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1、异种金属的焊接,何谓异种金属焊接?指各种母材的物理性能和金属组织各不相同的金属之间的焊接。主要包括三种情况:异种钢焊接、异种有色金属焊接、钢和有色金属。,异种金属材料焊接接头特点,1.化学成分的不均匀性异种金属焊接接头各区域化学成分的不均匀程度，不仅取决于母材和填充材料各自的原始成分，同时也随焊接工艺而改变。2.组织的不均匀性组织不均匀性取决于母材和填充材料的化学成分，同时与焊接方法、焊道层次、焊接工艺以及焊后热处理过程有关。稀释率（熔合比）：=M/(M+T)=(M1+M2)/（M1+M2+T）,异种金属材料焊接接头特点,3.性能的不均匀性各区域化学成分的差异造成了接头性能的不均匀，接头各区域
2、的强度、硬度、塑性和韧性等力学性能以及物理化学性能都有很大的差别。4.应力场分布不均匀异种金属焊接接头中焊接残余应力分布不均匀，这是由于接头各部位塑性和材料热导性差异所致。,影响稀释率的因素： 1.预热（预热温度高，稀释率大） 2.焊接参数（线能量越大，稀释率越大） 3.焊接方法（焊条焊接比埋弧焊稀释率小） 4.接头形式、坡口形式、焊接层次(坡口角度增大，稀释率减小；窄坡口对接稀释率也很小）,异种金属焊接接头熔合区特点,异种金属焊接时，在母材和焊缝之间有一个成分和母材或焊缝都不相同且往往介于两者之间，实际上形成化学成分的过渡层。熔合区实际分为未混合区和半熔化区，焊缝和母材成分差别越大，越并不容
3、易混合，则熔合区越明显，液体金属存在时间越长，或流动性越好，则成分越均匀，熔合区越小。,异种钢焊接方法选择原则：既要满足异种钢焊接质量（尽可能减小熔合比防止裂纹产生），又要尽可能考虑效率和经济。优先选择焊条电弧焊（焊条种类多，适应性强。珠光体钢与高铬马氏体钢焊接可采用二氧化碳焊；高合金异种钢焊接一般氩弧焊;简单异种钢构件可采用扩散焊、钎焊等,异种钢焊接材料选择原则: 要求焊缝金属力学性能及其他性能不低于母材中的较低的一侧的指标。 原则: 1.在焊接接头不产生裂纹的前提，如果不能兼顾焊缝金属的强度和塑性，则应该选用塑性较好的焊接材料。 2.在许多情况下焊缝金属性能只需要符合两种母材的一种，即认为
4、技术要求。 3.焊接材料应具有良好的工艺性能，焊缝成型美观。 4.焊接材料应经济、易得。,异种钢焊接工艺要点:（主要解决熔合线附近的金属韧性下降的问题） 1.异种钢焊接接头的设计，应有助于焊缝稀释率的减小，应避免在某些焊缝中产生应力集中。较厚对接时宜用X形坡口或U形坡口。 2.焊接电流、焊条直径、焊接速度、焊条摆动方式及焊接层数的选择，应以减少母材金属的熔化和提高焊缝的堆积量为主要原则。 3.当被焊的两种钢之一是淬硬钢时必须预热，预热温度应根据焊接性差的一方选择。 4.复杂结构应先分件组装焊接，然后 再整体拼装焊接比整体组装焊接好,珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接,一、珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接性
5、分析异种钢之间因为其成分和组织、性能上的差别可能很大，所以焊接要比同种金属困难得多。将珠光体钢(碳钢和低合金钢)与奥氏体不锈钢焊接在一起时，由于焊缝金属是由两种不同类型的母材及填充金属熔合而成，所以就会产生与焊接同种金属所不同的一系列新问题。,1、焊缝金属的稀释珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时，选择奥氏体不锈钢焊丝作填充金属，由于珠光体钢不含有合金元素（如碳钢）或合金元素含量很少（如低合金钢），所以熔化的珠光体母材对焊缝金属中合金元素的含量具有冲淡作用，也就是稀释作用。由于熔化的珠光体母材的稀释作用,使焊缝中奥氏体形成元素含量减少，结果焊缝金属中可能会出现马氏体组织，从而恶化了接头质量，严重时甚至
6、可能出现裂纹。焊缝的组织取决于焊缝金属的成分，在焊接材料确定之后焊缝金属的成分还取决于母材的熔化量，即熔合比。熔合比发生变化时，焊缝金属的成分和组织都要随之发生变化，这种变化可以根据舍夫勒(Schaeffler)不锈钢组织图来进行估计。,图中横坐标为铬（Cr）当量，即把焊缝金属中某些合金元素的含量折算成铬的相当含量,计算公式为： （Cr当量）=（Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb）% 图中纵坐标为镍（Ni）当量,即把焊缝金属中某些合金元素的含量折算成镍的相当含量,其计算公式为: （Ni当量）=（Ni+30C +0.5Mn）%式中的元素符号为该元素在钢中的最高含量。当知道了两种母材金属的化学成分
7、后,将其分别折算成铬当量和镍当量,然后根据镍当量和镍当量的值,在不锈钢组织图上找出相应的点,再根据熔合比,就能估计出焊缝的组织状态。,以1Cr18Ni9不锈钢和Q235低碳钢为例,说明异种钢焊接时焊缝金属的稀释及焊接材料的选择。1Cr18Ni9不锈钢和Q235低碳钢的铬镍当量值见表1-17。1Cr18Ni9不锈钢的铬镍当量为图1-14中的a点,Q235低碳钢的铬镍当量为图中的b点,如果两种母材熔化量相同,则焊缝金属的化学成分为图中的f点。如不加填充材料,由图中可以看出,由于Q235低碳钢母材的稀释作用,焊缝金属的铬镍当量减少,使得焊缝得到马氏体组织。为避免焊缝得到马氏体组织,就必须选用含铬镍较
8、高的填充材料。,表1-17 1Cr18Ni9不锈钢和Q235低碳钢的铬镍当量值,再以手工钨极氩弧焊为例,来说明焊缝的稀释作用及不锈钢组织图的具体应用。现分别采用焊丝牌号H1Cr19Ni9(成分18-8型)、牌号H1Cr24Ni13(成分25-13型)、牌号H1Cr26Ni21(成分25-20型)三种焊丝进行焊接,该三种焊丝的铬、镍当量及其在图上的位置，分别见表1-18和图1-14。,表1-18 不锈钢焊丝的铬镍当量值,（1）采用H1Cr19Ni9焊丝 此焊丝的铬镍当量相当于图1-14中的c点,此时焊缝金属可视为当量成分为f点的母材与焊条金属熔化混合而成,所以当母材金属熔合比发生变化时,焊缝的当
9、量成分将沿fc线段上各点变化,当母材的熔合比为40%,即两种材料在焊缝中各占20%时,焊缝的当量成分相当于图1-14中的g点；当母材的熔合比为30%时,焊缝的当量成分相当于h点。因此,当母材的熔合比为30%40%时,焊缝的组织为奥氏体+马氏体。,（2）采用H1Cr24Ni13焊丝 此焊丝的铬镍当量相当于图1-14中的d点,如果母材的熔合比为40%时,在fd线段上求得焊缝的位置在j点,则焊缝为含2%铁素体的奥氏体+铁素体双相组织。 （3）采用 H1Cr26Ni21焊丝 此焊丝的铬镍当量相当于图1-14中的e点,如果母材的熔合比为30%40%时,在fe线段上求得焊缝的位置在k点和l点,则焊缝为单相
10、奥氏体组织。,由上述分析可知,由于Q235钢母材的稀释作用,使得焊缝的成分和组织都发生了变化。通过选择不同的焊丝和控制熔合比,能在相当宽的范围内调整焊缝的成分和组织。18-8型的H1Cr19Ni9焊丝不能满足要求,焊缝会得到硬脆的马氏体组织,要想得到不含马氏体的焊缝组织,必须用极小的熔合比才行,这在工艺上是非常困难的。25-20型的H1Cr26Ni21焊丝又得到单相奥氏体组织焊缝,而容易产生热裂纹。所以比较理想的是选用25-13型的H1Cr24Ni13焊丝,此时只要把母材的熔合比控制在40%以下,就能得到具有较高抗裂性能的奥氏体+铁素体组织。,2、过渡层的形成珠光体钢和奥氏体不锈钢焊接时，珠光
11、体钢一侧熔合线处的液体金属由于温度较低，流动性较差，在液体状态停留时间较短，机械力的搅拌作用也较弱。当采用奥氏体不锈钢做填充材料时，熔化的珠光体钢母材和填充材料成分相差悬殊，又不能充分相互混合，所以越靠近熔合线，珠光体钢母材成分所占的比例越大，也就是被稀释的越严重。靠近珠光体钢熔合线的这部分被稀释的焊缝金属称为过渡层，它介于珠光体钢母材和奥氏体不锈钢焊缝之间，一般宽度为0.20.6mm，为马氏体区。当马氏体区较宽时，会显著降低焊接接头的韧性，使用过程中容易出现局部脆性破坏。因此，当工作条件要求接头的冲击韧性较好时，应选用含奥氏体化元素镍含量较高的填充材料。,3、扩散层的形成当焊接接头在焊后热处
12、理或高温条件下工作时，碳从珠光体钢母材向奥氏体不锈钢焊缝扩散。结果在靠近熔合线珠光体钢一侧形成脱碳层而软化，在奥氏体不锈钢焊缝金属一侧形成增碳层而硬化。脱碳层和增碳层的宽度，随温度的增高和高温停留时间的加长而增大。,扩散层是这两类异种钢焊接接头中的薄弱环节,由于熔合线两侧金属性能相差悬殊，接头受力时可能引起应力集中,降低接头高温持久强度和塑性。一般降低10%20%左右。为了解决碳迁移问题，可以采取以下措施阻止碳的扩散： （1）焊后焊接接头尽量不进行热处理。 （2）尽量降低焊件工作温度和缩短高温停留时间。 （3）在珠光体钢中增加碳化物形成元素(如Cr、Mo、V、Ti等),而在奥氏体不锈钢中减少这
13、些元素。 （4）提高奥氏体填充材料中的含镍量。 （5）用高镍基焊材预先在珠光体钢坡口面上堆焊68 mm厚的过渡层。,4、焊接接头高应力状态这类异种钢焊接接头中会产生较大的热应力,其原因是奥氏体钢母材和焊缝金属的线膨胀系数比珠光体钢母材大1.5倍左右,而热导率却只有珠光体钢的1/2左右。因此在焊接时，受到迅速加热和冷却，必然产生很大的热应力。同时异种钢焊接接头在交变温度条件工作时，容易形成所谓热疲劳裂纹。异种钢接头通过焊后热处理来消除焊接残余应力是不可能的，只能引起应力的重新分布，这一点与同种金属的焊接有很大的不同。采用线膨胀系数与珠光体钢接近且塑性好的高镍基焊材焊接，使热应力集中在奥氏体钢侧熔
14、合线处，可通过奥氏体不锈钢的塑性变形，减小热应力及热疲劳应力的不利影响。,二、奥氏体不锈钢与珠光体钢的焊接 1、焊接方法选择这类异种钢焊接时，选择焊接方法，除考虑生产和具体条件外，关键是控制 熔合比，焊接时尽量减小熔合比，以降低对焊缝的稀释作用。使用奥氏体钢或镍基合金填充金属焊接或堆焊时，各种焊接方法可得到不同的熔合比范围。,表1-19奥氏体不锈钢与珠光体钢焊接方法熔合比及特点比较,由表1-19显然可知，这类异种钢焊接采用焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊均比较合适。埋弧自动焊则需注意限制焊接热输入量，把熔合比控制在合理的范围内。,2、焊接材料奥氏体不锈钢与珠光体钢焊接时，焊缝及熔合区的
15、组织和性能主要取决于填充金属材料，焊接时，焊接材料应根据母材种类和工作温度等条件进行选择。 （1）克服珠光体钢对焊缝的稀释作用由于珠光体钢对焊缝金属有稀释作用，因此，不采用填充金属材料（如钨极氩弧焊）是不允许的，选择的焊接材料应使焊缝金属得到的组织基本上是奥氏体或全部是奥氏体组织。所以一般应选择含镍量较高，能起到稳定奥氏体组织作用的焊接材料。,（2）抑制熔合区中碳的扩散提高焊接材料的奥氏体形成元素，是抑制熔合区中碳扩散最有效的手段。随着焊接接头在使用过程中工作温度的提高，要阻止焊接接头中碳扩散，镍的含量也必须提高。 对奥氏体不锈钢与珠光体耐热钢焊接时，须严格控制熔合区的扩散和提高接头的高温持久
16、温度，此有三种类型的填充金属。 1）珠光体型 采用一般珠光体类型的低合金耐热钢焊接材料所焊成的焊接接头，高温工作寿命很短，甚至在几千小时后就开始破坏。此外，焊缝中还存在合金马氏体组织，焊接时容易出现裂纹，常温性能也较差。,采用含铌的珠光体钢作为中间过渡件。通常是采用含有V、Nb、Ti等强碳化物形成元素的珠光体钢，作为中间过渡件，用含有V、Nb 、Ti等强碳化物形成元素的珠光体耐热钢焊条，可先在珠光体耐热钢坡口一侧堆焊过渡层，再用奥氏体不锈钢焊条（丝）焊接。例如，用25-20型焊条（丝）焊接2.25Cr-lMo钢+1Cr18Ni9Ti钢的异种钢接头，在600时作长期试验，由于碳的强烈扩散，最后拉断于熔合区。若先用含铌的2.25Cr-lMo焊条（丝）在珠光体钢一侧堆焊过渡层，在同样试验条件下，碳的扩散程度减弱，持久强度得到提高，最后拉断于珠光体母材一侧。,2）奥氏体型 用一般的奥氏体钢焊条（丝）常常得不到满足要求的持久强度接头。如用E1-16-25Mo6N-16（A502）焊接12CrMoV+1Cr18Ni9Ti异种钢时，在580、105h的试验条件下，接头的持久强度仅为40MPa。如采用含镍量较高的奥氏体钢Cr15Ni60Mo6焊条,在同样试验条件下，接头的持久强度提高70MPa。,
