第三章 异种非铁金属的焊接(3)

1、第三章 异种非铁金属的焊接第三节 钢与铝、钛、镍及其合金的焊接1、钢与铝及其合金的焊接特性、钢与铝及其合金的焊接特性 两者之间的两者之间的, , 并且并且两者极易反应两者极易反应, , 这种脆性的这种脆性的金属间化合物极大地降低了焊接接头的力学性能。金属间化合物极大地降低了焊接接头的力学性能。表表1 钢与铝及铝合金的物理性能对比钢与铝及铝合金的物理性能对比材 料熔点/热导率/W.m-1.K-1密 度/g.cm-3线膨胀系数/10-6.K-1电阻率/10-6.cm钢碳钢Q235150077.57.8611.761.5不锈钢1Cr18Ni9Ti145016.37.9816.67.4铝及铝合金纯铝1

2、060（L2）658217.72.70242.66防锈铝5A03(LF3)610146.52.6723.54.96防锈铝5A06(LF6)580117.22.6424.76.73防锈铝3A21(LF21)643163.32.7323.23.45硬铝2A12(LY12)502121.42.7822.75.79硬铝2A14(LD10)510159.12.8022.54.30 铁与铝既可以形成铁与铝既可以形成固溶体、金属间化合物固溶体、金属间化合物，又可以，又可以形成形成共晶体共晶体。铁在固态铝中的溶解度极小，室温下。铁在固态铝中的溶解度极小，室温下铁几乎不溶于铝，所以含微量铁的铝合金在冷却过铁几乎

3、不溶于铝，所以含微量铁的铝合金在冷却过程中会产生金属间化合物程中会产生金属间化合物FeAlFeAl3 3。随着含铁量的增加，。随着含铁量的增加，相继出现相继出现Fe2AlFe2Al、Fe2Al7Fe2Al7、Fe2Al5Fe2Al5、Fe2Al2Fe2Al2和和FeAlFeAl等，等，其中其中Fe2Al5Fe2Al5的脆性最大。由于在铝合金中的的脆性最大。由于在铝合金中的铁总是铁总是以金属间化合物形式存在以金属间化合物形式存在，其存在会影响铝的力学，其存在会影响铝的力学性能和焊接性能。性能和焊接性能。铝中加入铁会提高强度和硬度，降低塑性，增大脆性，对焊铝中加入铁会提高强度和硬度，降低塑性，增大

4、脆性，对焊接性影响严重。接性影响严重。铝在铁中的溶解度比铁在铝中的溶解度高很铝在铁中的溶解度比铁在铝中的溶解度高很多倍多倍，含大量铝的钢，具有某些良好的性能（如抗氧化性），含大量铝的钢，具有某些良好的性能（如抗氧化性），但含铝量超过，但含铝量超过5 5以上时具有较大的以上时具有较大的脆性脆性，严重地影响焊，严重地影响焊接性。接性。钢与铝及铝合金钢与铝及铝合金熔焊熔焊时，一般采用时，一般采用氩弧焊氩弧焊、电子束焊电子束焊以及以及气气焊焊等焊接方法。要想获得良好的接头，必须保证在接头上等焊接方法。要想获得良好的接头，必须保证在接头上不不产生金属间化合物产生金属间化合物。熔焊时，必须在。熔焊时，必须

5、在钢表面镀一层过渡金属钢表面镀一层过渡金属，此过渡层金属与铝要有很好的结合性，才能形成良好的焊，此过渡层金属与铝要有很好的结合性，才能形成良好的焊接接头。接接头。 在钢表面镀上与铝相匹配的第三种金属，如在钢表面镀上与铝相匹配的第三种金属，如锌、银锌、银等，等，厚度约厚度约303040m40m为过渡层，钢侧为为过渡层，钢侧为钎焊钎焊，铝侧为，铝侧为熔焊熔焊。 对接焊时，使用对接焊时，使用K K形坡口，坡口开在钢材侧。焊接热源偏形坡口，坡口开在钢材侧。焊接热源偏在铝材一侧，以使两侧受热情况均衡，防止镀层金属蒸发。在铝材一侧，以使两侧受热情况均衡，防止镀层金属蒸发。 使用气体保护进行焊接，如采用氩弧

6、焊。使用气体保护进行焊接，如采用氩弧焊。 钢与铝采用钢与铝采用摩擦焊、超声波焊、扩散焊和冷压焊摩擦焊、超声波焊、扩散焊和冷压焊等压焊方法进行等压焊方法进行焊接，也可以得到良好的接头，但这些焊接方法有一个共同的缺点，焊接，也可以得到良好的接头，但这些焊接方法有一个共同的缺点，就是焊件的形状受到一定的限制。就是焊件的形状受到一定的限制。 压焊有利于钢与铝及铝合金的焊接，压焊有利于钢与铝及铝合金的焊接，焊前必须彻底清理连接表面，焊前必须彻底清理连接表面，消除氧化物及薄膜消除氧化物及薄膜，同时要保证接头处，同时要保证接头处变形量在变形量在70%70%80%80%以上。为了以上。为了得到更好的焊接接头，

7、也可在得到更好的焊接接头，也可在钢母材金属表面先镀一层钢母材金属表面先镀一层ZnZn、CuCu或或AgAg。 碳钢与纯铝的冷压焊接头，强度可达碳钢与纯铝的冷压焊接头，强度可达8080100MPa100MPa；18-818-8奥氏体不奥氏体不锈钢与锈钢与Al-MgAl-Mg合金的接头强度可达合金的接头强度可达200200300MPa300MPa。采用摩擦焊时，为防。采用摩擦焊时，为防止产生金属间化合物，应尽量缩短接头的加热时间并施加较大的挤压止产生金属间化合物，应尽量缩短接头的加热时间并施加较大的挤压力，以便将可能形成的金属间化合物挤出接头区。但加热时间不能过力，以便将可能形成的金属间化合物挤出

8、接头区。但加热时间不能过短，以免塑性变形量不足而不能形成完全结合。短，以免塑性变形量不足而不能形成完全结合。 碳钢与铝的常用钨极氩弧焊进行焊接，焊接时采用直径碳钢与铝的常用钨极氩弧焊进行焊接，焊接时采用直径3mm3mm的钨电极，随着工件厚度的增加，焊接电流、焊接电压的钨电极，随着工件厚度的增加，焊接电流、焊接电压也相应的增加，焊接中填充金属采用也相应的增加，焊接中填充金属采用。Q235Q235碳钢与防锈铝碳钢与防锈铝5A065A06（LF6LF6）氩弧焊的工艺参数见表）氩弧焊的工艺参数见表2 2。 2、钢与铝及其合金的焊接工艺、钢与铝及其合金的焊接工艺表表2 2 Q235Q235碳钢与防锈铝碳

9、钢与防锈铝5A065A06 氩弧焊的工艺参数氩弧焊的工艺参数被焊材料厚度/mm电极材料、直径/mm焊接电流/A焊接电压/V焊接速度/cm.s-1填充金属化学成分/%Q235A+LF63钨极，3110130160.180.22Ni3.5,Zn7,Si 45,Al余量Q235A+LF668钨极，3130160180.180.24Q235A+LF6910钨极，3180200200.180.28 低碳钢与铝及铝合金（低碳钢与铝及铝合金（L1L1、L2L2、L3L3、LF21LF21、LF3LF3和和LF5LF5等）等）氩弧焊时，在碳钢表面采用浸渍法镀上氩弧焊时，在碳钢表面采用浸渍法镀上10010012

10、0m120m厚的厚的锌层，接头强度也较好。钢表面镀锌层厚度对接头强度有锌层，接头强度也较好。钢表面镀锌层厚度对接头强度有很大影响，镀锌层越厚，接头强度越高。很大影响，镀锌层越厚，接头强度越高。 有镀锌层碳钢与铝及铝合金氩弧焊时，有镀锌层碳钢与铝及铝合金氩弧焊时，焊丝的选择焊丝的选择对接头对接头强度也有一定的影响。如镀锌的强度也有一定的影响。如镀锌的Q235Q235钢与铝钢与铝氩弧焊时，选氩弧焊时，选择择10351035（L L4 4）铝丝）铝丝作为填充材料，接头强度可满足某些工作为填充材料，接头强度可满足某些工件的要求，但不太稳定，断裂发生在焊缝上；用含件的要求，但不太稳定，断裂发生在焊缝上；

11、用含镁焊丝镁焊丝（LF5LF5）不能保证焊缝强度，且断裂产生在电镀层上；纯不能保证焊缝强度，且断裂产生在电镀层上；纯铝铝L2L2和和L3L3与镀锌钢（镀层厚度小于与镀锌钢（镀层厚度小于30m30m）焊接接头强度）焊接接头强度较好。较好。 为减少金属间化合物脆性层厚度，必须提高焊接速度，但为减少金属间化合物脆性层厚度，必须提高焊接速度，但焊接速度太大时会产生未焊透和其他形式的焊接缺陷。焊接速度太大时会产生未焊透和其他形式的焊接缺陷。 只有一层镀锌层不足以消除铝与钢产生的金属间化合物。只有一层镀锌层不足以消除铝与钢产生的金属间化合物。因此应在镀锌之前先镀一层因此应在镀锌之前先镀一层铜或银铜或银等金

12、属。由于焊丝的熔等金属。由于焊丝的熔点高于锌的熔点，焊接加热时镀锌层先熔化，漂浮在液体点高于锌的熔点，焊接加热时镀锌层先熔化，漂浮在液体表面上，而铝在锌层下与铜或银镀层发生反应，同时铜或表面上，而铝在锌层下与铜或银镀层发生反应，同时铜或银溶解于铝中，可以形成较好的焊接接头。这种银溶解于铝中，可以形成较好的焊接接头。这种银锌银锌或或铜锌铜锌复合镀层的方法，可使钢铝焊接接头强度提高到复合镀层的方法，可使钢铝焊接接头强度提高到147147176.4MPa176.4MPa。 在钢件镀层完成之后，便可对钢、铝件的表面进行处理。在钢件镀层完成之后，便可对钢、铝件的表面进行处理。对铝件的表面处理可以用对铝件

13、的表面处理可以用15%15%20%NaOH20%NaOH或或KOHKOH溶液侵蚀，溶液侵蚀，侵蚀后用清水冲洗，然后在侵蚀后用清水冲洗，然后在20%20%的的HNOHNO3 3中钝化，冲洗和干中钝化，冲洗和干燥之后，放在干净的环境中待焊。燥之后，放在干净的环境中待焊。不锈钢与铝之间的相互作用取决于不锈钢的类型，铝与不锈钢直接进不锈钢与铝之间的相互作用取决于不锈钢的类型，铝与不锈钢直接进行氩弧焊不会获得良好的接头。主要是因为它们之间会产生金属间化行氩弧焊不会获得良好的接头。主要是因为它们之间会产生金属间化合物，使接头脆化。因此，对于不锈钢与铝的焊接，必须采用中间金合物，使接头脆化。因此，对于不锈钢

14、与铝的焊接，必须采用中间金属过渡层的办法。属过渡层的办法。镀层金属种类不同，焊后结果也不同。镀镀层金属种类不同，焊后结果也不同。镀NiNi层焊接性较差，镀层易被层焊接性较差，镀层易被烧损；烧损；NiNi、CuCu、AgAg复合镀层上易形成裂纹；复合镀层上易形成裂纹；NiNi、CuCu、SnSn复合镀层效果复合镀层效果较好，较好，NiNi、ZnZn复合镀层效果更佳。复合镀层效果更佳。焊接接头质量在很大程度上取决于镀镍过程的质量。焊前对铝及铝合焊接接头质量在很大程度上取决于镀镍过程的质量。焊前对铝及铝合金的表面准备也是十分重要的，包括表面清洁及镀层。首先是金的表面准备也是十分重要的，包括表面清洁及

15、镀层。首先是清除油清除油脂、油垢，清水冲洗，盐酸溶液侵蚀脂、油垢，清水冲洗，盐酸溶液侵蚀，然后进行，然后进行镀镍镀镍镀铜镀铜镀锌镀锌，干燥后渗铝，最后检查镀层表面质量。干燥后渗铝，最后检查镀层表面质量。焊接电流为焊接电流为8080120A120A，钨极直径为，钨极直径为3mm3mm，填充铝丝直径，填充铝丝直径3mm3mm。焊接时，首先要使电弧指向铝一侧的焊丝上，以减小和防止锌镀层过多或过焊接时，首先要使电弧指向铝一侧的焊丝上，以减小和防止锌镀层过多或过早地被熔化。尤其是在焊第一层焊缝时，更要特别注意早地被熔化。尤其是在焊第一层焊缝时，更要特别注意镀层不能过多或过早镀层不能过多或过早地烧损地烧损

16、，必须使电弧指向填充焊丝上，以防止电弧直接熔化镀锌层。，必须使电弧指向填充焊丝上，以防止电弧直接熔化镀锌层。钢与铝氩弧焊的接头方式和电弧位置如图所示。从采用氩弧焊方法和接头连钢与铝氩弧焊的接头方式和电弧位置如图所示。从采用氩弧焊方法和接头连接方式来看，实质上是接方式来看，实质上是熔焊钎焊熔焊钎焊的工艺形式，即对的工艺形式，即对钢件来说是钎焊钢件来说是钎焊，而对，而对铝件来说是熔焊。这也是低熔点与高熔点异种材料焊接工艺一种有效的方法。铝件来说是熔焊。这也是低熔点与高熔点异种材料焊接工艺一种有效的方法。如图如图3 3所示是钢与铝的某种产品的焊接结构示意。其主要特点为：铝所示是钢与铝的某种产品的焊接

17、结构示意。其主要特点为：铝管壁厚比钢管壁厚大管壁厚比钢管壁厚大1 1倍；铝管外径比钢管外径大倍；铝管外径比钢管外径大4 410mm10mm，铝管内径，铝管内径比钢管内径小比钢管内径小4 410mm10mm；要求焊接接头强度高、气密性高。；要求焊接接头强度高、气密性高。焊接工艺步骤如下焊接工艺步骤如下: : 接头开接头开X X形坡口，钢管坡口为形坡口，钢管坡口为7070，铝管坡口为，铝管坡口为4040。 先将钢管进行机械清理，然后渗铝，先将钢管进行机械清理，然后渗铝，渗铝长度为渗铝长度为100100150mm150mm，对铝，对铝管进行脱脂、酸洗及钝化处理。管进行脱脂、酸洗及钝化处理。 焊接工艺

18、设备采用氩弧焊机，将钢与铝接头进行定位并装配，接焊接工艺设备采用氩弧焊机，将钢与铝接头进行定位并装配，接间间隙隙1.51.52mm2mm。 将将铝管预热到铝管预热到100100200200，然后用氩弧焊进行多道焊，钍钨极直径，然后用氩弧焊进行多道焊，钍钨极直径为为3.2mm3.2mm，焊丝直径为，焊丝直径为2mm2mm。 焊接时按图焊接时按图3 3中内侧顺序焊接，焊接电流为中内侧顺序焊接，焊接电流为45A45A，随后按外侧顺序焊，随后按外侧顺序焊接，焊接电流为接，焊接电流为606070A70A。 接头内外表面焊完后，进行接头内外表面焊完后，进行质量检验质量检验，发现焊接缺陷及时返修。，发现焊接

19、缺陷及时返修。 在某些特殊场合需要采用气焊进行焊接，例如在汽车维修中对小型零部件在某些特殊场合需要采用气焊进行焊接，例如在汽车维修中对小型零部件的焊接。气焊是一种熔焊方法，常用的是的焊接。气焊是一种熔焊方法，常用的是氧气乙炔氧气乙炔焊。气焊操作简单，焊。气焊操作简单，焊缝成形容易控制，设备小，适合焊接薄件及要求背面成形的焊缝。焊缝成形容易控制，设备小，适合焊接薄件及要求背面成形的焊缝。 碳钢与纯铝或硬铝进行气焊时，填充金属采用碳钢与纯铝或硬铝进行气焊时，填充金属采用Al-Zn-SnAl-Zn-Sn系合金系合金，并配用气，并配用气焊熔剂焊熔剂CJ401CJ401。为了防止氧化，采用中性焰进行焊接

20、。碳钢与铝气焊的工。为了防止氧化，采用中性焰进行焊接。碳钢与铝气焊的工艺参数见表艺参数见表3 3。被焊材料工作厚度/mm火焰熔剂牌号填充金属化学成分/%纯铝+Q235A12中性焰CJ401Al88,Zn 5,Sn 7硬铝+Q235A12中性焰CJ401Al87,Zn 5,Sn 8表表3 碳钢与铝气焊的工艺参数碳钢与铝气焊的工艺参数 由于电子束焊具有能量密度高，熔透能力强，焊接速度高等特点，使钢与由于电子束焊具有能量密度高，熔透能力强，焊接速度高等特点，使钢与铝焊缝成形窄而深，母材热影响区窄。铝焊缝成形窄而深，母材热影响区窄。 为了提高钢与铝焊接接头的使用性能，可选用为了提高钢与铝焊接接头的使用

21、性能，可选用AgAg作为中间过渡层作为中间过渡层的电子束的电子束焊接方法，焊后焊接方法，焊后焊接接头的抗拉强度可提高到焊接接头的抗拉强度可提高到117.6117.6156.8MPa156.8MPa。因为。因为AgAg不会与不会与FeFe生成金属间化合物，所以拉伸试件均断裂在铝母材一侧。钢与铝生成金属间化合物，所以拉伸试件均断裂在铝母材一侧。钢与铝的电子束焊的工艺参数见表的电子束焊的工艺参数见表4 4。表表4 钢与铝电子束焊的工艺参数钢与铝电子束焊的工艺参数被焊材料板厚/mm电子束电流/A焊接速度/cms-1加速电压/V中间层金属铝+低碳钢1213801500.51.24050Ag铝+不锈钢5.

22、56.5951401.51.73050 焊缝金属中含铝量超过焊缝金属中含铝量超过65%65%时，能获得良好的共晶合时，能获得良好的共晶合金，而不产生裂纹。在焊接工艺上可调整熔合比，使金，而不产生裂纹。在焊接工艺上可调整熔合比，使焊缝金属大部分进入共晶区，可以大大减少裂纹。在焊缝金属大部分进入共晶区，可以大大减少裂纹。在焊接过程中，电子束流会使铝熔化量增多，可在焊接过程中，电子束流会使铝熔化量增多，可在FeFe与与AgAg边界上产生一个边界上产生一个AlAl浓度高的部分，会出现浓度高的部分，会出现FeAl2FeAl2、FeAlFeAl等金属间化合物，使焊缝变脆，接头强度下降，等金属间化合物，使焊

23、缝变脆，接头强度下降，甚至产生裂纹。甚至产生裂纹。 德国拜罗伊特大学的德国拜罗伊特大学的LaukantLaukant等人采用等人采用的异种金属接头的异种金属接头, , 分别选用锌基合金分别选用锌基合金ZnAl2ZnAl2、ZnAl15 ZnAl15 和铝基合金和铝基合金AlMg6MnAlMg6Mn。试。试验发现第二激光束对钢板的预热作用提高了填充材料对钢板表验发现第二激光束对钢板的预热作用提高了填充材料对钢板表面的润湿性能面的润湿性能, ,如图如图4 4所示。在拉伸力学性能测试时所示。在拉伸力学性能测试时, ,发现当锌基发现当锌基填充材料的润湿宽度大于填充材料的润湿宽度大于3.5 mm3.5

24、mm时时, ,搭接接头的强度与铝母材的搭接接头的强度与铝母材的强度相当。强度相当。 哈尔滨工业大学的张秉刚等哈尔滨工业大学的张秉刚等：LF2LF2铝合金与铝合金与Q235Q235钢加入中间钢加入中间CuCu 层电子束焊接接头组织及形成机理。层电子束焊接接头组织及形成机理。 采用摩擦焊方法焊接采用摩擦焊方法焊接普通低碳钢与铝及铝合金普通低碳钢与铝及铝合金，是一种较，是一种较理想的焊接工艺。摩擦焊时，由于母材不发生熔化，加热理想的焊接工艺。摩擦焊时，由于母材不发生熔化，加热范围窄、冷却速度快，接头不易产生氧化，也不产生金属范围窄、冷却速度快，接头不易产生氧化，也不产生金属间化合物。虽然有时也产生一

25、些金属间化合物，但在压力间化合物。虽然有时也产生一些金属间化合物，但在压力作用下，能被挤出接口。所以采用摩擦焊方法能获得良好作用下，能被挤出接口。所以采用摩擦焊方法能获得良好的钢与铝焊接接头。的钢与铝焊接接头。 低碳钢（低碳钢（Q235Q235）与纯铝（）与纯铝（L4L4）摩擦焊的工艺参数见表）摩擦焊的工艺参数见表5 5。 1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti不锈钢与不锈钢与L1L1纯铝摩擦焊的工艺参数见表纯铝摩擦焊的工艺参数见表6 6。 表表5 低碳钢（低碳钢（Q235）与纯铝（）与纯铝（L4）摩擦焊的工艺参数）摩擦焊的工艺参数直径直径/mm伸出长度伸出长度/mm顶锻压力顶锻压力/MPa

26、加热时间加热时间/s顶锻量顶锻量/mm转速转速/rmin-1摩擦时摩擦时顶锻时顶锻时摩擦时摩擦时顶锻时顶锻时20+201249117.63.51012100025+251449117.641014100030+301549117.641015100035+351649494.5101475040+402049495121375050+5026494971015400表表6 1Cr18Ni9Ti不锈钢与纯铝不锈钢与纯铝L1摩擦焊的工艺参数摩擦焊的工艺参数被焊材料被焊材料工件直工件直径径/mm转速转速/rmin-1送丝速度送丝速度/cmmin-1摩擦时间摩擦时间/s伸出长度伸出长度/mm摩擦压摩擦

27、压力力/MPa顶锻压顶锻压力力/MPa钢钢铝铝1Cr18Ni9Ti+L1管子管子60,壁厚壁厚51702446242240400不锈钢端面机械加工成不锈钢端面机械加工成 172172锥面锥面, , 光洁度为光洁度为0.10.10.4m0.4m。铝合金焊接端面机械加工成平面铝合金焊接端面机械加工成平面, , 光洁度为光洁度为0.20.21.3 m1.3 m。中间过渡金属为厚度中间过渡金属为厚度0.05 mm 0.05 mm 的的 L6 L6 纯铝箔纯铝箔。焊前必须车削。焊前必须车削焊接端面焊接端面, , 清除氧化膜。其中铝箔焊前用清除氧化膜。其中铝箔焊前用85%85%正磷酸、正磷酸、3%3%硝酸

28、硝酸和和12 %12 %蒸馏水溶液侵蚀以清除氧化膜。此外蒸馏水溶液侵蚀以清除氧化膜。此外, ,经车削后的焊接经车削后的焊接端面要立刻进行焊接端面要立刻进行焊接, , 以防止在空气中再次形成氧化膜。焊以防止在空气中再次形成氧化膜。焊接时铝侧采用封闭钢环套夹持接时铝侧采用封闭钢环套夹持, ,使之飞边成形良好。使之飞边成形良好。 钢与铝及铝合金进行钢与铝及铝合金进行真空扩散焊真空扩散焊时，在接触面上能够形成时，在接触面上能够形成铁铝金属间化合物铁铝金属间化合物，接头强度下降。，接头强度下降。 为了获得良好的扩散焊接头，必须采用中间过渡层的焊接为了获得良好的扩散焊接头，必须采用中间过渡层的焊接方法。中

29、间过渡层可用电镀方法获得很薄的金属层，一般方法。中间过渡层可用电镀方法获得很薄的金属层，一般选用选用铜和镍铜和镍。因为铜与镍能形成无限固溶体，而镍与铁、。因为铜与镍能形成无限固溶体，而镍与铁、镍与铝均能形成连续固溶体。这样就能有效地防止焊缝中镍与铝均能形成连续固溶体。这样就能有效地防止焊缝中出现铁铝金属间化合物，显著提高焊接接头性能。出现铁铝金属间化合物，显著提高焊接接头性能。 低碳钢与低碳钢与LF21LF21铝合金进行真空扩散焊接时，可在低碳钢上铝合金进行真空扩散焊接时，可在低碳钢上先镀一层铜，先镀一层铜，再镀一层镍再镀一层镍。在焊接温度。在焊接温度550550、焊接压力、焊接压力13.72

30、MPa13.72MPa、焊接时间、焊接时间2min2min、真空度真空度1.3331.3331010-2-2PaPa的工艺条件下，能获得良好焊接接头。的工艺条件下，能获得良好焊接接头。 1515号钢与号钢与L4L4纯铝扩散焊时，可在纯铝扩散焊时，可在1515号钢上镀号钢上镀上铜、镍复合镀层上铜、镍复合镀层，可获得，可获得良好的接头。焊接工艺参数：焊接温度良好的接头。焊接工艺参数：焊接温度550550，焊接压力，焊接压力12.25MPa12.25MPa，焊，焊接时间接时间2min2min，真空度，真空度1.3331.3331010-2-2PaPa。 焊接直径为焊接直径为252532mm32mm的

31、的L2L2纯铝与纯铝与12Cr18Ni9Ti12Cr18Ni9Ti钢棒时，扩散焊工艺参数钢棒时，扩散焊工艺参数为：焊接温度为：焊接温度500500，焊接压力，焊接压力7.35MPa7.35MPa，焊接时间，焊接时间30min30min，真空度，真空度（1.3331.3331010-2-2）（）（1.3331.3331010-4-4）PaPa，焊后的接头强度，焊后的接头强度b88.2MPab88.2MPa。接头中形成了宽接头中形成了宽4 46m6m的过渡层的过渡层. . 钢与铝及铝合金的爆炸焊也是一钢与铝及铝合金的爆炸焊也是一种有效的焊接方法。一般以厚度种有效的焊接方法。一般以厚度为为1.51.

32、54mm4mm的的纯铝纯铝与与1.51.515mm15mm厚厚的的1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti不锈钢进行爆炸焊，不锈钢进行爆炸焊，能获得质量良好的焊接接头，接能获得质量良好的焊接接头，接头的剪切强度可达头的剪切强度可达70.56MPa70.56MPa。碳。碳钢复合板与铝也可采用用爆炸焊钢复合板与铝也可采用用爆炸焊方法焊接，接头质量优良。如图方法焊接，接头质量优良。如图2 2所示为所示为18-818-8奥氏体不锈钢与奥氏体不锈钢与Al-MgAl-Mg合金管子爆炸焊接示意。合金管子爆炸焊接示意。 武钢技术中心检测所武钢技术中心检测所, ,李荣锋等，铝李荣锋等，铝- -钢爆炸复合板的研究

33、：钢爆炸复合板的研究： 进行了三种质量比的进行了三种质量比的铝钢爆炸复合板铝钢爆炸复合板试验试验, , 所有复合板界面焊所有复合板界面焊合良好合良好, , 焊合率焊合率 95% , 95% , 结合强度结合强度 60M Pa, 60M Pa,而且基、复层材料对爆炸而且基、复层材料对爆炸冲击波响应的硬化程度不明显冲击波响应的硬化程度不明显, , 但但结合界面存在铁、铝金属间化合物结合界面存在铁、铝金属间化合物, , 故复合时应仔细选择爆炸参数故复合时应仔细选择爆炸参数, , 尽量减少其生成量。尽量减少其生成量。 铁在钛中的溶解度极低，焊接时焊缝金属中容易形成金属间铁在钛中的溶解度极低，焊接时焊缝

34、金属中容易形成金属间化合物化合物FeTiFeTi、Fe2TiFe2Ti，使接头金属塑性严重下降，脆性增加。，使接头金属塑性严重下降，脆性增加。与不锈钢焊接时，钛还会与与不锈钢焊接时，钛还会与FeFe、CrCr、NiNi形成更加形成更加复杂的金属复杂的金属间化合物，使焊缝严重脆化，甚至产生裂纹、气孔间化合物，使焊缝严重脆化，甚至产生裂纹、气孔。因此，。因此，最好避免采用熔焊方法，尽量采用最好避免采用熔焊方法，尽量采用压焊或钎等压焊或钎等方法。方法。 1、钢与钛及其合金的焊接特性、钢与钛及其合金的焊接特性 TiFe TiFe 相是硬脆的金属间化合物相是硬脆的金属间化合物, , 在在 TiTi与与F

35、e Fe 组组成的合金中成的合金中, , 它剧烈地提高合金的强度它剧烈地提高合金的强度, , 但显著地降但显著地降低塑性。含有低塑性。含有0.14%0.14% FeFe的钛的钛, ,它的硬度为它的硬度为Hv199,Hv199,而当而当含含FeFe量为量为2.2%2.2%时时, ,硬度则提高到硬度则提高到Hv450,Hv450,则相应地从则相应地从18.5%18.5%降低到降低到2.5%2.5%。 当钛与钢直接熔焊时当钛与钢直接熔焊时, ,焊缝中的含铁量会超过在钛焊缝中的含铁量会超过在钛中的溶解度范围中的溶解度范围, ,在焊缝中极易形成在焊缝中极易形成脆性的金属间化脆性的金属间化合物合物。除金属

36、间化合物外。除金属间化合物外, ,焊缝中还有与金属间化合焊缝中还有与金属间化合物形成的物形成的低熔点共晶体。低熔点共晶体。 高温下钛易于吸收氢、氧、氮。从高温下钛易于吸收氢、氧、氮。从250250开始吸收氢，开始吸收氢，从从400400开始吸收氧，从开始吸收氧，从600600开始吸收氮，使焊接区被开始吸收氮，使焊接区被这些气体污染而脆化，甚至产生气孔。焊接时，加热到这些气体污染而脆化，甚至产生气孔。焊接时，加热到400400以上的区域必须用惰性气体保护。以上的区域必须用惰性气体保护。 钛及钛合金的热导率大约只有钢的钛及钛合金的热导率大约只有钢的1/61/6，弹性模量只，弹性模量只有钢的有钢的1

37、/21/2。由于热导率较小，焊接时容易引起。由于热导率较小，焊接时容易引起变形变形。可。可以采用刚性夹具、冷却压块、反变形及选用合适的焊接以采用刚性夹具、冷却压块、反变形及选用合适的焊接工艺等方法防止和减少变形。焊后应进行退火消除内应工艺等方法防止和减少变形。焊后应进行退火消除内应力。退火工艺应根据合金牌号、结构形式和应力大小及力。退火工艺应根据合金牌号、结构形式和应力大小及分布状态诸因素来决定，一般在分布状态诸因素来决定，一般在550550650650下保温下保温1 14h4h。退火处理最好在真空或氩气中进行，在空气中热处理的退火处理最好在真空或氩气中进行，在空气中热处理的零件要进行酸洗，以

38、清除氧化膜。零件要进行酸洗，以清除氧化膜。 从从钛钢钛钢直接熔焊试样的微观分析及有关文献报道看直接熔焊试样的微观分析及有关文献报道看, ,要取得塑性的钛钢直接熔焊接头是要取得塑性的钛钢直接熔焊接头是不可能的不可能的, ,加中间加中间填料填料, ,使它们间接地焊接起来是目前的可行方案。使它们间接地焊接起来是目前的可行方案。 (1)(1) 与两种基体与两种基体( (钛及钢钛及钢) ) 分别有好的焊接性分别有好的焊接性, , 这是基本这是基本条件条件; ; (2)(2) 要有一定的强度要有一定的强度; ; (3)(3) 耐腐蚀性要好。耐腐蚀性要好。 后两个条件可视产品要求而定。后两个条件可视产品要求

39、而定。铌铜组合作中间填料铌铜组合作中间填料 用铌与铜组合做中间填料用铌与铜组合做中间填料, ,使钛与钢间接地焊接起来使钛与钢间接地焊接起来, ,这样这样就形成钛铌铜钢接头。用的材料是就形成钛铌铜钢接头。用的材料是TA5 TA5 钛板、纯铌钛板、纯铌板、板、1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti 不锈钢板、不锈钢板、1010号低碳钢板及青铜板。钛号低碳钢板及青铜板。钛铌铜钢接头本身存在着铌铜钢接头本身存在着3 3 组接头组接头: :即铌钛、铜钢及即铌钛、铜钢及铌铜。铌铜。 钛铌接头从钛铌接头从TiTiNb Nb 二元状态图看二元状态图看, , 该两元素形成无限该两元素形成无限固溶体固溶体,

40、,有很好的互溶特性有很好的互溶特性, ,不产生脆性的金属间化合物。不产生脆性的金属间化合物。如果用高纯度合金及焊丝如果用高纯度合金及焊丝, ,在保护气氛中进行焊接在保护气氛中进行焊接, ,将能得将能得到高塑性、无裂纹的钛铌接头。到高塑性、无裂纹的钛铌接头。铌铜组合作中间填料铌铜组合作中间填料钛铌铜钢接头本身存在着钛铌铜钢接头本身存在着3 3 组接头组接头: :即铌钛、铜钢及铌铜。即铌钛、铜钢及铌铜。 钢与钛的熔焊主要采用中间过渡层，以避免金属间化钢与钛的熔焊主要采用中间过渡层，以避免金属间化合物的产生。过渡层可以采用两种方法：一是采用合物的产生。过渡层可以采用两种方法：一是采用轧制轧制钢钛复合

41、板钢钛复合板，二是，二是加入中间层加入中间层。厚。厚1 11.5mm1.5mm的钛与不锈钢氩弧焊时可采用的钛与不锈钢氩弧焊时可采用钽、青铜复合中间层钽、青铜复合中间层，接头强度接头强度b b588MPa588MPa。也可以采用。也可以采用Ni-CuNi-Cu合金作为中合金作为中间层间层。2、钢与钛及其合金的焊接工艺、钢与钛及其合金的焊接工艺 碳钢、不锈钢与钛焊接时，还可以采用碳钢、不锈钢与钛焊接时，还可以采用钒作为中间层钒作为中间层。先在钢板上加工出一定形状的凹槽，然后在先在钢板上加工出一定形状的凹槽，然后在凹槽中焊上钒凹槽中焊上钒的中间层，再用氩弧焊（不加丝）把的中间层，再用氩弧焊（不加丝）

42、把钛板焊在钒中间层钛板焊在钒中间层上，上，采用这种工艺接头力学性能好，而且还具有良好的塑性。采用这种工艺接头力学性能好，而且还具有良好的塑性。 采用自动氩弧焊焊接采用自动氩弧焊焊接Cr15Ni5AlTiCr15Ni5AlTi不锈钢与钛合金不锈钢与钛合金TClTCl时，可以选用加时，可以选用加钨的钒合金作为中间金属层钨的钒合金作为中间金属层。中间金属层。中间金属层宽度为宽度为8 810mm10mm，厚度为，厚度为1 11.5mm1.5mm，用直流正接电源，外加，用直流正接电源，外加氩气保护，焊接电流为氩气保护，焊接电流为707080A80A，焊接速度为，焊接速度为0.83cm/s0.83cm/s

43、。在。在焊接焊接钒与钢钒与钢时，钨极要偏向钒一侧时，钨极要偏向钒一侧1/21/2钨极直径的距离。焊钨极直径的距离。焊缝含钒量在缝含钒量在6%6%12%12%时，焊接接头的弯曲角可达时，焊接接头的弯曲角可达140140，如果，如果电极偏向钒一侧时，增加钒的熔化量，焊缝中钒的含量可电极偏向钒一侧时，增加钒的熔化量，焊缝中钒的含量可达达40%40%45%45%，焊缝金属中形成稳定的，焊缝金属中形成稳定的相，弯曲角可达相，弯曲角可达150150180180。 电子束焊焊接能量高、穿透能力强，适合于焊接各种难电子束焊焊接能量高、穿透能力强，适合于焊接各种难熔金属，还可实现多种异种金属的直接连接，例如高熔

44、熔金属，还可实现多种异种金属的直接连接，例如高熔点的氧化材料、钛及钛合金等难焊金属的焊接。钢与钛点的氧化材料、钛及钛合金等难焊金属的焊接。钢与钛及钛合金的真空电子束焊的最大特点是获得窄而深的焊及钛合金的真空电子束焊的最大特点是获得窄而深的焊缝（缝（1 1: :3 3或或1 1: :2020），而且热影响区很窄。在真空中焊接，），而且热影响区很窄。在真空中焊接，避免了由于避免了由于钛在高温中吸收氢、氧、氮而产生的焊缝脆钛在高温中吸收氢、氧、氮而产生的焊缝脆化化。在电子束的焊缝中有可能。在电子束的焊缝中有可能生成金属间化合物生成金属间化合物（FeTiFeTi、Fe2TiFe2Ti），使接头），使接

45、头塑性降低塑性降低。由于焊缝比较窄，在工艺。由于焊缝比较窄，在工艺上加以上加以控制可以减少生成控制可以减少生成FeTiFeTi和和Fe2TiFe2Ti。因此，钢与钛。因此，钢与钛的电子束焊接可以获得良好质量的焊接接头。的电子束焊接可以获得良好质量的焊接接头。 钢与钛及钛合金真空电子束焊接时，一般选用钢与钛及钛合金真空电子束焊接时，一般选用NbNb和青铜和青铜作为填充材料作为填充材料，可以获得，可以获得不出现金属间化合物不出现金属间化合物的焊缝，的焊缝，接头强度高且具有一定的塑性，焊缝不出现裂纹和其缺接头强度高且具有一定的塑性，焊缝不出现裂纹和其缺陷。如果不用中间层焊接时，将获得塑性低的接头，甚

46、陷。如果不用中间层焊接时，将获得塑性低的接头，甚至出现裂纹。这些中间层的合金有至出现裂纹。这些中间层的合金有V+CuV+Cu、Cu+NiCu+Ni、AgAg、V+Cu+NiV+Cu+Ni、NbNb和和TaTa等等，采用中间层的焊接工艺比较复杂，采用中间层的焊接工艺比较复杂，一般应用的较少。钢与钛及钛合金的真空电子束焊之前，一般应用的较少。钢与钛及钛合金的真空电子束焊之前，必须对必须对钛的表面进行清理钛的表面进行清理，即对端面用不锈钢丝刷或，即对端面用不锈钢丝刷或机机械加工之后再进行酸洗，用水冲洗干净械加工之后再进行酸洗，用水冲洗干净，其酸洗液见表，其酸洗液见表8 8。 表表8 钛及钛合金酸洗溶

47、液钛及钛合金酸洗溶液酸 洗 溶 液浸 洗 时 间作 用HCl：350mLL-1HNO3：60mLL-1NaF：50mLL-1 H2O：余量260 mLL-1 酸洗液中室温下3min左右除去氧化膜油污及杂质HF：10%HNO3：30%H2O：60%室温下浸洗1 min除去氧化膜油污及杂质 采用真空扩散焊方法焊接钢与钛及钛合金，一般情况采用真空扩散焊方法焊接钢与钛及钛合金，一般情况下，多采用下，多采用中间扩散层或复合填充材料中间扩散层或复合填充材料。这些中间扩散层。这些中间扩散层材料一般采用材料一般采用V V、NbNb、TaTa、MoMo、CuCu等，复合层有等，复合层有V+CuV+Cu、Cu+N

48、iCu+Ni、V+Cu+NiV+Cu+Ni以及以及TaTa和青铜和青铜等。等。最常用的中间扩散层金最常用的中间扩散层金属是属是CuCu。在高温下，。在高温下，CuCu与与TiTi之间产生扩散，而且之间产生扩散，而且铜在钛中铜在钛中具有一定的溶解度具有一定的溶解度。此外，加入铜还可以。此外，加入铜还可以控制碳向钛中扩控制碳向钛中扩散散，并且钢具有良好的塑性，有助于形成良好的界面。，并且钢具有良好的塑性，有助于形成良好的界面。 纯铁与纯铁与TA7TA7的真空扩散焊的工艺参数见表的真空扩散焊的工艺参数见表8 8。几种不锈。几种不锈钢与钢与TA7TA7真空扩散焊的工艺参数见表真空扩散焊的工艺参数见表9

49、 9。表表8 纯纯 铁与铁与TA7真空扩散焊的工艺参数真空扩散焊的工艺参数被焊材料中间扩散层材料工 艺 参 数备 注焊接温度/保温时间/min压力/MPa真空度/Pa纯铁+TA7Mo8001010.391.333102铁钼熔合线开裂纯铁+TA7Mo10002017.251.333102铁钼熔合线开裂纯铁+TA7无7001017.251.333102接触面上硬度增高纯铁+TA7无10001010.391.333102纯铁侧硬度增高表表9 几种不锈钢与几种不锈钢与TA7真空扩散焊的工艺参数真空扩散焊的工艺参数被焊材料中间扩散层材料工 艺 参 数备 注焊接温度/保温时间/min压力/MPa真空度/P

50、aCr25Ni15+TA7无500106.861.333102接头有裂纹Cr25Ni15+TA7无5002017.641.333102接头有裂纹Cr25Ni15+TA7无700106.861.333102钢与钛有相Cr25Ni15+TA7无7002017.641.333102Cr25Ni15+TA7Ta900108.821.333102接头b292.4MPaCr25Ni15+TA7Ta11001011.071.333102有TaFe2,NiTa12Cr18Ni10Ti+TA7无900150.981.333103b274.4323.4MPa12Cr18Ni10Ti+TA7V900150.981.

51、333103b274.4323.4MPa12Cr18Ni10Ti+TA7V+Cu900150.981.333103有化合物12Cr18Ni10Ti+TA7V+Cu+Ni1000154.91.333103有化合物12Cr18Ni10Ti+TA7V+Cu+Ni1000104.91.333103有化合物钛及钛合金焊接过程中高温时易吸收钛及钛合金焊接过程中高温时易吸收氢、氧、氮等气体而产生脆化，而在氢、氧、氮等气体而产生脆化，而在钢与钛及钛合金钎焊时也同样要防止钢与钛及钛合金钎焊时也同样要防止高温时受氢、氧、氮的侵害，高温时受氢、氧、氮的侵害，钎焊过钎焊过程必须在氩或氦气保护下的炉中进行程必须在氩或氦

52、气保护下的炉中进行，可以获得优质的焊接接头。图可以获得优质的焊接接头。图1313所示所示为为Q235Q235钢与钢与TA2TA2钛环的钎焊接头实例。钛环的钎焊接头实例。上环为钛（上环为钛（TA2TA2）环，下环为）环，下环为Q235Q235钢并钢并加工成凸台，上环加工成凹槽。钎焊加工成凸台，上环加工成凹槽。钎焊时，在凸台和凹槽之间的空隙中放置时，在凸台和凹槽之间的空隙中放置钎料钎料HL313HL313。 焊前将焊件表面清理干净，不可有油污和氧化膜等。放置焊前将焊件表面清理干净，不可有油污和氧化膜等。放置钎料厚度为钎料厚度为0.1mm0.1mm，可放置，可放置两层箔片两层箔片，再用，再用4mm4

53、mm丝状钎料，丝状钎料，放置于凸台之上，最后装配好并固定。将放置于凸台之上，最后装配好并固定。将装配好的钎焊组装配好的钎焊组合体放入充氩气的箱中合体放入充氩气的箱中，并装入，并装入H-75H-75型电气炉中加热进行型电气炉中加热进行钎焊，钎焊，Q235Q235钢与钢与TA2TA2钛环钎焊的工艺参数见表钛环钎焊的工艺参数见表1010。表表10 Q235钢与钢与TA2钛环钎焊的工艺参数钛环钎焊的工艺参数被焊材料钎料焊接温度/保温时间/min保护气体加热方式备 注Q235+TA2HL303（4mm）90020氩气H-75箱式电炉75W接头强度b98MPa经核验后为合格品1 1、钢与镍焊接时的主要问题

54、、钢与镍焊接时的主要问题 镍及其合金与钢焊接时，液态金属中能溶解较多的氧，高镍及其合金与钢焊接时，液态金属中能溶解较多的氧，高温时氧与镍形成温时氧与镍形成NiONiO，NiONiO与液态金属中的氢和碳发生下列与液态金属中的氢和碳发生下列反应：反应： 所生成的水蒸气和一氧化碳在熔池凝固时如来不及逸出，所生成的水蒸气和一氧化碳在熔池凝固时如来不及逸出，便形成气孔。同时，在熔池冷却过程中，氮的溶解度也急便形成气孔。同时，在熔池冷却过程中，氮的溶解度也急剧降低，过剩的氮气来不及逸出，也形成气孔。剧降低，过剩的氮气来不及逸出，也形成气孔。 氧对焊缝中气孔倾向影响重大。由上表可见，在氮和氢气氧对焊缝中气孔

55、倾向影响重大。由上表可见，在氮和氢气含量变化不大的情况下，焊缝中含氧量越高，焊缝气孔数含量变化不大的情况下，焊缝中含氧量越高，焊缝气孔数量越多。由于低碳钢熔化时，有较多的碳过渡到焊缝中，量越多。由于低碳钢熔化时，有较多的碳过渡到焊缝中，所以，低碳钢与镍焊接时，焊接中产生的所以，低碳钢与镍焊接时，焊接中产生的COCO气体，比纯镍气体，比纯镍焊接时高得多。依式（焊接时高得多。依式（2 2）可见，钢中含碳量越高，或熔池）可见，钢中含碳量越高，或熔池中含氧量越多，焊缝气孔倾向越大。中含氧量越多，焊缝气孔倾向越大。纯镍与钢埋弧焊的铁镍焊缝中气体含量和气孔数量的关系纯镍与钢埋弧焊的铁镍焊缝中气体含量和气孔

56、数量的关系NiONH100mm62.80.11500.00060.000420060.20.05800.00060.00026068.90.02000.00050.00041569.80.02500.00050.00071572.80.00120.00050.0006170.10.00150.00050.00051焊缝中镍含量，对气孔倾向也有很大影响。氧在液态镍中的溶解度大焊缝中镍含量，对气孔倾向也有很大影响。氧在液态镍中的溶解度大于在液态钢中的溶解度，而氧在固态镍中的溶解度却比在钢中小。因于在液态钢中的溶解度，而氧在固态镍中的溶解度却比在钢中小。因此，氧的溶解度在镍结晶时的突变，比在钢结晶时

57、的突变更加明显。此，氧的溶解度在镍结晶时的突变，比在钢结晶时的突变更加明显。所以，如图所以，如图a a所示，当焊缝中含所示，当焊缝中含15-30%Ni15-30%Ni时的气孔倾向较小，而当镍时的气孔倾向较小，而当镍含量大时，气孔倾向较大。但由于焊缝中的碳，主要是从低碳钢中熔含量大时，气孔倾向较大。但由于焊缝中的碳，主要是从低碳钢中熔入的，当焊缝中含镍量进一步提高到入的，当焊缝中含镍量进一步提高到60-90%60-90%时，钢的熔入量必然降低，时，钢的熔入量必然降低，焊缝中含碳量减少，由式（焊缝中含碳量减少，由式（2 2）可知，其气孔倾向便降低。）可知，其气孔倾向便降低。可向焊缝中加入可向焊缝中

58、加入MnMn、CrCr、MoMo、AIAI及及TiTi等元素。因为等元素。因为MnMn、TiTi及及AIAI具有强烈的脱氧具有强烈的脱氧作用，而作用，而CrCr和和MnMn能提高气体在固态金属中的溶解度，能提高气体在固态金属中的溶解度，AIAI和和TiTi还能把氮固定在稳定的化合物中。还能把氮固定在稳定的化合物中。 在钢与镍及合金的焊缝中，由于高镍焊缝具有树枝在钢与镍及合金的焊缝中，由于高镍焊缝具有树枝状组织，在粗大柱状晶粒边界上，容易集中低熔点共晶体状组织，在粗大柱状晶粒边界上，容易集中低熔点共晶体（主要有（主要有NiSNiS共晶和共晶和NiPNiP共晶），从而降低了晶间的结共晶），从而降低了晶间的结合力，降低了焊缝抗热裂纹的能力。合力，降低了焊缝抗热裂纹的能力。 焊缝金属中镍的含量对热裂纹有影响，由于焊缝金属中镍的含量对热裂纹有影响，由于NiSNiS共共晶（熔点晶（熔点645645）和）和NiPNiP共晶（熔点共晶（熔点880880）的熔点比）的熔点比FeSFeS共晶（熔点共晶（熔点988988）和）和FePFeP共晶（熔点共晶（熔点10501050）的）的熔点更低，所以，焊缝中含镍量越高，热裂倾向也越大。熔点更低，所以，焊缝中含镍量越高，热裂倾向也越大。此外，在单相奥氏体焊缝中