材料焊接性第8章异种材料的2009.04.13

1、第第8 8章章 异种材料的焊接异种材料的焊接8.1 8.1 异种材料的分类异种材料的分类、组合及焊接性特点、组合及焊接性特点8.1.18.1.1异种材料的分类和组合异种材料的分类和组合表表8.1 8.1 异种材料焊接的分类、组合及特点异种材料焊接的分类、组合及特点不同不同化学化学成分成分和金和金相组相组织的织的异种异种钢钢 母材金相母材金相 组织相同组织相同 复合钢焊复合钢焊 接结构件接结构件 母材金相母材金相组织不同组织不同的异种钢的异种钢 焊接构件焊接构件 例低碳钢与铬钼耐热钢、例低碳钢与铬钼耐热钢、1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti与高镍奥氏体钢（如与高镍奥氏体钢（如Cr25Ni2

2、0Cr25Ni20、Cr16Ni36Cr16Ni36）之间的焊接。）之间的焊接。 最常见的有珠光体钢与铬镍奥氏体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钢、珠光体钢与高铬铁素体钢的焊接结构件等接结构件等 这类结构件是用低碳钢或低合金钢做这类结构件是用低碳钢或低合金钢做 基层，用不锈钢或有色金属（基层，用不锈钢或有色金属（TiTi、CuCu、AlAl等）做复层，采用复合轧制、爆炸等）做复层，采用复合轧制、爆炸焊、堆焊等工艺制成的双金属板材。焊、堆焊等工艺制成的双金属板材。 不同不同用途用途的异的异种材种材料焊料焊接结接结 构件构件 用于耐磨的用于耐磨的异种金属异种金属 焊接构

3、件焊接构件用于耐热的用于耐热的异种金属异种金属焊接构件焊接构件 用于耐腐蚀用于耐腐蚀的异种金属的异种金属焊接构件焊接构件 用于减轻装备用于减轻装备重量的异种重量的异种 金属焊接构件金属焊接构件 提高电磁性提高电磁性能的异种金能的异种金属焊接构件属焊接构件 如不锈钢、耐热钢、镍基合金、钴如不锈钢、耐热钢、镍基合金、钴基合金、耐热超合金、复合材料、金基合金、耐热超合金、复合材料、金属间化合物以及钽、铌、钼合金等属间化合物以及钽、铌、钼合金等如高碳钢、各种合金钢、高锰钢、如高碳钢、各种合金钢、高锰钢、超合金、碳化钨等硬质合金超合金、碳化钨等硬质合金如各种不锈钢、镍基合金、如各种不锈钢、镍基合金、铜、

4、铝、钛、钽及其合金等。铜、铝、钛、钽及其合金等。 如钛、铝、镁及其合金等，主要用于如钛、铝、镁及其合金等，主要用于航空航天、运载火箭、导弹、运输航空航天、运载火箭、导弹、运输设备等。设备等。如银、铜、铍及其合金等，主要用于如银、铜、铍及其合金等，主要用于 制造电器、计算机、电子工业零件等制造电器、计算机、电子工业零件等 8.1.2 8.1.2 异种材料的焊接性特点异种材料的焊接性特点指将不同化学成分、不同组织性能的指将不同化学成分、不同组织性能的两种或两种以上金属，在一定的工艺两种或两种以上金属，在一定的工艺条件下焊接成规定设计要求的构件，条件下焊接成规定设计要求的构件， 并使形成的接头满足预

5、定的服役要求。并使形成的接头满足预定的服役要求。 异种材料异种材料的焊接的焊接 异种材料异种材料 的焊接性的焊接性 取决于两种材料的组织结构、物理化学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性能等，两种材料的这些性能差异越大，焊接性越差。大，焊接性越差。 异异种种材材料料焊焊接接的的困困 难难 异种材料的线膨胀系数不同，容易引起热应异种材料的线膨胀系数不同，容易引起热应力，而且这种热应力不易消除，结果会使接力，而且这种热应力不易消除，结果会使接头处产生裂纹或很大的焊接变形。头处产生裂纹或很大的焊接变形。 异种材料焊接过程中，由于金相组织的变化异种材料焊接过程中，由于金

6、相组织的变化以及新生成的组织或化合物，可使焊接接头以及新生成的组织或化合物，可使焊接接头的性能恶化，给焊接带来很大的困难。的性能恶化，给焊接带来很大的困难。 异种材料焊接熔合区和热影响区的力学性能异种材料焊接熔合区和热影响区的力学性能较差，特别是塑性和韧性明显下降。较差，特别是塑性和韧性明显下降。 由于接头塑韧性的下降以及焊接应力的存在，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。热影响区更容易产生裂纹，甚至发生断裂。 影响影响异种异种材料材料焊接焊接性的性的因素因素热物理热物理性

7、能的性能的差异差异 结晶化结晶化学性能学性能的差异的差异材料的材料的表面表面 状态状态 两种材料热物理性能的差异主要是指两种材料热物理性能的差异主要是指熔化温度、线膨胀系数、导热系数等熔化温度、线膨胀系数、导热系数等 的差异，它们将影响焊接热循环过程、的差异，它们将影响焊接热循环过程、结晶条件，降低焊接接头的质量。结晶条件，降低焊接接头的质量。 结晶化学性能的差异主要是指晶格的类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、原子的外层型、晶格参数、原子半径、原子的外层电子结构等的差异，电子结构等的差异，也就是通常所说也就是通常所说的的“冶金学上的不相容性冶金学上的不相容性”。 材料

8、的表面状态，如表面氧化层（氧化材料的表面状态，如表面氧化层（氧化膜）、结晶表面层、吸附的氧离子膜）、结晶表面层、吸附的氧离子和水份、油污、杂质等，和水份、油污、杂质等， 异异种种材材料料焊焊接接方方法法 熔焊熔焊 压焊压焊 熔焊在异种材料焊接中应用很广，熔焊在异种材料焊接中应用很广，主要的熔焊方法有电弧焊、气体主要的熔焊方法有电弧焊、气体保护焊、电子束焊、激光焊等。保护焊、电子束焊、激光焊等。 异种材料焊接常采用压焊方法异种材料焊接常采用压焊方法主要有电阻焊、冷压焊、扩散主要有电阻焊、冷压焊、扩散焊、摩擦焊等。焊、摩擦焊等。还可以采用还可以采用钎焊方法来连接异种材料构件钎焊方法来连接异种材料构

9、件 8 8.2 .2 异种钢的焊接异种钢的焊接8.2.1 8.2.1 异种钢的焊接性分析异种钢的焊接性分析焊缝成分焊缝成分的稀释的稀释（熔合比）（熔合比） 焊缝金属实际上是熔敷金属与熔化的基体金属混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（合在一起的合金。基体金属（母材）溶入焊缝后母材）溶入焊缝后使其合金元素比例发生变化，焊缝中合金元素比使其合金元素比例发生变化，焊缝中合金元素比 例减小称为例减小称为“稀释稀释”，若比例增加则称为，若比例增加则称为“合金化合金化”。 表表8.2 8.2 焊条电弧焊和堆焊时基体金属的熔合比焊条电弧焊和堆焊时基体金属的熔合比 /%/%熔合

10、过熔合过渡区的渡区的形成形成异种钢焊接接头塑性和韧性降低的异种钢焊接接头塑性和韧性降低的主要原因是熔合区出现马氏体脆性主要原因是熔合区出现马氏体脆性层。熔合区马氏体脆性层的宽度与层。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。焊接工艺和填充材料等有关。 马氏体马氏体 脆性层脆性层 碳迁移碳迁移 扩散层扩散层 奥氏体和珠光体异种钢在焊接过程奥氏体和珠光体异种钢在焊接过程中，特别是接头处于热处理及高温中，特别是接头处于热处理及高温运行过程中，熔合区附近存在碳的运行过程中，熔合区附近存在碳的扩散迁移，在熔合区靠珠光体钢一扩散迁移，在熔合区靠珠光体钢一侧产生脱碳层，而在相邻的靠奥氏侧产生脱碳层

11、，而在相邻的靠奥氏体焊缝一侧产生增碳层。体焊缝一侧产生增碳层。 接头区接头区 应力状态应力状态 异种钢接头在回火加热时发生了应力松弛异种钢接头在回火加热时发生了应力松弛过程，但在随后冷却过程中，随着弹性性过程，但在随后冷却过程中，随着弹性性能的恢复，异种钢焊接接头不均匀的热收能的恢复，异种钢焊接接头不均匀的热收缩性会重新引起残余应力，这属于缩性会重新引起残余应力，这属于“回火回火残余应力残余应力”。 8.2.2 8.2.2 异种钢的焊接工艺特点异种钢的焊接工艺特点 焊接方法焊接方法 及焊接材料及焊接材料 焊接工艺焊接工艺 要点要点 珠光体钢与奥氏体钢焊接时，珠光体钢与奥氏体钢焊接时，常规的手工

12、电弧焊和气体保护焊常规的手工电弧焊和气体保护焊都可采用。都可采用。 针对奥氏体和珠光体异种钢的针对奥氏体和珠光体异种钢的 焊接，一般选用焊接，一般选用Cr25-Ni13Cr25-Ni13系焊条，系焊条，如如E309-15E309-15、E309-16E309-16等。等。 焊接珠光体和奥氏体异种钢接焊接珠光体和奥氏体异种钢接头时，应尽量降低熔合比，减少焊缝头时，应尽量降低熔合比，减少焊缝金属被稀释。为此应减小焊条或焊丝金属被稀释。为此应减小焊条或焊丝直径，采用大坡口、小电流、快速多直径，采用大坡口、小电流、快速多层焊等工艺。层焊等工艺。8.2.3 8.2.3 不锈复合钢的焊接不锈复合钢的焊接不

13、锈复合钢板是由较厚的珠光体钢（基体）和较薄不锈复合钢板是由较厚的珠光体钢（基体）和较薄的不锈钢（复层）复合轧制而成的双金属板。基体的不锈钢（复层）复合轧制而成的双金属板。基体多为碳钢或低合金钢，复层多为奥氏体不锈钢，如多为碳钢或低合金钢，复层多为奥氏体不锈钢，如 1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2TiCr18Ni12Mo2Ti、Cr23Ni28Mo3Cu3TiCr23Ni28Mo3Cu3Ti等，等，主要满足耐蚀性能要求。复层通常是在容器里层，主要满足耐蚀性能要求。复层通常是在容器里层，厚度一般只占复合钢板总厚度的厚度一般只占复合钢板总厚度的10%-20%10%-2

14、0%。不锈不锈复合复合钢的钢的焊接焊接性分析性分析焊缝容焊缝容易产生易产生结晶裂纹结晶裂纹热影响区热影响区易产生易产生液化裂纹液化裂纹稀释率的影响稀释率的影响 结晶区间的影响结晶区间的影响 复合钢焊接时，奥氏体钢热影响区复合钢焊接时，奥氏体钢热影响区由于受焊接热循环影响，低熔点由于受焊接热循环影响，低熔点杂质或共晶液化，在焊接应力作杂质或共晶液化，在焊接应力作用下产生液化裂纹。用下产生液化裂纹。 表表8.5 8.5 不锈复合钢焊接材料的选用不锈复合钢焊接材料的选用复层复层钢的钢的焊接焊接工艺工艺 要点要点 坡口形坡口形式和焊式和焊 接顺序接顺序 工艺工艺 要点要点 焊后焊后 热处理热处理 对于

15、复合钢板接头设计和坡口形式，对于复合钢板接头设计和坡口形式，薄件可采用薄件可采用I I形坡口，较厚的复合钢形坡口，较厚的复合钢板可采用板可采用V V形、形、U U形、形、X X形、形、V V和和U U复合复合 坡口。一般尽可能采用坡口。一般尽可能采用X X形坡口双面焊。形坡口双面焊。 复合钢的焊接顺序：先焊基层，再焊过复合钢的焊接顺序：先焊基层，再焊过渡层，最后焊复层，同时考虑过渡层的渡层，最后焊复层，同时考虑过渡层的 焊接特点，尽量减少复层一侧的焊接量。焊接特点，尽量减少复层一侧的焊接量。 首先必须保证复合钢工件装配的质量，首先必须保证复合钢工件装配的质量，一般对接接头间隙约一般对接接头间隙

16、约1.52mm1.52mm，保证不，保证不错边。先焊基层，第一道基层焊缝不应错边。先焊基层，第一道基层焊缝不应熔透到复层金属，基层焊完后，用碳弧熔透到复层金属，基层焊完后，用碳弧气刨、铲削或磨削法清理焊根，经气刨、铲削或磨削法清理焊根，经X X射射线探伤合格后，才能焊接过渡层。线探伤合格后，才能焊接过渡层。 在不锈复合钢的焊接接头中，不进行复层在不锈复合钢的焊接接头中，不进行复层 的固溶处理，一般也不进行消应力热处理。的固溶处理，一般也不进行消应力热处理。但是，在极厚的复合钢的焊接中，往往要但是，在极厚的复合钢的焊接中，往往要求中间退火和消应力热处理。求中间退火和消应力热处理。 8.3 8.3

17、 钢与有色金属的焊接钢与有色金属的焊接 8.3.1 8.3.1 钢与有色金属的焊接性特点钢与有色金属的焊接性特点焊接焊接 裂纹裂纹 生成脆性生成脆性化合物化合物 焊缝中焊缝中 的气孔的气孔 钢与有色金属的熔点、导热系数、线膨胀系钢与有色金属的熔点、导热系数、线膨胀系数、力学性能都有很大的差别。焊接时低熔数、力学性能都有很大的差别。焊接时低熔点的母材先熔化，而高熔点的母材仍处在固点的母材先熔化，而高熔点的母材仍处在固体加热状态，二者难以熔合。体加热状态，二者难以熔合。 钢与有色金属焊接时，由于钢与有色金属焊接时，由于AlAl、CuCu、TiTi等在等在FeFe中的溶解度不同，接头处除形成固溶体中

18、的溶解度不同，接头处除形成固溶体外，还会形成脆性化合物，影响接头性能。外，还会形成脆性化合物，影响接头性能。 钢与钛、镍及其合金焊接时，焊缝中很容易钢与钛、镍及其合金焊接时，焊缝中很容易产生气孔。这是因为产生气孔。这是因为TiTi、NiNi基体基体在高温下易在高温下易吸收、溶解较多的吸收、溶解较多的H H、O O、N N，熔池凝固，熔池凝固结晶结晶时这些气体来不及析出，就会形成气孔。时这些气体来不及析出，就会形成气孔。 表表8.9 8.9 有色金属与钢焊接常出现的问题、产生原因及防止措施有色金属与钢焊接常出现的问题、产生原因及防止措施8.3.2 8.3.2 钢与铝及铝合金的焊接钢与铝及铝合金的

19、焊接焊接性焊接性分析分析钢与铝及其合金焊接时，由于钢与铝及其合金焊接时，由于FeFe在固态在固态AlAl中中的的溶解度极小，室温下，溶解度极小，室温下，FeFe几乎不溶于几乎不溶于AlAl，所以，所以冷却过程中会产生冷却过程中会产生FeAl3FeAl3，并且随着，并且随着FeFe含量的增含量的增加，还会出现加，还会出现FeFe2 2AlAl、FeFe2 2AlAl7 7、FeFe2 2AlAl5 5、FeAlFeAl2 2等脆性金属间化合物，降低接头的塑韧性，甚等脆性金属间化合物，降低接头的塑韧性，甚至会引起焊接裂纹。至会引起焊接裂纹。 焊接工焊接工艺要点艺要点焊接方法焊接方法和焊接材料和焊接

20、材料焊前准备焊前准备焊接工艺焊接工艺及参数及参数 钢与铝及其合金熔焊一般采用氩弧焊、钢与铝及其合金熔焊一般采用氩弧焊、电子束焊等方法。此外，采用摩擦焊、电子束焊等方法。此外，采用摩擦焊、超声波焊、扩散焊和冷压焊等压焊方法超声波焊、扩散焊和冷压焊等压焊方法 焊前必须彻底清理待焊工件表面，消除焊前必须彻底清理待焊工件表面，消除氧化物薄膜。对铝件的表面处理可以用氧化物薄膜。对铝件的表面处理可以用15%-20%NaOH15%-20%NaOH或或KOHKOH溶液浸蚀，浸蚀后用溶液浸蚀，浸蚀后用清水冲洗，然后在清水冲洗，然后在20%20%的的HNO3HNO3水溶液中水溶液中钝化，冲洗和干燥之后，放在干净的

21、钝化，冲洗和干燥之后，放在干净的环境中待焊。环境中待焊。钢与铝及其合金氩弧焊时，电弧钢与铝及其合金氩弧焊时，电弧要指向铝及其合金一侧的焊丝上要指向铝及其合金一侧的焊丝上 采用摩擦焊时，应尽量缩短接头采用摩擦焊时，应尽量缩短接头的加热时间并施加较大的挤压力的加热时间并施加较大的挤压力 采用冷压焊焊接钢与铝及其合金，有两采用冷压焊焊接钢与铝及其合金，有两种焊接工艺，一种是在种焊接工艺，一种是在Al+Al3FeAl+Al3Fe的共晶的共晶温度以上焊接；另一种工艺是先在钢件温度以上焊接；另一种工艺是先在钢件 上涂敷上涂敷CuCu、AgAg或或ZnZn，然后再进行冷压焊。，然后再进行冷压焊。 8.3.3

22、 8.3.3 钢与铜及铜合金的焊接钢与铜及铜合金的焊接焊接性焊接性分析分析 钢与铜焊接存在的主要问题是焊缝易钢与铜焊接存在的主要问题是焊缝易 产生热裂纹、热影响区易产生渗透裂纹。产生热裂纹、热影响区易产生渗透裂纹。钢与铜焊缝金属的化学成分对渗透裂纹钢与铜焊缝金属的化学成分对渗透裂纹的形成及裂纹长度有很大影响。的形成及裂纹长度有很大影响。 热裂纹主要与低熔共晶、晶界偏析以及热裂纹主要与低熔共晶、晶界偏析以及钢与铜的线膨胀系数相差较大有关。焊缝钢与铜的线膨胀系数相差较大有关。焊缝中出现低熔点共晶或是铜的晶界偏析，在中出现低熔点共晶或是铜的晶界偏析，在较大的焊接应力作用下，产生热裂纹。较大的焊接应力

23、作用下，产生热裂纹。 焊接工焊接工 艺要点艺要点 焊接方法焊接方法 和焊接材料和焊接材料 坡口坡口 形式形式 焊接工艺焊接工艺及参数及参数 可以采用手工电弧焊、埋弧焊、可以采用手工电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊和电子束焊等。钨极氩弧焊和电子束焊等。 低碳钢板厚度小于低碳钢板厚度小于4mm4mm，一般不开坡，一般不开坡口，厚度大于口，厚度大于4mm4mm时要开时要开V V形坡口，坡形坡口，坡口角度为口角度为6060-70-70，钝边为，钝边为1-2mm1-2mm，可不留间隙。厚度大于可不留间隙。厚度大于10mm10mm的开不对的开不对称称V V形坡口，坡口角度为形坡口，坡口角度为6060-70-70

24、，铜一侧角度稍大于钢一侧，钝边铜一侧角度稍大于钢一侧，钝边3mm3mm，间隙间隙0-2mm0-2mm。 钢与铜及其合金焊接应采用小直径焊条钢与铜及其合金焊接应采用小直径焊条或焊丝、小电流、快速焊，不摆动的焊或焊丝、小电流、快速焊，不摆动的焊接工艺。施焊过程中，控制焊接电弧必接工艺。施焊过程中，控制焊接电弧必须指向铜及其合金一侧，偏离钢一侧，须指向铜及其合金一侧，偏离钢一侧，距坡口中心约为距坡口中心约为5-8 mm5-8 mm，尽量减少钢，尽量减少钢一侧的熔化量，采用熔焊一侧的熔化量，采用熔焊- -钎焊工艺。钎焊工艺。 1.1.珠光体钢与奥氏体钢焊接时，从焊珠光体钢与奥氏体钢焊接时，从焊接性角度分析应注意哪几个问题，为接性角度分析应注意哪几个问题，为什么？什么？2.2.如果低合金结构钢焊缝根部第如果低合金结构钢焊缝根部第1 1层层用不锈钢焊条焊接，第用不锈钢焊条焊接，第2 2层用结构钢层用结构钢焊条焊接，分析这种组合焊缝是否合焊条焊接，分析这种组合焊缝是否合理？两层焊缝交界区的组织性能有什理？两层焊缝交界区的组织性能有什么特点？所用的