相析出的脆化问题，所以异种钢焊接接头的性能，完全取决于焊缝金属的化学成分和组织结构。

异种钢接头的焊缝是由母材和填充金属混合而成，由于母材的熔入而使焊缝稀释，其稀释的程度由母材熔入焊缝的百分比来决定。

异种钢焊接，在合金元素烧损忽略不计的情况下，只要知道焊缝金属的化学成分，便可以用舍夫勒组织图（见图3-1-1）来推算焊缝金属的金相组织。舍夫勒组织图是把金属合金成分中的奥氏体形成元素（镍、碳和锰等）和铁素体形成元素（铬、钼、硅、铌等）成分分别计算出等价镍当量（用Nieq表示）和等价铬当量（用C‰表示），以等价镍、铬当量分别作为纵、横坐标。该图表示在焊条电弧焊冷却后，未经热处理的组织结构与成分的关系。它可以帮助断定异种金属焊接处的化学成分和组织。也可由母材，填充金属的化学成分及稀释率求出焊缝金属的化学成分（Cr及Nieq）再按舍夫勒组织图推算出焊缝金属的金相组织，并以此核算所选焊接材料是否正确。

舍夫勒组织图中所示等价铬当量和镍当量的计算公式如下：

Ni eq=W Ni+ 30Wc+ 0.5W Mn

Cr eq=W Cr十W Mo+ 1.5 W Si+0.5W Nb

以2.5Cr-lMo钢为例，用E308-15 (18-8), E309-15 (25-13)、E310-15 (25-20)型焊条焊接所得到的焊缝金属组织图见图3-1-3。

图3-1-3 2.5Cr-lMo钢用不同的奥氏体钢焊条焊接所得到焊缝金属组织图由图3-1-3可见，E308-15、E309-15型焊条的熔敷金属是完全奥氏体组织。用它们来焊接2.5Cr-lMo钢，其焊缝金属组织应处于2.5Cr-1Mo钢和焊条在图上两点的连线上，并取决于焊接时的稀释率(Ф)

E308-15焊条焊接2.5Cr-lMo钢，焊缝金属的稀释率口<18%时，为A+F（少量）；Ф=18%～48%时为A+ M;Ф超过48%，全部为M，这时如不适当采取预热和焊后热处理等工艺措施，将会产生淬硬裂纹。因此，用E308-15焊条焊接2.5Cr-lMo钢，必须控制稀释率在18%以下，才不会出现冷裂纹。然而这样小的稀释率在单层焊道电弧焊中很难达到，所以2.5Cr-lMo钢的焊接几乎不选用E308-15焊条。

用E309-15焊条焊接21Cr-lMo钢，焊缝金属稀释率Ф<20%，焊缝组织为A+F（少量）；Ф<20%～36%时为A; Ф= 36%～60%时为A+ M; Ф>60%时全部为M，这时如不采取适当的工艺措施，有可能产生淬硬裂纹。因此，用E309-15焊条焊接2.5Cr-lMo钢，为了使焊缝不产生M，必须使Ф<36%。

E310-15型焊条焊接2.5Cr-lMo钢，当Ф<56%时，焊缝组织不产生M，所以稀释率较大的焊接工艺，可以选用E310-15焊条。

表3-1-1为不同奥氏体钢焊条焊接2.5Cr-lMo钢时，稀释率与焊缝金属组织的关系。从表中可见，异种钢焊缝的金属组织随稀释率的不同而变化，所以选择焊条时，必须充分考虑稀释率的影响。

在已知稀释率的情况下，根据母材和焊条的合金成分算出[Cr eq]母、[Cr eq]填、[Ni eq]母、[Ni eq]填。从舍夫勒组织图中即可找出焊缝的合金成分和组织结构。

表3-1-1异种钢接头焊缝金属组织与稀释率（们的关系

2．影响稀释率（Ф）的因素

异种钢焊接时，把舍夫勒组织图和稀释率结合起来，根据设计要求所得到的焊缝组织，可作为选择焊条