异种金属的焊接

1、国际焊接学会授权的培训机构国际焊接学会授权的培训机构 哈尔滨焊接技术培训中心哈尔滨焊接技术培训中心 Harbin Welding Training Institute 国际焊接工程师培训课程国际焊接工程师培训课程Training Course for International Welding EngineerIIW Authorised Training Body3/2.29-30异种金属的焊接异种金属的焊接Joining dissimilar materialsIIW Authorised Training Body主要内容主要内容1、异种金属焊接分类、异种金属焊接分类 2、异种金属焊接的

2、问题、异种金属焊接的问题3、异种钢焊接工艺原则、异种钢焊接工艺原则4、相同金相组织类型的异种钢焊接、相同金相组织类型的异种钢焊接5、不同金相组织类型的异种钢焊接不同金相组织类型的异种钢焊接 IIW Authorised Training Body异种金属焊接分类异种金属焊接分类 从从材料材料上：上： 1）异种有色金属焊接）异种有色金属焊接 2）有色金属与黑色金属焊接）有色金属与黑色金属焊接 3）异种黑色金属焊接）异种黑色金属焊接 异种黑色金属焊接包括强度不同的钢与钢焊接和异种黑色金属焊接包括强度不同的钢与钢焊接和异种钢焊接，其中异种钢焊接又包括：异种钢焊接，其中异种钢焊接又包括： a)金相组织

3、类型相同但化学成分不同的钢金相组织类型相同但化学成分不同的钢 b)不同金相组织类型的钢（黑与白）不同金相组织类型的钢（黑与白） IIW Authorised Training Body 相同金相组织类型异种钢焊接相同金相组织类型异种钢焊接 焊接材料的选择原则：按较低一侧的母材选择焊接材料的选择原则：按较低一侧的母材选择 预热温度和层间温度：按照碳当量较高一侧母材的预热温度和层间温度：按照碳当量较高一侧母材的要求确定要求确定 热处理一般按照合金含量较高侧母材确定，两者热热处理一般按照合金含量较高侧母材确定，两者热处理温度范围不同，应根据热处理温度高的材料的处理温度范围不同，应根据热处理温度高的材

4、料的温度下限和热处理温度低的材料的温度上限来确定温度下限和热处理温度低的材料的温度上限来确定，如果热处理温度范围高的下限高于热处理温度低，如果热处理温度范围高的下限高于热处理温度低的上限，且温度相差太大，应考虑堆焊过渡层或增的上限，且温度相差太大，应考虑堆焊过渡层或增加介于两者之间的材料。加介于两者之间的材料。焊接材料焊接材料的选择：要求焊缝金属化学性能、耐热性能等其他的选择：要求焊缝金属化学性能、耐热性能等其他性能不低于母材中性能不低于母材中性能要求较低一侧性能要求较低一侧的指标的指标IIW Authorised Training Body例例1：S690QL+S355（调质细晶粒钢（调质细

5、晶粒钢+碳钢），厚度碳钢），厚度20mm 焊材：焊材：ISO2560-A(EN499) E42 3 B 预热温度：预热温度：200 层间温度：层间温度：220-250IIW Authorised Training Body不同金相组织类型异种钢焊接不同金相组织类型异种钢焊接通常所说的异种钢焊接指的是通常所说的异种钢焊接指的是碳钢或低合金钢碳钢或低合金钢与奥氏体不锈钢与奥氏体不锈钢之间的连接。之间的连接。“黑黑”或或“白白”是企业实践中的俗称。组织上应该是珠光体（是企业实践中的俗称。组织上应该是珠光体（铁素体）钢与奥氏体钢异种钢焊接。铁素体）钢与奥氏体钢异种钢焊接。IIW Authorised

6、Training Body 异种钢熔化焊主要考虑的是焊缝金属的成异种钢熔化焊主要考虑的是焊缝金属的成分和性能，焊缝金属的成分取决于填充金分和性能，焊缝金属的成分取决于填充金属的成分、母材的成分属的成分、母材的成分-熔合比（稀释率熔合比（稀释率或混合比）或混合比）。 熔合比熔合比IIW Authorised Training Body 熔合比熔合比堆焊堆焊 熔合比熔合比 G/(ZG)100%对接焊对接焊 母材母材1的熔合比的熔合比 G1/(Z+G1+G2)100% 母材母材2的熔合比的熔合比 G2/(Z+G1+G2)100%1 10 00 0% %焊焊缝缝金金属属的的重重量量母母材材熔熔化化的的

7、重重量量熔合比计算示意图熔合比计算示意图IIW Authorised Training Body 1) 焊缝金属的稀释焊缝金属的稀释 选择焊材时可以根据舍夫勒组织图，按照熔合比来选择焊材时可以根据舍夫勒组织图，按照熔合比来估算，以获得奥氏体加少量铁素体组织的焊缝成分估算，以获得奥氏体加少量铁素体组织的焊缝成分 2) 过渡区马氏体组织过渡区马氏体组织 在珠光体（铁素体）钢侧熔合区铬、镍含量远低于在珠光体（铁素体）钢侧熔合区铬、镍含量远低于焊缝中心的平均值焊缝中心的平均值 ，按照舍夫勒组织图估算这一，按照舍夫勒组织图估算这一区域是硬度很高的马氏体或奥氏体区域是硬度很高的马氏体或奥氏体+马氏体组织。

8、马氏体组织。不同组织异种钢接头存在的问题不同组织异种钢接头存在的问题IIW Authorised Training Body 3) 碳迁移形成扩散层碳迁移形成扩散层 在焊接、热处理或使用过程中长时间处于高温时在焊接、热处理或使用过程中长时间处于高温时，珠光体（铁素体）和奥氏体钢界面附近产生碳，珠光体（铁素体）和奥氏体钢界面附近产生碳迁移，在珠光体（铁素体）钢侧形成脱碳层发生迁移，在珠光体（铁素体）钢侧形成脱碳层发生软化，奥氏体钢侧形成增碳层发生硬化，降低接软化，奥氏体钢侧形成增碳层发生硬化，降低接头承载能力。头承载能力。 4) 接头残余应力接头残余应力 因珠光体（铁素体）钢与奥氏体钢的线膨胀系

9、数因珠光体（铁素体）钢与奥氏体钢的线膨胀系数不同，焊后冷却时收缩量的差异，必然导致接头不同，焊后冷却时收缩量的差异，必然导致接头产生残余应力。产生残余应力。IIW Authorised Training Body 不同组织不同组织异种钢焊接工艺原则异种钢焊接工艺原则 1）焊接材料的选择）焊接材料的选择 2）坡口角度的选择）坡口角度的选择 3）焊接规范参数的选择）焊接规范参数的选择 IIW Authorised Training Body1）焊接材料的选择）焊接材料的选择 不同金相组织的异种钢焊接经常会按照不同金相组织的异种钢焊接经常会按照舍夫勒组织图选择奥氏体填充材料，或者舍夫勒组织图选择奥氏

10、体填充材料，或者选择镍基合金。选择镍基合金。 IIW Authorised Training Body2）坡口选择）坡口选择 坡口角度选择考虑坡口角度选择考虑母材厚度，熔合比母材厚度，熔合比。坡口角度。坡口角度越大，熔合比越小，可以减少焊缝金属化学成分越大，熔合比越小，可以减少焊缝金属化学成分和力学性能波动。和力学性能波动。3）焊接规范参数选择）焊接规范参数选择 在保证质量的前提下用在保证质量的前提下用小电流小电流，规范参数越小越，规范参数越小越好，尽量减少熔合比。好，尽量减少熔合比。IIW Authorised Training Body 不同金相组织的异种钢焊接，一般按照舍夫勒组织不同金相

11、组织的异种钢焊接，一般按照舍夫勒组织图选择图选择奥氏体奥氏体填充材料。如果还有高温环境，要选填充材料。如果还有高温环境，要选择择镍基合金镍基合金填充材料。填充材料。 以以Q235与与1Cr18Ni9钢焊接为例进行说明，图钢焊接为例进行说明，图2表示焊缝金属表示焊缝金属中两种母材的熔合比各为中两种母材的熔合比各为20，填充金属占，填充金属占60。不同金相组织类型异种钢焊接材料选择不同金相组织类型异种钢焊接材料选择IIW Authorised Training Body根据两种母材及选用填充金属的化学成分，分别计算出它根据两种母材及选用填充金属的化学成分，分别计算出它们的铬当量和镍当量，然后在舍夫

12、勒组织图上标出相应的们的铬当量和镍当量，然后在舍夫勒组织图上标出相应的a、b、c、d、e各点，即可确定出焊缝的组织状态。各点，即可确定出焊缝的组织状态。材料名称材料名称CMnSiCrNi铬当量铬当量镍当量镍当量图上位置图上位置Q235钢钢0.180.440.350.535.62b1Cr18Ni9钢钢0.071.360.6617.88.6518.7911.42a188型型(A102)0.071.220.4619.28.519.8711.15c2513型型(A307)0.111.320.4824.812.825.5216.76d2520型型(A407)0.181.40.5426.218.827.0

13、124.9eQ235钢、钢、1Cr18Ni9钢及填充金属的铬镍当量钢及填充金属的铬镍当量IIW Authorised Training Body母材及各种焊材在舍夫勒组织图上的位置母材及各种焊材在舍夫勒组织图上的位置IIW Authorised Training Body 不用填充金属不用填充金属（如（如TIG焊自熔）焊接焊自熔）焊接Q235钢（图中钢（图中b点）与点）与1Cr18Ni9钢（图中钢（图中a点）时，接头熔化面积相等，熔合比各点）时，接头熔化面积相等，熔合比各为为50%，因而焊缝的铬镍当量应为图中，因而焊缝的铬镍当量应为图中f点，焊缝组织为马点，焊缝组织为马氏体。氏体。 采用采用1

14、8-8型焊条型焊条（图中（图中c点）焊接点）焊接Q235钢与钢与1Cr18Ni9钢时，钢时，焊缝由两种母材和焊条金属混合而成，若母材的熔合比发生焊缝由两种母材和焊条金属混合而成，若母材的熔合比发生变化，则焊缝的铬镍当量将沿变化，则焊缝的铬镍当量将沿f-c线变化。当母材熔合比为线变化。当母材熔合比为40（两种母材各占（两种母材各占20）时，当量成分相当于图中）时，当量成分相当于图中g点，当点，当熔合比为熔合比为30时，当量成分相当于图中时，当量成分相当于图中h点，点，g点和点和h点均处点均处于于 AM区，所以区，所以焊缝组织为奥氏体马氏体焊缝组织为奥氏体马氏体。只有母材各只有母材各自熔合比小于自

15、熔合比小于15，才可避免焊缝出现马氏体才可避免焊缝出现马氏体。IIW Authorised Training Body 采用采用25-13型焊条型焊条（图中（图中d点）焊接点）焊接Q235钢与钢与1Cr18Ni9钢时，钢时，则焊缝的铬镍当量将沿则焊缝的铬镍当量将沿f-d线变化，当母材熔合比为线变化，当母材熔合比为40时，时，焊缝为焊缝为i点，组织为单相奥氏体，熔合比为点，组织为单相奥氏体，熔合比为30时，焊缝为时，焊缝为j点，焊缝组织为点，焊缝组织为奥氏体少量铁素体（奥氏体少量铁素体（5），不易产生热），不易产生热裂纹裂纹。 采用采用25-20型焊条型焊条（图中（图中e点）焊接点）焊接Q235

16、钢与钢与1Cr18Ni9钢时，钢时，母材熔合比为母材熔合比为40和和30对应的焊缝位置是对应的焊缝位置是k点和点和l点，点， 其组其组织为单相奥氏体，织为单相奥氏体，熔合比高达熔合比高达70仍保证焊缝不出现马氏体仍保证焊缝不出现马氏体，但易产生热裂纹，但易产生热裂纹。IIW Authorised Training Body 综上分析，焊接综上分析，焊接Q235钢与钢与1Cr18Ni9钢时，不加填充金属焊钢时，不加填充金属焊缝会出现马氏体，采用缝会出现马氏体，采用18-8型焊条（与型焊条（与1Cr18Ni9铬镍当量相铬镍当量相近）焊接，焊缝也会出现马氏体。要想获得奥氏体少量铁近）焊接，焊缝也会出

17、现马氏体。要想获得奥氏体少量铁素体双相组织，必须控制到极小的熔合比。采用素体双相组织，必须控制到极小的熔合比。采用25-20型焊型焊条（比条（比1Cr18Ni9铬镍当量高很多）焊接。组织为单相奥氏体铬镍当量高很多）焊接。组织为单相奥氏体，但易产生热裂纹。用，但易产生热裂纹。用25-13型焊条（比型焊条（比1Cr18Ni9铬镍当量铬镍当量高）焊接，熔合比在高）焊接，熔合比在40以下，焊缝获得单相奥氏体，热裂以下，焊缝获得单相奥氏体，热裂纹倾向大，熔合比控制在纹倾向大，熔合比控制在30以下，母材对焊缝的稀释小，以下，母材对焊缝的稀释小，能得到具有较高抗裂性能的奥氏体少量铁素体双相组织的能得到具有较

18、高抗裂性能的奥氏体少量铁素体双相组织的焊缝。焊缝。因此用因此用25-13型焊条相对是合适的型焊条相对是合适的。IIW Authorised Training Body1）应力组别）应力组别 这种应力为接头这种应力为接头在在300以下的温度工作，并且只以下的温度工作，并且只承受机械负荷承受机械负荷。 如化工容器设备制造中的支柱地脚如化工容器设备制造中的支柱地脚 或架子。黑色与白色金属接头不接或架子。黑色与白色金属接头不接 触腐蚀介质。受这种应力的接头，触腐蚀介质。受这种应力的接头， 不必经过热处理。不必经过热处理。典型异种钢焊接接头典型异种钢焊接接头IIW Authorised Training

19、 Body 对接头设计来说，重要的是要有足够的韧性，并达对接头设计来说，重要的是要有足够的韧性，并达到不锈钢的屈服极限值。为了满足这些条件，要根到不锈钢的屈服极限值。为了满足这些条件，要根据焊接方法与熔合比，使用舍夫勒组织图来据焊接方法与熔合比，使用舍夫勒组织图来选择奥选择奥氏体填充材料氏体填充材料，以使焊接金属达到奥氏体或奥氏体，以使焊接金属达到奥氏体或奥氏体+少量铁素体组织少量铁素体组织 对于碳钢与对于碳钢与X6CrNiNb18-10，一般用奥氏体填充材，一般用奥氏体填充材料料18-8Mn6或或23-12L（1.4370或或1.4332）。）。 对于对于热输入热输入，既要注意母材要求，也要

20、注意焊接填，既要注意母材要求，也要注意焊接填充材料的要求。一方面，对黑色金属一侧，注意淬充材料的要求。一方面，对黑色金属一侧，注意淬硬倾向较大的材料，需要预热，另一方面，由于焊硬倾向较大的材料，需要预热，另一方面，由于焊接金属热裂纹的敏感性，要限制最大的层间温度。接金属热裂纹的敏感性，要限制最大的层间温度。IIW Authorised Training Body2）应力组别）应力组别 该组别的黑该组别的黑-白金属接头，白金属接头，除了承受机械应力之外，除了承受机械应力之外， 还承受腐蚀应力还承受腐蚀应力。属于这组应力的，主要是复合材。属于这组应力的，主要是复合材料的焊接和堆焊。料的焊接和堆焊。

21、 堆焊时，选择焊接填充材料堆焊时，选择焊接填充材料 ，必须注意对不同型式，必须注意对不同型式的腐蚀，如晶间腐蚀，的腐蚀，如晶间腐蚀，点状腐蚀和应力裂纹腐蚀点状腐蚀和应力裂纹腐蚀有足够的抵抗能力，并考有足够的抵抗能力，并考虑工艺方法及混合比，往虑工艺方法及混合比，往往要求用多层焊。往要求用多层焊。 IIW Authorised Training Body 焊接复合板时，焊接坡口准焊接复合板时，焊接坡口准 备、焊接顺序、焊接材料选备、焊接顺序、焊接材料选 择是非常重要的。择是非常重要的。 过渡层应选用混合比较小的的焊接方法。过渡层应选用混合比较小的的焊接方法。焊接顺序：先焊基层，再焊过渡层，最后焊

22、复合层焊接顺序：先焊基层，再焊过渡层，最后焊复合层焊接方法、焊接填充材料、焊接坡口的选择实例见教焊接方法、焊接填充材料、焊接坡口的选择实例见教材表材表2。IIW Authorised Training Body3）应力组别）应力组别 属于该组的焊接接头，属于该组的焊接接头，除了有机械除了有机械/或腐蚀负荷之或腐蚀负荷之 外，另外还有较高或较低的工作温度外，另外还有较高或较低的工作温度。这种主要出。这种主要出现在化学工业与电站工业中。现在化学工业与电站工业中。 这种接头的问题，就是碳会从黑色金属向白色金属这种接头的问题，就是碳会从黑色金属向白色金属扩散，在接头处产生增脱碳层，扩散，在接头处产生增脱碳层， 接头会产生马氏体组织，因材接头会产生马氏体组织，因材 料有不同的热膨胀，会在黑白料有不同的热膨胀，会在黑白 金属交界处引起附加的明显的金属交界处引起附加的明显的 应力。应力。IIW Authorised Training Body 解决以上问题，只有采用解决以上问题，只有采用镍基填充材料镍基填充材料，原因是，原因是镍基材料能够阻止碳向奥氏体扩散，降低了晶间镍基材料能够阻止碳向奥氏体