异种金属的焊接

3/2.29-30异种金属的焊接

Joiningdissimilarmaterials主要内容1、异种金属焊接分类

2、异种金属焊接的问题3、异种钢焊接工艺原则4、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

异种金属焊接分类从材料上：1）异种有色金属焊接2）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：a)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）

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。焊接材料的选择：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要求较低一侧的指标例1：S690QL+S355（调质细晶粒钢+碳钢），厚度20mm

焊材：ISO2560-A(EN499)E423B

预热温度：≥200℃

层间温度：220-250℃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碳钢或低合金钢与奥氏体不锈钢之间的连接。“黑”或“白”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。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属的成分、母材的成分-----熔合比（稀释率或混合比）。

熔合比熔合比＝堆焊熔合比＝G/(Z＋G)×100%对接焊母材1的熔合比＝G1/(Z+G1+G2)×100%

母材2的熔合比＝G2/(Z+G1+G2)×100%熔合比计算示意图

1)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，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+马氏体组织。不同组织异种钢接头存在的问题

3)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，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软化，奥氏体钢侧形成增碳层发生硬化，降低接头承载能力。4)接头残余应力因珠光体（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，必然导致接头产生残余应力。不同组织异种钢焊接工艺原则

1）焊接材料的选择

2）坡口角度的选择

3）焊接规范参数的选择

1）焊接材料的选择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，或者选择镍基合金。2）坡口选择坡口角度选择考虑母材厚度，熔合比。坡口角度越大，熔合比越小，可以减少焊缝金属化学成分和力学性能波动。3）焊接规范参数选择在保证质量的前提下用小电流，规范参数越小越好，尽量减少熔合比。

不同金相组织的异种钢焊接，一般按照舍夫勒组织图选择奥氏体填充材料。如果还有高温环境，要选择镍基合金填充材料。以Q235与1Cr18Ni9钢焊接为例进行说明，图2表示焊缝金属中两种母材的熔合比各为20％，填充金属占60％。不同金相组织类型异种钢焊接材料选择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。材料名称CMnSiCrNi铬当量镍当量图上位置Q235钢0.180.440.350.535.62b1Cr18Ni9钢0.071.360.6617.88.6518.7911.42a18－8型(A102)0.071.220.4619.28.519.8711.15c25－13型(A307)0.111.320.4824.812.825.5216.76d25－20型(A407)0.181.40.5426.218.827.0124.9eQ235钢、1Cr18Ni9钢及填充金属的铬镍当量母材及各种焊材在舍夫勒组织图上的位置不用填充金属（如TIG焊自熔）焊接Q235钢（图中b点）与1Cr18Ni9钢（图中a点）时，接头熔化面积相等，熔合比各为50%，因而焊缝的铬镍当量应为图中f点，焊缝组织为马氏体。采用18-8型焊条（图中c点）焊接Q235钢与1Cr18Ni9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变化，则焊缝的铬镍当量将沿f-c线变化。当母材熔合比为40％（两种母材各占20％）时，当量成分相当于图中g点，当熔合比为30％时，当量成分相当于图中h点，g点和h点均处于A＋M区，所以焊缝组织为奥氏体＋马氏体。只有母材各自熔合比小于15％，才可避免焊缝出现马氏体。采用25-13型焊条（图中d点）焊接Q235钢与1Cr18Ni9钢时，则焊缝的铬镍当量将沿f-d线变化，当母材熔合比为40％时，焊缝为i点，组织为单相奥氏体，熔合比为30％时，焊缝为j点，焊缝组织为奥氏体＋少量铁素体（＜5％），不易产生热裂纹。采用25-20型焊条（图中e点）焊接Q235钢与1Cr18Ni9钢时，母材熔合比为40％和30％对应的焊缝位置是k点和l点，其组织为单相奥氏体，熔合比高达70％仍保证焊缝不出现马氏体，但易产生热裂纹。综上分析，焊接Q235钢与1Cr18Ni9钢时，不加填充金属焊缝会出现马氏体，采用18-8型焊条（与1Cr18Ni9铬镍当量相近）焊接，焊缝也会出现马氏体。要想获得奥氏体＋少量铁素体双相组织，必须控制到极小的熔合比。采用25-20型焊条（比1Cr18Ni9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25-13型焊条（比1Cr18Ni9铬镍当量高）焊接，熔合比在40％以下，焊缝获得单相奥氏体，热裂纹倾向大，熔合比控制在30％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焊缝。因此用25-13型焊条相对是合适的。1）应力组别Ⅰ这种应力为接头在300℃以下的温度工作，并且只承受机械负荷。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触腐蚀介质。受这种应力的接头，不必经过热处理。典型异种钢焊接接头对接头设计来说，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，要根据焊接方法与熔合比，使用舍夫勒组织图来选择奥氏体填充材料，以使焊接金属达到奥氏体或奥氏体+少量铁素体组织对于碳钢与X6CrNiNb18-10，一般用奥氏体填充材料18-8Mn6或23-12L（1.4370或1.4332）。对于热输入，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。2）应力组别Ⅱ该组别的黑-白金属接头，除了承受机械应力之外，还承受腐蚀应力。属于这组应力的，主要是复合材料的焊接和堆焊。堆焊时，选择焊接填充材料，必须注意对不同型式的腐蚀，如晶间腐蚀，点状腐蚀和应力裂纹腐蚀有足够的抵抗能力，并考虑工艺方法及混合比，往往要求用多层焊。

焊接复合板时，焊接坡口准备、焊接顺序、焊接材料选择是非常重要的。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，最后焊复合层焊接方法、焊接填充材料、焊接坡口的选择实例见教材表2。3）应力组别Ⅲ

属于该组的焊接接头，除了有机械/或腐蚀负荷之外，另外还有较高或较低的工作温度。这种主要出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扩散，在接头处产生增脱碳层，接头会产生马氏体组织，因材料有不同的热膨胀，会在黑白金属交界处引起附加的明显的

应力。解决以上问题，只有采用镍基填充材料，原因是镍基材料能够阻止碳向奥氏体扩散，降低了晶间腐蚀的倾向，减小了马氏体带的宽度，而且镍基材料的热膨胀系数介于奥氏体钢与珠光体（铁素体）钢之间，从而缓解由于温度变化形成的热应力。用镍基填充材料焊接时，必须特别注意清洁度，严格控制层间温度，以防止热裂纹的形成。例如：电站锅炉中过热器和再热器管子的异种钢接头，在600℃左右的高温下工作，甚至受交变温度的影响，同时还受到载荷和腐蚀的共同作用，工艺上采用熔合比较低的焊接方法，选择镍基填充材料,采取合适的焊接参数来