异种材料的焊接课件

1、第8章 异种材料的焊接_8.1 异种材料的分类、组合及焊接性特点_8.2 异种钢的焊接_8.3 钢与有色金属的焊接_8.1 异种材料的分类、组合及焊接性特点_ 8.1.1 异种材料的分类和组合_ 8.1.2 异种材料的焊接性特点_ 1、异种材料焊接的困难 2、影响异种材料焊接性的因素 3、异种材料焊接方法 4、异种焊接材料的选用8.1 异种材料的分类、组合及焊接性特点8.1.1 异种材料的分类和组合表8-1 异种材料焊接的分类、组合及特点分类异种材料焊接组合焊接问题实例1异种钢焊缝化学成分不均匀、熔合区塑性降低(脆性层)、产生裂纹（应力分布不均匀） 如珠光体钢与奥氏体钢的焊接、 复合钢的焊接结

2、构等2钢与有色金属氧化导致的未熔合、气孔、裂纹、接头力学性能低 如钢与铝的焊接、钢与铜的 焊接等3异种有色金属氧化性导致的未熔合、脆性相、气孔、裂纹 如铜与铝的焊接、铝与钛的 焊接等4金属与非金属界面结合（润湿性）差、脆性相、裂纹接头性能下降 如钢与石墨的焊接、金属与陶 瓷的焊接、金属间化合物与钢 的焊接（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 如低碳钢铬钼耐热钢，1Cr18Ni9Ti与高Ni奥氏体钢之间的焊接，这一类实际上属于同种钢焊接构件，但当采用的焊接材料与母材的成分差别较大时，也会产生类似于异种钢焊接中的问题异种钢的焊接（2）母材金相组织不同的异

3、种钢焊接构件 如珠光体钢铬镍奥氏体钢、珠光体钢高铬铁素体钢（3）复合钢焊接构件 用低碳钢或低合金钢作基层，用不锈钢或有色金属（Ti、 Cu、Al）作复层，采用复合轧制、爆炸焊、堆焊等制成的双 金属板材。 用于耐磨的异种金属焊接构件 如高碳钢、各种合金钢、高锰钢、硬质合金等不同用途的异种材料的焊接 用于耐热的异种金属焊接构件 如不锈钢、耐热钢、镍基合金、钴基合金等 用于耐腐蚀的异种金属焊接构件 如不锈钢、镍基合金、铜、铝、钛及其合金等 用于减轻装备重量的异种金属焊接构件 如钛、铝、镁及其合金等，主要用于航空航天、运载火箭等 提高电磁性能的异种金属焊接构件 如银、铜、铍及其合金等，主要用于电子电器

4、等8.1.2 异种材料的焊接性特点3、异种材料焊接方法1）熔焊：应用广泛 焊条电弧焊、气体保护焊、电子束焊、激光焊等 应采用小电流、高速焊，或者在坡口一侧或两侧堆焊中间合金过渡层，来降低稀释率，防止互扩散导致的接头部位的成分或组织不均匀。焊条电弧焊：工艺简便，操作灵活，适应性强 薄件用TIG焊，厚件：MIG或MAG焊电子束焊、激光焊：热源密度集中，温度高，焊缝窄 而深，焊接质量好。熔焊、压焊、钎焊3、异种材料焊接方法2）压焊： 压焊基体通常并不熔化，焊接温度低于金属的熔点。有的也加热至熔化状态，然后加压将液态金属挤出，但仍以固相结合而形成接头。 电阻焊、冷压焊、扩散焊、摩擦焊等另：钎焊：熔焊方

5、法难连接的陶瓷、复合材料等4、异种焊接材料的选用选用一般原则：1）保证焊接接头的使用性能，根据接头两侧焊接性较 差或强度较低的材料选择焊接材料；2）保证焊缝金属具有一定的致密性，无气孔、夹杂或 仅有单个小孔与夹杂，但数量在长度范围内不超过 规定值3）应具有良好的工艺性能，即在焊接接头区内不出现 热裂纹和冷裂纹，能够适应各种空间位置的焊接， 有一定的生产效率4）保证焊缝金属具有所要求的特性，包括热强性、耐 热性、耐腐蚀性和耐磨性等5）为了改善异种金属焊接性能，对不能形成固溶体的 异种金属，可在两种被焊金属之间加能形成固溶体 的中间过渡层8.2 异种钢的焊接_ 8.2.1 异种钢的焊接性分析_ 1

6、、焊缝成分的稀释（熔合比） 2、熔合过渡区的形成 3、接头区应力状态 8.2.2 异种钢的焊接工艺特点_ 1、焊接方法及焊接材料 2、焊接工艺要点 8.2.3 不锈复合钢的焊接 1、不锈复合钢的焊接性分析 2、焊接材料 3、复合钢的焊接工艺要点8.2 异种钢的焊接8.1.1 异种钢的焊接性分析以奥氏体-珠光体异种钢焊接为例 不但要考虑珠光体钢的焊接问题（冷裂纹、热裂纹、层状撕裂、再热裂纹、HAZ脆化和软化）和奥氏体不锈钢的焊接问题（热裂纹、晶间腐蚀、接头等强性），而且还必须考虑两种钢焊接时产生的新问题。1、焊缝成分的稀释（熔合比） 母材溶入焊缝后使其合金元素比例发生变化：稀释：焊缝中合金元素比

7、例减小合金化：焊缝中合金元素比例增加 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应尽量选择熔合比小的焊接方法1、焊缝成分的稀释（熔合比）1、焊缝成分的稀释（熔合比）1、焊缝成分的稀释（熔合比） 熔合比取决于多种因素：坡口形式、焊接参数和金属的熔化特性、导热性等。 坡口角度越大，熔合比越小，熔合比在各堆焊层之间的变化很大； 坡口角度越小，熔合比越大，熔合比在各堆焊层之间的变化很小；珠光体钢对焊缝金属的稀释作用： 珠光体钢合金元素少，奥氏体不锈钢元素多，在焊接过程中珠光体钢母材的熔化会对焊缝金属有稀释作用，使得焊缝金属中含Ni量、Cr量减少，焊缝金属奥氏体化元素含量减少，可能

8、在焊缝中产生M，使焊缝性能变坏，严重时产生裂纹。图8-2 奥氏体异种钢的焊缝组织图适于大多数使用条件的焊缝金属成分，奥氏体+3%8%铁素体图8-4 Q235+1Cr18Ni9焊接舍夫勒图1Cr18Ni9奥氏体钢为a点，Q235低碳钢为b点， f点为平均成分Q235低碳钢+ 1Cr18Ni9奥氏体钢的焊接 熔合比：3040% 采用E308-16焊条(c点)： 对应g-h段，A+M组织E310-15焊条(e点)： 对应k-l段，单相A区，抗裂性较差 E309-15焊条(d点)： 对应i-j段，A+5%F双相组织，抗裂性较好2、熔合过渡区的形成（1）熔合区马氏体脆性层 焊接珠光体钢与奥氏体钢接头时，

9、熔池边缘的液态金属温度较低，流动性较差，导致熔化的母材与填充金属不能充分地混合。在靠近珠光体钢一侧熔合线的焊缝金属中，形成一层与内部焊缝金属成分不同的过渡层。过渡层中的高硬度马氏体组织会使脆性增加，塑性显著下降，从而降低了焊接结构的可靠性。熔合区马氏体层的宽度与焊接工艺和填充材料有关 2、熔合过渡区的形成距离m 焊缝Cr、Ni含量较高，单相奥氏体图8-5 低碳钢与Cr25-Ni20焊缝熔合区附近合金元素的分布焊缝Cr、Ni含量较低，快冷时可能形成M图8-5 Cr5Mo-Ni13焊缝熔合区附近合金元素的分布Cr5Mo-Ni13焊缝熔合区附近合金元素的分布图8-7 在奥氏体焊缝靠近碳钢一侧的过渡层

10、(a) 母材比例的变化(b) 合金元素质量分数的变化离熔合线越近，珠光体钢的稀释作用越强烈，过渡层中Cr、Ni含量越少，一般情况下，过渡层Ni的质量分数25mm时，可先用结构钢焊条焊接基层，用纯铁焊条焊接一层过渡层，最后用不锈钢焊条焊接复层。表 8-5 不锈复层钢板焊接材料的选用3. 复合钢的焊接工艺要点焊条电弧焊、埋弧焊、氩弧焊、CO2气体保护焊1）焊接方法 常用氩弧焊焊接复层和过渡层，用埋弧焊和焊条电弧焊焊接基层。图813 去掉复层金属的复合钢板焊接坡口形式2) 坡口形式 薄板可用I型坡口； 厚板可用V、U、X、V和U型复合坡口； 双面焊尽可能采用X型坡口 去掉复层金属坡口：也可以在接头背

11、面一小段距离内进行机械加工，去掉复层金属，以确保焊第一道基层焊道不受复层金属的过大稀释 3）焊接顺序 先焊基层，再焊过渡层，最后焊复层 保证焊接接头具有较好的耐蚀性图813 复合钢板焊接顺序 采用从基体侧施焊，将复层面焊缝磨光，在上面堆焊。 基层与复层各自采用各自合适的焊材 基层复层的过渡区应选用Cr、Ni含量足够的奥氏体填充金属来焊接过渡区防止出现淬硬组织（3）焊后热处理 也可采用喷丸处理复合钢的不锈钢部分，使材料表面形成残余压缩应力，从而防止应力腐蚀裂纹的发生。 不锈复合钢热处理时，复合交接面上会产生碳元素从基层想复层的扩散，并随温度升高，保温时间延长而加剧。 不锈复合钢的焊接接头，一般不

12、进行复层的固溶处理，也不进行消除应力热处理。 对于极厚的复合钢的焊接中，在基层焊完后进行消除焊接残余应力热处理，再焊过渡层和复层。8.3 钢与有色金属的焊接_ 8.3.1 钢与有色金属的焊接性特点_ 1、焊接裂纹 2、生成脆性化合物 3、焊缝中的气孔 8.3.2 钢与铝及铝合金的焊接_ 1、焊接性分析 2、焊接工艺要点 8.3.3 钢与铜及铜合金的焊接 1、焊接性分析 2、焊接工艺要点铝、铜、镍、钛等有色金属具有良好的耐蚀性，较高的比强度以及在低温下能保持良好的力学性能等特点。有色钢复合制品：提高复合性能，导热导电，耐蚀，提高焊接产品的使用寿命，节约材料。应用：航空、汽车、化工、国防8.3 钢

13、与有色金属的焊接8.3.1 钢与有色金属的焊接性特点焊接 裂纹 熔点差别大：焊接时低熔点的母材先熔化，而高熔点的母材仍处在固体加热状态，二者难以熔合。导热系数、线膨胀系数差别大，接头热应力大。接头处生成低熔点共晶、晶界偏析8.3.1 钢与有色金属的焊接性特点由于Al、Cu、Ti等在Fe中的溶解度不同，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。生成脆性化合物 分析二元相图：形成固溶体冶金相容性好焊接性较好形成脆性金属间化合物相容性差焊接性差图816 Fe-Ti相图8.3.1 钢与有色金属的焊接性特点焊缝中 的气孔 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Ti、Ni基

14、体在高温下易吸收、溶解较多的H、O、N，熔池凝固结晶时这些气体来不及析出，就会形成气孔。8.3.1 钢与有色金属的焊接性特点 在钢表面镀上与有色金属相匹配的第三种金属，作为过渡层，使钢侧为钎焊，有色金属侧为熔焊，避免脆性化合物的生成。工艺措施 选择合适的填充材料：与有色金属具有较高的溶解度，与钢的热物理性能又比较接近。低熔点有色金属与钢对接焊时：采用V型或K型坡口，坡口开在钢一侧，焊接电源偏向有色金属一侧，防止镀层金属蒸发。采用Ar、He等惰性气体保护，或在真空焊接8.3.1 钢与有色金属的焊接性特点8.3.2 钢与铝及铝合金的焊接“钢+铝”双金属焊 汽车轻量化 从21世纪初开始，在汽车工业生

15、产中，为了节约燃料、保护环境，不断努力减轻汽车重量，因此对汽车用材料提出了更高的要求。增加铝材的使用量是其中的重要措施之一。 采用“钢+铝”双金属焊接结构成为汽车轻量化的首选方案，这必然涉及到钢和铝两种材料之间的连接。 铝钢之间的焊接一直是焊接领域的热点问题和难点问题8.3.2 钢与铝及铝合金的焊接数控钢铝暖气片自动焊机焊接应用：航空、造船、石油化工、原子能和车辆制造力学性能高，加工性能好，价格便宜。 钢 铝合金 密度小比强度高良好的导电导热性优异的耐腐蚀性+1. 钢与铝及铝合金的焊接性分析 熔点相差大，同时达到熔化很困难； 热导率相差23倍，很难加热均匀； 线膨胀系数相差2倍，接头产生很大热

16、应力； 铝表面受热迅速氧化，给金属熔合造成困难，容易 形成焊缝夹渣。 钢与铝及铝合金的物理性能对比1. 钢与铝及铝合金的焊接性分析钢与铝及其合金焊接时，由于Fe在固态Al中的溶解度极小，室温下，Fe几乎不溶于Al，所以冷却过程中会产生FeAl3，并且随着Fe含量的增加，还会出现Fe2Al、Fe2Al7、Fe2Al5、FeAl2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。 焊接性分析2.钢与铝及铝合金的焊接方法 熔焊 压焊 焊接方法氩弧焊 电子束焊 摩擦焊 扩散焊 冷压焊 超声波焊 2.钢与铝及铝合金的焊接工艺要点焊前准备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

17、理可以用15%-20%NaOH或KOH溶液浸蚀，浸蚀后用清水冲洗，然后在20%的HNO3水溶液中钝化，冲洗和干燥之后，放在干净的环境中待焊。2.钢与铝及铝合金的焊接工艺要点 在钢表面镀上与铝相匹配的第三种金属，如Zn、Ag、Sn等，作为过渡层，钢侧为钎焊，铝侧为熔焊。避免中间脆性化合物的生成。 对接焊时，使用K形坡口，坡口开在钢材侧。焊接热源偏在铝材一侧，防止过渡层金属蒸发。 使用气体保护进行焊接，如采用氩弧焊。熔焊工艺要点 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。 但加热时间不能过短，以免塑性变形量不足而不能形成完全结合。

18、摩擦焊2.钢与铝及铝合金的焊接工艺要点母材不发生熔化，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。压焊工艺要点两种工艺： 在AlAl3Fe共晶温度以上焊接，加热温度660， 此时还处于固溶态，而共晶体已成液态； 先在钢件上涂敷Cu、Ag、Zn等过渡金属， 然后再进行冷压焊。 压焊工艺要点冷压焊2.钢与铝及铝合金的焊接工艺要点8.3.2 钢与铜及铜合金的焊接实例：在转炉炼钢工程的氧气管道需要采用 T2铜管和不锈钢管焊接新一代航空发动机采用青铜与双相不锈钢电子束焊接 铁与铜在液态时无限互溶，固态时有限互溶，不形成金属间化合物；当铁向铜扩散时，形成有限固