异种材料的焊接

第8章异种材料的焊接

本章教学目的：

1．了解异种材料焊接存在的问题和特点

2．掌握异种钢的焊接

本章课时安排：2H

本章重点难点：异种钢的焊接

现代工程结构中不仅需要对大量的同种材料进行焊接，也需要对相当数量的异种材料进行焊接。采用异种材料制造的焊接结构，不仅能满足不同工作条件对材质提出的不同要求，而且可节约大量的优质贵重材料，降低成本，充分发挥不同材料的性能优势。近年来，异种材料焊接结构在机械、化工、电力及核工业等行业得到广泛应用，对异种材料的焊接也越来越受到重视。异种材料焊接的种类很多，本章主要阐述异种钢和典型的异种有色金属焊接的基本概念。

第1节异种材料的分类、组合及焊接性特点

一、异种材料的分类、组合

材料种类繁多，性能各异，按工程实际需要，异种材料的分类和组合在工程中是多种多样的。从材料角度看，异种材料焊接的分类和组合主要包括三大类：

1. 不同金属材料之间的组合

（1）异种钢铁材料的组合，又称为异种黑色金属的组合，如珠光体钢与奥氏体钢的焊接等。

（2）钢铁材料与有色金属的组合。如钢与铝的焊接等。

（3）异种有色金属的组合。如铜与铝的焊接等。

（4）金属材料与非金属材料的组合。如钢与石墨、金属与陶瓷。

2. 不同组织或合金系的异种钢焊接构件

各种类型的钢铁材料是现代工业中应用最广泛的金属材料，工程结构中应用较多的是不同金相组织的异种钢焊接，这类结构件主要分以下两种情况：（1）母材金相组织相同，但焊缝金属与母材基体合金系及组织性能不同的异种

钢焊接构件，例如1Cr18Ni9Ti与高镍奥氏体钢之间的焊接结构件。

（2）母材金相组织不同的异种钢组合。最常见的有珠光体钢与铬镍奥氏体钢、珠光体钢与高铬铁素体钢的焊接结构件等。

3. 不同用途的异种材料焊接构件

（1）用于耐磨的异种金属组合。如高碳钢、各种合金钢、超合金、碳化钨等硬质合金，这些材料主要用于制造建筑机械、发动机、炼钢机械、刀具等。

（2）用于耐热的异种金属组合。如铬钼钢、不锈钢、耐热钢、镍基合金等各种耐热超合金、复合材料、金属间化合物等。这些材料主要用于制造锅炉、发动机、炼钢、各种机械、汽轮机、核电站等。

（3）用于耐腐蚀的异种金属组合。如各种不锈钢、镍基合金、铝等。这些材料主要用于制造石油化工、轻工、原子能、海洋工程装备及医疗器械等。

（4）用于减轻装备重量的异种金属组合。如钛、铝、镁及其合金等，主要用于航空航天、运载火箭、导弹、运输设备等。

（5）提高电磁性能的异种金属组合。如银、铜、铍及其合金等，主要用于制造电器、计算机、电子工业零件等。

二、异种材料的焊接性特点

异种材料的焊接性取决于两种材料的组织结构、物理化学性能等，两种材料的这些性能差异越大，焊接性越差。

1. 异种材料焊接存在的问题

异种材料的焊接与同种材料焊接相比，有很大的不同，前者一般要比同种材料焊接困难。异种材料焊接时，因为材料的物理、化学性能及化学成分等有显著差异，从焊接性和操作技术上都比同种材料难焊。异种材料焊接时，存在如下主要问题：（1）异种材料之间不能形成合金。如焊接铁与铅时，不仅两种材料在固态时不能相互溶解，而且在液态时彼此之间也不能相互溶解，液态金属呈层状分布，冷却后各自单独进行结晶。在这类异种材料的结合部位，不能形成任何中间相结构。

（2）异种材料的热膨胀系数不同，容易引起热应力，而且这种热应力不易消除，结果会产生很大的焊接变形。

（3）异种材料焊接过程中，由于金相组织的变化或新生成的组织，都可使焊接

接头的性能恶化，给焊接带来很大的困难。

（4）异种材料焊接接头的熔合区和热影响区的力学性能较差，特别是塑性的明显下降。

（5）由于接头塑韧性的下降以及焊接应力的存在，异种材料焊接接头容易产生裂纹，尤其是焊接热影响区更容易产生裂纹，甚至发生断裂。

2. 影响异种材料焊接性的因素

（1）物理性能的差异

两种材料物理性能的差异主要是指熔点、热膨胀系数、导热系数和比电阻等的差异，它们将影响焊接的热循环过程、结晶条件，降低焊接接头的质量。当异种材料热物理性能的较大差异会使熔化情况不一致时，就会给焊接造成一定的困难；线膨胀系数相差较大时，会造成接头较大的焊接残余应力和变形，易使焊缝及热影响区产生裂纹。异种材料电磁性相差较大时，焊接电弧不稳定，焊缝成形不好甚至形成不了焊缝。

（2）结晶化学性能的差异

结晶化学性能的差异主要是指晶格的类型、晶格参数、原子半径、原子的外层电子结构等的差异，也就是通常所说的“冶金学上的不相容性”。两种被焊金属在冶金学上是否相容，取决于它们在液态和固态时的互溶性以及这两种材料在焊接过程中是否产生金属间化合物（脆性相）。

（3）材料的表面状态

表面氧化层（氧化膜）、结晶表面层情况、吸附的氧离子和水份、油污、杂质等状态，都直接影响异种材料的焊接性。

第2节异种钢（珠光体钢与奥氏体钢）的焊接

根据金相组织，钢材可以分为珠光体钢(碳钢和低合金钢)、铁素体钢和铁素体-马氏体钢（高铬钢）、奥氏体钢和奥氏体-铁素体钢（铬镍钢）三大类。异种钢的焊接主要有金相组织相同的和金相组织不同的，常见组合为不同珠光体钢的焊接；不同铁素体钢、铁素体-马氏体钢的焊接；不同奥氏体钢、奥氏体-铁素体钢的焊接；珠光体钢与铁素体钢、铁素体-马氏体钢的焊接；珠光体钢与奥氏体钢、奥氏体-铁素体钢的焊接；铁素体钢、铁素体-马氏体钢与奥氏体钢、奥氏体-铁素体钢的焊接等。

在石油化工、造纸、纺织印染机械及制酒设备中，有许多焊接结构是采用珠光体

钢与奥氏体钢的异种钢焊接而成的。例如，各种容器、罐体结构内壁与腐蚀介质接触的部位常采用奥氏体不锈钢，而基座、法兰等不与腐蚀介质接触的部位采用珠光体钢比如碳钢或低合金钢。异种钢的组织结构、物理化学性能等都有很大差别，那么珠光体钢与奥氏体钢焊接时存在什么问题呢？我们首先来分析其焊接性。

一、珠光体钢与奥氏体钢的焊接性分析

前面讲过，异种材料的焊接性取决于两种材料的组织结构、物理性能、表面状态等，两种材料的这些性能差异越大，焊接性越差。

由于珠光体钢与奥氏体钢的物理性能、化学成分（尤其是含Cr量）存在差异，其焊接时存在如下三大问题：⑴焊缝成分稀释⑵熔合区性能恶化（包括形成凝固过渡层和碳迁移过渡层）⑶接头应力复杂

1. 焊缝成分的稀释

焊缝金属实际上是熔敷金属与熔化的基体金属混合在一起的合金。基体金属（母材）熔入焊缝后使其合金元素比例发生变化，焊缝中合金元素比例减小称为“稀释”，若比例增加则称为“合金化”。稀释或合金化的程度取决于熔合比，即基体金属在焊缝中所占的百分比。熔合比取决于多种因素，包括坡口形式、焊接工艺和金属的导热性等。

珠光体钢与奥氏体钢焊接时，由于珠光体钢母材的稀释作用，使得焊缝的成分和组织发生了很大的变化。为了确保焊缝成分合理（保证韧性和抗裂性），必须采取一定的防止措施：①正确选择超合金化的焊接材料。

②控制熔合比或稀释率。

2. 熔合区凝固过渡层的形成马氏体脆性层

在实际焊接接头中，焊缝中间部位与焊缝边缘的化学成分有很大的差别。熔池边缘靠近固态母材处，液态金属的温度较低、流动性差，该处熔化的母材与填充金属不能充分地混合，在熔池靠近焊缝边界的很窄范围内存在一个“不完全混合区”。而且越靠近熔合区，母材成分所占的比例越大，不完全混合区越明显。由于这种成分上的过渡变化区是因熔池凝固特性而造成的，故称为凝固过渡层，也称为马氏体脆性层。

熔合区出现马氏体脆性层是导致异种钢焊接接头塑性和韧性降低的主要原因。熔合区马氏体脆性层的宽度与焊接工艺和填充材料等有关。