异种金属焊接

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1、异种金属焊接 焊接是两种或两种以上材料通过加热或加压或两者并用来达到原子之间的结合 而形成永久性连接的工艺过程。焊接的基本原理就是采用施加外部能量的办法， 促使分离材料的原子接近，形成原子键的结合。在这个同时，又能去除掉一切阻 碍原子键结合的一切表面膜和吸附层，以形成一个优质的焊接接头”1。几乎所有 的产品，从几十万吨巨轮到重量不足 1 克的微电子元件，在生产中都不同程度地 依赖焊接技术。在人类发展史上留下辉煌篇章的三峡水利工程、西气东输工程以 及“嫦娥”探月工程等，都采用了焊接结构。我国 2004 年的焊接材料生产总量达 到了210 万吨，比美国、日本、德国三国焊接材料产量的总和还多。焊接已

2、经渗 透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、 效率和市场反应速度。我国 2006年的钢产量在 3.7 亿吨左右， 2006 年中国钢材 消耗量大约为3.99 亿吨左右，目前我国的钢材消费总量和美国、日本、前苏联 相比还尚低， 20世纪美国、日本、前苏联钢材累计消费量分别达到了 73亿吨、 40亿吨和 56 亿吨。目前，钢材是我国最主要的结构材料，在今后 20 年钢材仍 将占有重要的地位。然而，钢材必须经过加工才能成为有给定功能的产品。由于焊接结构具有重量轻、成本低、质量稳定、生产周期短、效率高、市场 反应速度快等优点，焊接结构的应用日益增多。与世界工业发达国家

3、一样，我国 焊接加工的钢材总量比其他加工方法多。因此，发展我国制造业，尤其是装备制 造业，必须高度重视焊接技术的同步提高12, 。异种金属焊接接头主要分为 母材、焊缝及熔合区三个部分。母材作为基材，而焊缝金属是指熔化的填充金属 与熔化的母材金属相互混合比较均匀的部位，位于焊接接头中间部位，熔池边缘 与焊缝中间相比有很大的不同。熔池边缘靠近母材处，液态金属的温度较低、流 动性差，液态停留时间较短，受到机械力的搅拌作用比较弱，是一个滞留层。此 处熔化的母材与填充金属不能充分的混合，并且越靠近母材，母材成分所占的比 例越大，化学成分梯度在该处有一个明显的变化，这种变化必然要带来组织的变 化，从而形成

4、一个称为熔合区的很窄的过渡区。关于焊接特征区的划分有很多不同的方法。除了一般的母材、焊缝、热影响 区之外，还将熔合区细分为“不完全混合区”和“部分熔合区”。其中熔合区的组织 变化更复杂，由单相奥氏体区、奥氏体+马氏体区、类马氏体区和细小铁素体+ 珠光体晶粒区组成1。异种金属焊接的连接形式也是多样的。两种不同金属之间焊接，中间不加填 充金属，冶金结合后在中间形成一个过渡层，或称熔合区;两种不同金属之间的 焊接，中间填充第三种金属，形成两个熔合区;两种金属之间焊接，中间填充与 某一侧母材成分相同的金属，形成一个异类金属熔合区和一个同类金属熔合区; 相同金属之间焊接，中间填充另一种金属，形成两个性质

5、相同的熔合区;在某一 种金属上堆焊不同的金属，形成一个熔合区。1.3.1 异种金属焊接的特点金属焊接性是金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的 焊接接头的特性。从理论上讲，只要在熔化状态下能够互相形成溶液或共晶的任 意两种金属都可以通过熔化焊接形成接头14。可分为同质焊接和异质焊接。如 果两种金属之间能够形成固溶体，则其熔化焊接性较好，如碳钢或低合金钢与奥 氏体不锈钢或Ni基合金之间的焊接等。但是由于两种金属之间在组织类型、化 学成分、机械性能等方面具有较大差异，会带来残余应力集中，碳扩散等问题。 如果两种金属之间能形成机械混合物或复杂组织，则认为熔化焊接性尚可。如果 两种金属

6、之间形成金属间化合物(脆性相)，则熔化焊接性不好，需要用固态焊接， 或熔化焊接时中间采用过渡层等1。因此异种金属焊接接头存在以下一些特点。(1) 焊接接头熔合区的组织同种金属的焊接接头由于基本金属的轧制或锻、铸状态与焊缝的快速冷却， 快速结晶铸态组织有较大的差距，加上填充金属的化学成分与基本金属总是有差 异的，所以在基体过渡到焊缝的交界处能够从金相磨片上看到一个界面，宏观上 为“熔合线”，微观上为尺寸很小的“熔合区”。但同种金属焊接接头各部分差异毕 竟不大，特别是它们的晶格常数比较接近，从理论上讲晶格常数的差别不大于 9%时，在结晶过程中伴随发生的结晶物质的晶格扭曲变形层很薄，而且随着结 晶物

7、质的继续增长而很快使晶格扭曲的程度变小了。因此，它的变形层厚度只相 当于单个分子或几十个原子的直径。 “熔合线”就显得不那么鲜明，从金相磨片上 看，其界面处不那么截然分明。在研究异种金属的焊接接头时，了解工件在热加工和使用过程中成分变化的 过渡层即熔合区是非常有必要，异种金属熔合区的构成和性能是特别重要的问 题，异种金属焊接结构的破坏多半发生在熔合区，因此研究异种金属熔合区非常 重要，不仅仅是因为基体金属和焊缝合金化方面有差别，而且由于晶格类型有差 别，不可避免地会在分界面上引起过渡层中晶格的畸变，从而造成晶格的各种缺 陷，由于靠近熔合区各段上焊缝结晶特点不同，又易形成性能不好的，成分变化 的

8、过渡层;另外，由于处在高温的时间长，这一区域的扩散层会扩大，会进一步 使金属的不均匀性增加。决定熔合区的组织和性能主要有两个过程，一是异种金 属结晶过程本身，这一过程决定着熔合区的组织和在近缝区可能出现的成分逐渐 变化的过渡层;二是一些扩散过程，它能够在熔合区引起成分和性能与基体金属 不同的过渡层，从微观组织分析的观点来看，相互接触的两种金属，尽管化学成 分差别较大，只要它们的晶格类型相同，基体金属与焊缝熔合区的结晶就有相容 性，如果两种金属的晶格相差较大，但在晶格中有结合在一起的络合物也会有共 同的结晶，这时在熔合区内就会出现从一种晶格向另一种晶格过渡的单分子层， 由于这里发生了晶格畸变，所

9、以过渡层总是受力的。组织类型不同的异种金属接 头中(主要指珠光体钢与奥氏体钢)，仍存在a与Y的结晶晶格方向相适应的结晶 条件，因此，该类异种金属接头的熔合区内也应有共同的结晶方向。(2) 异种金属焊接接头熔合区附近的化学成分异种金属焊接熔合线的化学成分可分为四个阶段来说明它的变迁。以碳元素 的迁移为例，第一阶段焊缝金属还处于液态熔池的状态，碳在固态金属中的溶解 度远远低于液态金属，所以碳由基本金属的固态向焊缝金属的液态过渡，第二阶 段从熔池结晶开始，由于碳在焊缝固溶体中浓度大，而熔合线靠近基本金属一侧 的浓度小，随着冷却的过程碳又从焊缝向基本金属方向位移.这种反向位移有可 能与第一阶段迁移的结

10、果达到平衡;第三阶段是异种金属焊接所特有的，随着焊 接接头继续冷却下来，碳从固溶体中析出并与碳化物生成元素结合生成碳化物， 一直到350礴00”C为止。当降到这个温度以下时，碳元素的扩散能力就显著下 降 了，但是实验证明，这个阶段不是经常必然出现的。如果采用多层焊，复合结构 经焊后热处理或者在高温条件下工作，就会出现类似于第二阶段的碳迁移，这一 种熔合线成分的变化为第四阶段。但总的来说，如果复合结构焊后不进行热处理， 又不是在长时间的高温下工作，异种金属焊接结构还是能够具有一定的工作性能 的，熔合线化学成分的变化可不必过多考虑。（3）异种金属焊接接头的裂纹 异种金属结构常选用具有淬火倾向的高合

11、金马氏体钢和一般低、中合金的珠 光体钢，焊接这类异种金属的困难主要是克服热裂纹的产生。对淬火钢来说主要 是近缝区的裂纹。近缝区裂纹，是指平行于熔合线并与熔合线略有一点距离处所 出现的裂纹。对形成这类裂纹的机理有两种观点:一种认为是出于焊接加热后引 起基体金属淬火而产生的，因为淬火钢在焊接时，近缝区产生马氏体，它的比容 增大造成组织应力加大，导致近缝区出现微裂纹，在焊接应力作用下，微裂纹扩 大发展成为宏观裂纹。另一种观点认为是氢致裂纹，淬火钢近缝区的冷裂纹是由 于氢从焊缝金属中扩散到近缝区并使之饱和，增加了近缝区脆性而开裂。观点不 同，采取措施也不同。第一种观点，是在焊接时预热和缓冷，以降低焊接

12、接头淬 火倾向。第二种观点，就是要控制进入焊接熔池中的氢气来源，如采用低氢型焊 条，并保持干燥等等。还有另外一种裂纹，是指焊缝金属本身的热裂纹。这是高 合金钢焊缝金属中易于出现的缺陷，特别是纯奥氏体组织的焊缝最易出现焊缝中 裂纹。从理论上阐述这个问题的也有几种观点，其中有一种，就认为焊缝中还存 在未结晶低熔点液膜，在相应的应力作用条件下生成了裂纹。防止措施还是与焊 接奥氏体高镍铬钢的措施一样，在焊接材料选择方面采用形成双相或多相（6 勺或 6+碳化物+氮化物）成分，在单相奥氏体的焊缝金属中加入钢、钨、铜和其它元素 使之在略低于固相线的温度区间内能部分或全部阻止位错的活动【戒”。砰）碳 迁移现象

13、。异种金属焊接时或焊后经热处理或经高温运行后，经常发现低合金一 侧的碳通过焊缝边界向高合金焊缝中“迁移”的现象，分别在熔合线两侧形成脱碳 层和增碳层，在低合金一侧母材形成脱碳层，在高合金焊缝一侧形成增碳层。碳 迁移现象一直受到工程技术人员和理论研究者的高度重视，因为碳迁移是造成接 头高温机械性能降低，高温下失效断裂增加，影响高温使用寿命的主要原因之一。 增碳层的韧性下降易发生脆性断裂，脱碳层的强度下降也易导致断裂。 碳迁移现象不是由于浓度差引起的，而是由化学势差引起的上坡扩散，潘春旭等 人的最新研究表明【“，在高温运行过程中，碳的迁移主要局限在熔合区的马 氏体层中，很难向奥氏体焊缝作长程扩散，

14、这是由于在所有温度下，碳在a一 Fe中的扩散活动能力比在Y 一 Fe中大得多，（在9100C时大39倍，在785OC 时大126倍，在500OC时大835倍）碳很难跨过A/M 一 L边界向焊缝内作长程 扩散。此外，碳迁移现象还与下列现象有关，碳在液态铁中的溶解度大于在固 态铁中的溶解度，碳在Y 一 Fe中的溶解度大于在a 一 Fe中的溶解度，奥 氏体焊缝中含有更多的碳化物形成元素（主要是铬）。这都决定着碳在母材或焊缝 中的活度。凡是能提高母材中碳的活度而降低焊缝中活度的因素都应有利于加强 碳从母材向焊缝中迁移。一般来说，碳化物形成元素 Cr， Mo， V， Nb， Ti 等都 降低碳的活度系数

15、，而非碳化物形成元素 Si， Al， Ni 等都增大碳的活度系数， 并且在固态和在液态中的趋势是一样的，但碳在固态时的活度系数要大于在液态 中的活度系数，这种影响比钢的成分的影响还要显著，所以，碳的迁移不一定都 是碳的浓度差造成的，而是往往具有上坡扩散的性质。为了减小异种金属焊接中碳迁移现象和碳迁移过渡层宽度，应在焊缝中含有能增 大碳活度系数的元素。实践也表明，焊缝中含有一定量的镍可较显著地减小增碳 层及脱碳层宽度，而且要控制焊后热处理，焊后加热温度与加热时间对碳迁移的 影响非常显著，可以用回火参数PT来表示（Larson Mille公式）:P月 （lgt+10）x103，回火参数P:越大，脱

16、碳层及增碳层的宽度也越大，因此异种金属 接头焊后热处理对碳迁移的影响是极为不利的。对于碳钢，铬钢等F系列钢和铬 镍奥氏体不锈钢接头，在进行焊后热处理并保持温度（sO价500“C）一定时间，或 在上述温度下长期运行，发生强烈的碳迁移现象，形成脱碳层和增碳层，这种碳 迁移现象称为第二类碳迁移，对于这类碳迁移，可以归纳如下7: 经焊接后，一般不出现明显的脱碳层和增碳层。 第二类碳迁移一般发生在含铬钢的接头中。 一般随着温度和时间的增加，脱碳层和增碳层加宽。 在F系列钢和A系列钢组成的接头中，当温度超过AI点，使F系列钢转变成 为奥氏体，则碳迁移速度有很大的降低。 第二类碳迁移的方向是由低碳钢到铬钢，在低合金钢一侧产生脱碳层，在高合 金钢一侧产生增碳层。 在低合金钢一侧增加含铬量，或添加妮，钦，钒等强烈形成碳化物的元素使碳 迁移减弱。 在高合金钢一侧增加含铬量，脱碳层加宽，增强碳迁移，如再添加钒这类强碳 化物形成元素，促进碳迁移。 在碳钢一侧，少量添加铬