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1、 I摘摘 要要本论文主要研究铜与不锈钢的焊接工艺，即异种材料的焊接工艺研究，为异种材料铜和不锈钢的焊接提供理论基础和试验基础。主要采用的焊接方法为钨极氩弧焊(TIG)焊。不锈钢及铜中含有合金元素(Ni，Si，V)和杂质(O，S，P)，在焊接过程中易形成各种低熔点共晶体和脆性化合物，严重削弱了金属在高温时的晶间结合力。由于铜导热系数比不锈钢大得多，需采用大功率热源，因此热影响区宽，使接头承受较大应力，焊缝易产生热裂纹。近缝区不锈钢一侧易产生渗透裂纹，其原因是由液态铜对钢有渗透作用和拉应力造成的。通过焊接检验可知，焊缝具有良好的性能；经金相检验，焊缝内部组织均匀；紫铜和紫铜熔合区过渡均匀，结合良好
2、；紫铜与碳钢熔合线平直，无孔洞，且 Cu 和 Fe 相互之间有一定程度扩散，熔合区为冶金结合。关键词：关键词： 紫铜； 不锈钢； 焊接工艺； 金相分析IIAbstractThis paper studies in copper and stainless steel welding technology, Namely dissimilar material of welding technology research for the dissimilar materials copper and stainless steel welding to provide the theoretic
3、al foundation and experimental basis. The mainly welding processec is tungsten inert gas arc welding (TIG)welding. Stainless steel and copper alloy containing elements (Ni, Si, V) and impurities (O, S, P), in the welding process in the formation of low-melting-eutectic and brittle compounds, severel
4、y weakening the metal in the temperature of crystallization binding force. thermal conductivity of copper due to greater than stainless steel, to use high-power heat, the heat-affected zone width, the larger joints under stress, thermal weld cracks easily. seam zone near the side of easy to produce
5、stainless steel Crack infiltration, which is caused by the liquid steel with copper on infiltration and the tensile stress. Through welding inspection, we can see that Weld has a good performance, the metallographic examination, the internal organization of uniform weld; copper and copper fusion zon
6、e transition uniform with good copper and steel fusion line is straight, no holes, and the Cu and Fe to a certain extent between the spread of fusion zone for the metallurgical combine.Key words copper, stainless steel; welding technology; metallographic analysisIII目录目录摘 要.I AbstractAbstract.II第 1 章
7、 绪 论.1 1.1 课题研究的目的及意义.1 1.2 不锈钢、铜的焊接性分析.1 1.3 铜和不锈钢在国内外的发展现状 5 1.3.1 铜及其合金材料在国内外的发展现状及应用领域.5 1.3.2 不锈钢材料在国内外的发展现状及应用领域.5 1.4 异种金属材料焊接存在的技术问题及缺陷 6 1.5 本章的主要研究内容 7 第 2 章 实验方法设备与材料8 2.1 引言 8 2.2 试材料选择 8 2.3 焊接方法及设备的选择 .9 2.3.1 焊接方法的选择及工艺.9 2.3.2 实验设备的选择14 2.4 本章总结 15 第 3 章 实验结果及分析.16 3.1 焊接接头金相组织分析内容 1
8、6 3.2 试验结果及分析 17 3.2.1 TIG 焊实验结果及分析 .17 3.2.2 TIG 焊焊接接头组织微观显示图 .19 3.3 本章总结 .21 结 论22 致 谢23 参考文献.24 附 录 1 1 26 附 录 2 2 301第第 1 1 章章 绪绪 论论1.11.1 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义随着经济的迅速发展和科学技术的不断进度，新材料、新工艺、新设备不断涌现，对零部件的性能提出了更高的要求。异种金属材料的焊接技术已逐步被熟练掌握并广泛应用到化学工程、航空航天、造船、核工程、异种材料等各个领域，如航天发射架装置、齿轮轮齿与轮辐材料的链接等应用。因此，异种材料
9、焊接技术越来越受人们的重视。采用不锈钢和铜的复合零部件，因在性能与经济上优势互补，具有广阔的应用前景。本课题的研究，就是为了充分利用不锈钢和铜这两种金属在比重、强度、比强度、抗拉强度、经济性、耐蚀性和热强性等方面的各自优点，实现它们之间的彼此连接，从而形成重要的复合构件，而且大大节省材料，降低成本，在航天、石油化工、电站锅炉、核动力、造船及其他一些领域获得越来越广泛的应用。异种金属焊接复合构件的特点是：能够最大限度地利用材料的各自优点，受到“物尽其用”的效果。可使其不同部位处于不同的温度、压力、载荷、介质等工作条件。复合构件不仅能满足使用性能的要求，而且在经济上也相当合理。显然，把异种金属零件
10、连接成一个整体部件，焊接常常是最好的方法，所以异种合金焊接技术就成了关键。本文在对异种材料焊接（铜与不锈钢的焊接）选用的焊接方法为钨极氩弧焊（TIG）焊进行研究与讨论，并得出在何种参数下形成的焊接接头强度及性能更加优质，其结果对异种材料焊接接头质量及成型有着重要的意义。21.21.2 不锈钢、铜的焊接性分析不锈钢、铜的焊接性分析不锈钢的焊接性分析：不锈钢和耐热钢的种类繁多，主要以合金成分为 Cr 和 Ni。一般来讲，只有 (Cr)12%时才能在大气环境下不发生锈蚀，增加 Ni 或提高 Cr 含量，耐蚀性或耐热性均可提高。不锈钢和耐热钢按材料供应状态的组织可分为以下五种类型，即铁素体刚、马氏体刚
11、、铁素体-奥氏体双相钢和沉淀硬化钢。不锈钢的腐蚀形式主要有均匀腐蚀和局部腐蚀，局部腐蚀包括晶间腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等。而奥氏体不锈钢（1Cr18Ni9Ti）熔焊时的焊接缺陷主要有：(1)晶间腐蚀，防止措施：选择超低碳w(C)W(Cr)11%12%、W(C)0.15%的钢材，这个成分是最简单的不锈钢。当对耐腐蚀性要求高时，含铬量必须达到 W(Cr)16%以上。由于铁素体不锈钢脆性大，焊接性不好，奥氏体不锈钢除具有良好的耐腐蚀性外，特别是韧性高、焊接性好，而且工作温度范围广，即可以在高温，也可以在低温下使用，因此，应用非常广泛。通常用 Ni 来获取奥氏体组织，但近来越来越的利用强奥氏体形
12、成元素氮来获取奥氏体组织。奥氏体不锈钢突出的优点是优良的耐腐蚀性。而为了提高其在不同腐蚀环境的耐腐蚀性，对化学成分也要进行适当的调整。以最典型的 18-8 型 Cr-Ni不锈钢为例，加入不同合金元素后其耐腐蚀性发生变化，W(Cr)18%，对于许多类型的环境腐蚀来说，其腐蚀性会大大提高。对于铁素体基体来说，在氯化物环境下，也具有良好的抗应力腐蚀裂纹的能力。1.41.4 异种金属材料焊接存在的技术问题及缺陷异种金属材料焊接存在的技术问题及缺陷两种不同材料能否直接形成焊接连接，决定于构成该两种材料的原子或分子之间的相互作用的强弱。两元素之间的相互作用决定于他们的电子层结构、价电子数、原子大小、负电性
13、以及晶体点阵、点阵常数诸因素。一般来说，在液态和固态都形成无限互溶的两种金属之间，能够便利的形成性能良好的焊接连接。液态无限互溶、固态有限互溶的两种金属，无论是共晶型还是包晶型相图结构都是可以形成焊接连接的，不过其性能与两种金属见的组织过度状况相关。形成金属间化合物和间隙化合物中间相的两种合金，也是可以形成焊接连接的，其接头性能大半受到此种化合物性能的影响。异种金属熔焊的主要技术问题：(1)金属物理性能的不同 当两种线胀系数差别较大的金属进行焊接时，将会造成焊接接头出现复杂的高内应力状态，可能导致产生裂纹，甚至还7会导致焊缝与母材金属剥离。因此，焊前对线胀系数小的金属进行预热，或者在线胀系数差
14、异很大的两金属中间加入一种塑性好的金属焊接成过渡接头作为缓冲带，都是行之有效的方法。(2)热导率和比热容的差异 金属的热导率和比热容强烈地影响被焊接材料的熔化、熔池的形成、焊接区温度场和焊缝结晶过程。熔焊时，通常应将热源位置偏向热导性能好的材料一侧。因此必须吧热源的大部分热量集中到纯铜待焊处一侧，以保证两侧的金属均匀同步地熔化和凝固。(3)电磁性的差异 在异种金属熔焊时有时会出现焊接电弧片吹，或者电弧燃烧不稳定现象而造成焊缝成形变坏，这是由于两种金属的电磁性相差很大而发生的。一般来说，铜-钢异种金属焊接时，由于铜的热导率比钢的大得多，因而，热源应偏向铜侧。(4)形成脆性化合物 异种金属焊接时，
15、由于焊缝金属化学成分的多元性和复杂性，除了将形成多种碳化物和氮化物等外，还能析出多种非金属或金属间化合物。(5)焊接接头难于与母材金属等性能 通常两种不同金属结合在一起会构成腐蚀电偶，因而其耐蚀性要比其中任意金属都低，此外，为了实现异种金属的焊接，往往选用塑性好的焊接材料，以避免焊缝金属开裂或脆化，但可能会降低焊接接头的强度。因此，为了保证异种金属焊接接头具有良好的综合使用性能，往往不得不放弃或降低一些对次要性能指标的要求，这是异种金属焊接是时不可避免的问题。由此可见，异种金属焊接时需要解决的问题较多，焊接难度也很大，只有选用合理的焊接方法和焊接材料，并正确制定焊接工艺方案，采用一些特殊措施，
16、才能获得优质的异种金属的焊接接头。1.51.5 本章的主要研究内容本章的主要研究内容研究了不锈钢与铜异种金属的焊接性，采用 TIG 焊实现了不锈钢、铜异种金属的连接，对焊接接头的微观组织进行了金相组织观察分析，深入8分析了不锈钢、铜异种金属焊接接头的结合机理。9第第 2 2 章章 实验方法设备与材料实验方法设备与材料2.12.1 引言引言在某些工程结构中，如啤酒生产用的糊化锅以及电渣熔铸冷凝器等均出现紫铜与不锈钢的焊接，这样可节约铜材和降低产品成本，因此，对焊接过程中紫铜与不锈钢的化学成分、组织和性能的变化规律，以及各种焊接缺陷的形成机理及影响因素等进行过详细研究。本文指在结合生产实际，对紫铜与不锈钢异种材料的焊接，获得优质接头的焊接方法及工艺进行探讨。2.22.2 试材料选择试材料选择试验材料为紫铜，紫铜即为纯铜，熔点 1083，密度（20）为8.96g/cm3。热导率 393.6W/(mK),线膨胀系数 1710-6/，电阻率（20）0.0168m/m.轧
