异种金属的焊接-很实用

4)所形成的焊缝金属，在使用各条件下其强度和塑性 至少与两母材中的一种相同；其耐腐蚀性能也应等于 或超过两母材的耐蚀性能。 在具体选择中遇到两种母材熔化温度相差很大时，宜 选择常用于焊接低熔点母材的哪种填充金属。如果用 了高熔点填充金属就可能受到低熔点母材的过分稀释； 当两母材线膨胀系数相差较大，除了选用线膨胀系数 介于两母材之间的填充金属外，也可以考虑选用具有 高塑性的填充金属，缓解因温度变化时所产生的热应 力。
(9) 焊缝缺陷以及再热裂纹;
(10) 接头存在残余应力; ( 11) 启动、停机(加载、卸载) 产生的温度、应力循环; (12) 热膨胀装配不合理、振动和自重产生的系统内部 应力;
(13) 超温、超载。
上述诸多因素中, 由于组织、性能的差异而产生的失 效是应考虑的主要方面, 一些外在因素是值得注意的 “后天”因素。
在异种金属熔焊中，经常采用减少稀释的方法 是堆 焊过渡层(又叫隔离层)法。
2)压焊
大多数压焊方法是对母材加热至塑性状 态或不加热，在一定压力下完成焊接的，一 般个存在稀释问题。其中冷压焊、超声波焊、 扩散焊等方法在接头处温度低，一般也不发 生金属间化合物，这对异种金属焊接很有利。 如闪光对焊、摩擦焊等，其结合面焊接时发 生熔化，但在顶锻阶段便把局部熔化的金属 或金属间化合物挤压出去了。只有电阻点焊 和缝焊的焊缝上有熔核存在。 压焊最大缺点 是对焊接接头有一定要求。
焊 缝 金 属 的 稀 释 (1) 稀 释 率 计 算
(2)焊缝金属化学成份平均含量计算
异种金属的焊接方法和焊接材料 (1)焊接方法 1)熔焊
稀释率影响很大. 焊条电弧焊的稀释率可高达30％； 熔化极气体保护焊约在10—50％范围，其中 喷射过渡的稀释率最大，而短路过渡最小； 埋弧焊熔深较大，其稀释率在10—75％变动; 若采用带状电极就可以降低。
(2)不同的铁素体钢和铁素体—马氏体钢的焊接
这类钢中含有强烈的碳化物形成元素铬，且含量 较高。焊接时要防止焊接熔池受大气作用，避免合金 元素氧化烧损，宜选用低氢型焊条。 当焊接纯铁素体钢时，防晶粒过分长大使接头韧 性下降。低碳的铁素体钢焊前可不预热，但焊接线能 量应尽量低，层间温度在100℃以下。含碳量较高的铁 素体钢其组织中有相当数量的马氏体，焊接时要注意 近缝区马氏体脆化而引起裂纹。 通常是焊前须预热，焊后立即高温回火。也可以 采用奥氏体钢焊缝。但这时焊缝金属的强度大大低于 母材，须慎重。
异种金属的焊接
按工程实际需要，组合是多样的 异种金属焊接的组合类型 若按材料种类组合类型: • 1)异种钢的焊接。又称异种黑色金属的焊接。如 珠光体钢和奥氏体钢组合的焊接等。 • 2)异种有色金属的焊接。 如铜和铝之间的焊接等。 • 3)钢和有色金属的焊接。如钢和铝的焊接等。 目前异种材料焊接方面还有 1 金属-陶瓷;
举例：电站用奥氏体钢管异种钢焊接研究现状
奥氏体不锈钢与铁素体型耐热钢异种金属的焊接 研究， 近20 年来取得了较大的进展。随着火力发电机 组容量和参数的提高, 电站锅炉对流管束高温段正越来 越多地选用奥氏体铬镍不锈热强钢， 从经济角度考虑， 其低温段仍然沿用铁素体型低合金铬钼耐热钢。因此, 火力发电机组中随着各个部位工作温度的不同, 相应地 需要使用各种不同化学成分和组织结构的钢材, 必然会 遇到异种钢的焊接问题。
2 金属塑料;
3 金属-金属间化合物.
异种金属的焊接性
•
(1)物理性能差异带来的焊接问题
1)熔点
熔焊时，两种母材都须熔化，若两者熔化温度接近 (相差100℃以内)，通常的焊接方法和工艺都能顺利进 行。两者熔化温度相差很大时，就会因它们熔化不同 步，低熔点金属过早熔化而发生流淌或者与高熔点金 属产生未熔合。此外，熔点高的金属凝固和收缩时， 会使出处于部分凝固和薄弱状态的低熔点金属产生应 力，导致裂纹。
黑色白色金属焊接
指非合金钢或低合金钢与不锈பைடு நூலகம்之间的 连接。 珠光体钢、铁索体和铁素体—马氏体钢 以及奥氏体钢； 奥氏体—铁素体钢与奥氏体钢。
(1)不同珠光体钢的焊接
碳(或碳当量)是决定珠光体钢在焊接时淬 火倾向的主要因素，一般按异种钢中碳（或碳 当量)最小的钢来选择焊接材料。 对于与高温工作的铬钼耐热钢焊接时，为 了保证接头的热强性，则选用耐热的焊接材料。 焊前是否预热，视异种钢中碳(或碳当量)最高 的钢及厚度来决定。
设法避免或控制金属间化合物的形成，由于金属间 化合物形成一般需要一定孕育时间，而且和温度有 关。若能采用在较低的温度下焊接或加热时间很短， 就有可能不产生金属间化合物。
所以异种金属大多数的组合，选用固态焊接方 法比用熔化焊接方法更易实现。
两金属在液态、固态都不相溶解，又不形成金 属间化合物，则在液态时便会按比重分层，冷却时 各自独立结晶。这类的金属组合是不能直接焊接的。 需要对这种金属焊接时，只能寻找与这两者都只有 相溶性的第三种金属作中间层(过渡层)进行焊接。
在奥氏体焊缝的异种钢的失效接头中, 可以看到晶间断 裂的特征 , 这说明已涉及到高温晶界滑移的蠕变孔洞的 变形机理。在低应力的情况下, 蠕变孔洞在原始奥氏体 的晶界上形核, 并且聚集长大, 最后导致蠕变损伤。
异种钢焊接接头由于发生碳迁移, 形成碳浓度梯度的 起伏, 即通常所说的脱碳层和增碳层, 其物理和化学性能 受到很大影响。因此, 对碳迁移现象的研究引起了广泛 的重视。 碳迁移是异种钢接头运行中的一个重要现象, 越过 焊缝界面的碳迁移被认为是影响接头寿命的一个重要因 素。采用镍基填充金属虽然可有效地抑制碳迁移, 但也 同样存在着碳迁移现象; 在铁素体中使用稳定化元素对 阻止碳迁移是有效的, 但不容易采用, 而且对长期运行也 不完全有效。
异种钢接头失效机理
异种钢接头的失效机理是一个至今尚未完全弄清楚的问 题, 焊接研究人员都试图从微观组织上说明失效机理, 但 看法有许多分岐。 (1) 低合金钢侧距熔合线1 至2 个晶粒的原始奥氏体晶界 上形成裂纹并扩展产生失效。这种模式在不锈钢填充金 属的异种接头中比较普遍, 也偶见于镍基填充金属。 (2) 运行中沿熔合线宽带状碳化物形成裂纹和扩展并导 致失效, 这种模式在镍基填充材料的异种钢接头中比较 普遍。 (3) 焊缝中低合金钢界面外壁形成氧化缺口并扩展而导 致失效。
(2)焊接材料
对填充金属的要求： 1)能够承受母材的稀释而不产生裂纹、气孔、夹 杂物以及有害的金属间化合物； 2)形成的焊缝金属其组织和性能保持稳定。在使用 条件下不会产生元素的迁移，脆性相析出等不良现 象； 3)具有与母村相适应的物理性能。如线膨胀系数介 于两母材之间；热导率和电导率尽可能相近等；
• 2)热导率和比热容
两种金属热导率和比热容相差很大时，会导致热 输入失衡．熔化不均和改变焊缝及其两侧的结 晶条件。 例如，热导率高的金属热影响区宽，冷却速度 快容易淬硬，而热导率低的金属则发生过热。 • 3)线膨胀系数 线膨胀系数差别较大的异种金属焊接在一起时， 由于彼此间冷却收缩不一致，便会引起较大的 焊接应力，严重时能导致焊接裂纹。
奥氏体钢与铁素体奥氏体钢之间的焊接
• 在奥氏体异种钢材之间焊接时，对焊接材料的选择
首先必须考虑到奥氏体钢焊接时在合金成分与最佳 含量略有出入情况下就容易产生裂纹这一重要因素。
•
焊接材料:
第一类属于最常用的奥氏体钢，铬高于镍，可以用
工艺性最好的奥氏体铁素体焊接材料进行焊接；
(例如lCrl8Nil0Ti，1Crl6Nil4M02，它们处在状态图中 A和B点)，则可以选用奥氏体铁索体焊接材料。此时， 焊缝成分中的主要合金元素要比熔敷金属中的相对少 些。所以在通常每材的焊接熔透深度下，就可以使焊 缝中保证具有奥氏体－铁索体组织。 第二类钢奥氏体含量提高了，镍的含量超过了铬，因 而就不能再用奥氏体铁素体焊接材料进行焊接了。
影响异种钢接头失效的因素很多, 失效的主要原因至今 还没有形成统一的认识, 各国研究结果归纳如下: (1) 材料之间的热膨胀系数差别太大; (2) 由于碳迁移在低合金钢侧热影响区产生脱碳带;
(3) 材料之间的蠕变不匹配;
(4) 有害元素在热影响区晶界偏析; (5) 铁素体钢热影响区的蠕变脆性和回火脆性; (6) 热影响区产生碳化物, 这种碳化物促使裂纹成核; (7) 在铁素体钢一侧靠近焊缝界面产生氧化缺口, 减少了 有效截面积, 造成应力集中; (8) 铁素体钢焊缝界面附近贫铬, 形成氧化缺口, 裂纹形 核扩展;缺口, 裂纹形核扩展; (9) 焊缝缺陷以及再热裂纹; (10) 接头存在残余应力;
判断方法:相图
按接头组成归纳，分成三种组合类型 • 1)只有两种不同金属材料组合的接头，可表 示为“A十B”.如铜与铝摩擦焊；用纯镍焊条 焊补铸铁缺; • 2)由三种或三种以上不同金属材料组合的接 头。 • 3)复合钢板(即双金属)结构的接头。 典型的例子是以珠光体结构钢为基层以奥氏 体不锈钢为覆层的覆层的复合钢板焊接接头。
近年来, 国内、外多次发生异种钢焊接接头的断裂 失效事故。异种钢接头的早期失效是一个世界性的问 题, 即使采用镍基材料, 接头往往也达不到设计寿命。
在我国, 电站锅炉由于采用A/F 异种钢接头历史比较短, 异种钢早期失效的报导并不多,但也有一部分电厂的异 种钢接头在较短运行时间内频繁爆漏. 河南首阳山电厂300 MW 锅炉过热器SA 2132TP347H 与12Cr2MoVWV T iB 异种钢接头在168 h 试运行后1 个月内连续3 次发生爆管。 异种钢接头高温运行早期失效原因
例如，电阻点焊、缝焊、超声波焊等必须采用搭接接头； 摩擦焊时工件之间要产生相对高速旋转，至少有一个工 件能转动：爆炸焊只适用于较大面积的连接等。压焊的 应用范围受到很大限制.
3)钎焊 是异种金属常用的焊接方法。钎料与母材之间 就是异种金属的焊接。其特点是两母材都不熔化，熔化 的是熔点比母材低。
4)熔焊—钎焊 这是一种为了解决异种 金属间没有相溶 性或易生成金属间化合物时采取的一种焊接技术。实质 是在一个异种金属接头上对最难焊接的金属采取钎焊， 易焊接的金属采取熔焊。简易的作法是先钎焊，后熔焊。 ５）扩散焊
• 4)磁场作用
有磁性金属和无磁性金属组合，当采用直流电 弧或电子束方法焊接时会因磁场的作用，使电 弧偏吹或电子束偏离其轴线(偏向磁铁体一侧)， 其后果是磁铁体金属熔化量过大，产生过分稀 释，或无磁性金属根部未熔合等缺陷。
(2)异种金属的相溶性
• 异种金属之间能否进行焊接，决定于这两种 金属在焊接条件下．它们合金元素之间的相 互作用。 • 当两种金属元素之间不但在液态而且在固 态下都互相溶解，能形成一种新相——固溶 体，那么这两种金属元素之间便具会了冶金 学上的“相溶性”，原则上是可以焊接的。
(3)不同奥氏体钢的焊接
各种奥氏体钢无论如何组合，几乎都可以用各种 焊接方法进行焊接。因为具有单相奥氏体组织的钢在 任何温度下不会发生相变，而且这种组织具有良好的 塑性和韧性。
目前仍以焊条电弧焊焊接不同奥氏体钢组合的为多， 除了焊条电弧焊适应性强外，奥氏体钢焊条的品种多， 能满足不同组合的需要。它们主要是奥氏体的耐酸、 耐热和热强钢之间组合的焊接。
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当有限固溶体的溶质金属量超过了溶解度(达饱和)， 就可能出现两种情况：
• 在该固溶体中析出另一种固溶体，从而形成两相混 合物； •在该固溶体中析出金属间化合物。 金属间化合物的性质硬而脆，常称脆性相，它不能用 于连接金属，在焊缝金属不希望出现这种组织。如果 在固溶体焊缝中出现了金属间化合物，则接头的塑性 和韧性下降.影响程度决定于它的类型，数量、形态及 其分布。 若焊缝中金属间化含物越多，且在晶界上呈网状 分布，则接头的性能就越差。
• 合金元素之间相溶条件:
两者晶格类型相同(如同为体心立方晶格); ▲原子大小相近(即原于半径相差不大); ▲元素周期表中位置相邻(即电化学性质相差小)。 若同时能满足这些条件，则能无限制地溶解、 所形成的固溶体称无限固溶体。 如果只是部分地满足上述条件，则只能有限地溶 解，这样的固溶体称有限固溶体。