金屬焊接技術(shù)基礎(chǔ)

一、異種金屬焊接存在的問(wèn)題

異種金屬焊接所存在的一些固有問(wèn)題阻礙了它的發(fā)展，如異種金屬熔合區(qū)的構(gòu)成和性能，異種金屬焊接結(jié)構(gòu)的破壞多半發(fā)生在熔合區(qū)，由于靠近熔合區(qū)各段上焊縫結(jié)晶特點(diǎn)不同，又易形成性能不好的、成分變化的過(guò)渡層。

另外，由于處在高溫的時(shí)間長(zhǎng)，這一區(qū)域的擴(kuò)散層會(huì)擴(kuò)大，會(huì)進(jìn)一步使金屬的不均勻性增加。而且異種金屬焊接時(shí)或焊后經(jīng)熱處理或經(jīng)高溫運(yùn)行后，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)低合金一側(cè)的碳通過(guò)焊縫邊界向高合金焊縫中“遷移”的現(xiàn)象，分別在熔合線兩側(cè)形成脫碳層和增碳層，在低合金一側(cè)母材形成脫碳層，在高合金焊縫一側(cè)形成增碳層。

防礙和阻止異種金屬結(jié)構(gòu)的使用和發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.在室溫下，異種金屬焊接接頭區(qū)的機(jī)械性能(如拉伸、沖擊、彎曲等)一般優(yōu)于被焊母材的性能，但高溫下或高溫長(zhǎng)期運(yùn)行后，接頭區(qū)的性能劣于母材。

2.在奧氏體焊縫與珠光體母材之間存在一個(gè)馬氏體過(guò)渡區(qū)，該區(qū)韌性較低，是一個(gè)高硬度脆性層，也是導(dǎo)致構(gòu)件失效破壞的薄弱區(qū)，它會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的使用可靠性。

3.焊后熱處理或高溫運(yùn)行過(guò)程中碳遷移會(huì)導(dǎo)致在熔合線兩側(cè)分別形成增碳層和脫碳層。一般認(rèn)為脫碳層由于碳的減少而導(dǎo)致該區(qū)域組織、性能發(fā)生較大變化(一般是劣化)，從而使得該區(qū)域容易在服役過(guò)程中發(fā)生早期失效。很多服役中的高溫管線或者試驗(yàn)中的高溫管線的失效部位都集中在脫碳層。

4.失效與時(shí)間，溫度和交變應(yīng)力等條件有關(guān)。

5.焊后熱處理不能消除接頭區(qū)的殘余應(yīng)力分布。

6.化學(xué)成分的不均勻性。

異種金屬焊接的時(shí)候，由于焊縫兩側(cè)的金屬和焊縫的合金成分有著明顯的差別，焊接過(guò)程中，母材和焊材都會(huì)熔化并相互混合，混合的均勻程度隨著焊接工藝的改變而改變，而且焊接接頭不同的位置，混合均勻程度也有很大差異，這就造成了焊接接頭化學(xué)成分的不均勻性。

7.金相組織的不均勻性。

由于焊接接頭化學(xué)成分的不連續(xù)，經(jīng)歷了焊接熱循環(huán)后，焊接接頭各個(gè)區(qū)域出現(xiàn)不同的組織，往往在某些區(qū)域出現(xiàn)極其復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。

8.性能的不連續(xù)性。

焊接接頭的化學(xué)成分和金相組織的差異，帶來(lái)了焊接接頭力學(xué)性能的不同。沿焊接接頭的各個(gè)區(qū)域強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、沖擊性能、高溫蠕變、持久性能都有很大差別。這種顯著的不均勻性使得焊接接頭不同區(qū)域在相同的條件下，表現(xiàn)出來(lái)的行為有很大的差異，出現(xiàn)弱化區(qū)域和強(qiáng)化區(qū)域，尤其是在高溫的條件下，異種金屬焊接接頭在服役過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)早期失效。

二、不同焊接方法焊接異種金屬時(shí)的特點(diǎn)

大多數(shù)焊接方法都可用于異種金屬的焊接，但在選擇焊接方法及制定工藝措施時(shí)，仍應(yīng)考慮異種金屬焊接時(shí)的特點(diǎn)。根據(jù)母材和焊接接頭不同的要求，熔焊、壓焊及其他焊接方法在異種金屬焊接中都有所應(yīng)用，但也都各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

1.熔焊

異種金屬焊接中應(yīng)用較多的是熔焊方法，常用的熔焊方法有焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)電弧焊、電渣焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊等。為了減少稀釋?zhuān)档腿酆媳然蚩刂撇煌饘倌覆牡娜刍?，通?？蛇x用熱源能量密度較高的電子束焊、激光焊、等離子弧焊等方法。

為了減小熔深，可以采取間接電弧、擺動(dòng)焊絲、帶狀電極、附加不通電焊絲等工藝措施。但無(wú)論如何，只要是熔焊，總有部分母材熔入焊縫而引起稀釋?zhuān)硗?，還會(huì)形成諸如金屬間化合物、共晶體等。為了減輕這類(lèi)不利影響，必須控制和縮短金屬在液態(tài)或高溫固態(tài)下的停留時(shí)間。

然而，盡管熔焊方法和工藝措施不斷改進(jìn)和完善，卻仍然難以解決所有異種金屬焊接時(shí)的問(wèn)題，因?yàn)榻饘俜N類(lèi)繁多，性能要求又多種多樣，接頭形式又各不相同，許多情況下還需要采用壓焊或其他的焊接方法來(lái)解決特定的異種金屬接頭的焊接問(wèn)題。

2.壓焊

大多數(shù)壓焊方法都只將被焊金屬加熱至塑性狀態(tài)或甚至不加熱，而以施加一定的壓力為基本特征。與熔焊相比，在焊接異種金屬接頭時(shí)壓焊具有一定的優(yōu)越性，只要接頭形式允許，焊接質(zhì)量又能滿足要求，采用壓焊往往是比較合理的選擇。

壓焊時(shí)，異種金屬交界表面可以熔化，也可以不熔化，但由于有壓力的作用，即使表面有熔化金屬存在，也會(huì)被擠壓而排出（如閃光焊和摩擦焊），只有少數(shù)情況下壓焊后還保留了曾經(jīng)熔化的金屬（如點(diǎn)焊）。

壓焊由于不加熱或加熱溫度低，可以減輕或避免熱循環(huán)對(duì)母材金屬性能的不利影響，防止產(chǎn)生脆性的金屬間化合物。某些形式的壓焊甚至能將已產(chǎn)生的金屬間化合物從接頭中擠壓出去。此外，壓焊時(shí)也不存在因稀釋而引起的焊縫金屬性能變化問(wèn)題。

不過(guò)，大多數(shù)壓焊方法對(duì)接頭形式是有一定要求的，例如點(diǎn)焊、縫焊、超聲波焊必須用搭接接頭；摩擦焊時(shí)至少有一個(gè)工件必須具有旋轉(zhuǎn)體的截面；爆炸焊只適用于較大面積的連接等。壓焊設(shè)備目前也還不普及。這些無(wú)疑地都限制了壓焊的應(yīng)用范圍。

3.其他方法

除熔焊和壓焊外，還有一些可以用于異種金屬焊接的方法。例如釬焊就是釬料與母材之間的異種金屬焊接方法，不過(guò)這里所討論的則是較特殊的釬焊方法。

有一種方法稱(chēng)作熔焊——釬焊，即對(duì)異種金屬接頭中低熔點(diǎn)母材一側(cè)為熔焊，對(duì)高熔點(diǎn)母材—側(cè)為釬焊。而且通常是以低熔點(diǎn)母材相同的金屬為釬料。因此，釬料與低熔點(diǎn)母材之間就是同種金屬的熔焊過(guò)程，不存在特殊困難。

釬料與高熔點(diǎn)母材之間則是釬焊過(guò)程，母材不發(fā)生熔化、結(jié)晶，可以避免許多焊接性方面的問(wèn)題，但要求釬料對(duì)母材能良好潤(rùn)濕。

另一種方法稱(chēng)作共晶釬焊或共晶擴(kuò)散釬焊。這是將異種金屬接觸表面加熱到一定溫度，使兩種金屬在接觸表面處形成低熔點(diǎn)的共晶體，該低熔點(diǎn)共晶體在此溫度下呈液態(tài)，實(shí)質(zhì)上成了一種不用外加釬料的釬焊方法。

當(dāng)然，這要求兩種金屬之間能夠形成低熔點(diǎn)的共晶體。異種金屬擴(kuò)散焊時(shí)加入中間層材料，在很低壓力下加熱使中間層材料熔化，或與被焊金屬接觸形成低熔點(diǎn)共晶體，此時(shí)形成的薄層液體，經(jīng)一定時(shí)間的保溫過(guò)程，使中間層材料全部擴(kuò)散到母材中并均勻化，就能形成沒(méi)有中間材料的異種金屬接頭。

這類(lèi)方法在焊接過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)少量液態(tài)金屬。因而又被稱(chēng)作液相過(guò)渡焊，他們的共同特點(diǎn)就是接頭中不存在鑄造組織。

三、焊接異種金屬的注意事項(xiàng)

1.考慮焊件的物理、力學(xué)性能和化學(xué)成分

(1)根據(jù)等強(qiáng)度的觀點(diǎn)，選擇滿足母材力學(xué)性能的焊條，或結(jié)合母材的可焊性，改用非等強(qiáng)度而焊接性好的焊條，但考慮焊縫的結(jié)構(gòu)形式，以滿足等強(qiáng)度、等剛度要求。

(2)使其合金成分符合或接近母材。

(3)母材含C、S、P有害雜質(zhì)較高時(shí)，應(yīng)選擇抗裂性能和抗氣孔性能較好的焊條。建議選用氧化鈦鈣型焊條。如果尚不能解決，可選用低氫鈉型焊條。

2.考慮焊件的工作條件和使用性能

(1)在承受動(dòng)載荷和沖擊載荷的情況下，除保證強(qiáng)度外，對(duì)沖擊韌性、延伸率均有較高要求，應(yīng)一次選用低氫型、鈦鈣型和氧化鐵型焊條。

(2)接觸腐蝕介質(zhì)的，必須根據(jù)介質(zhì)的種類(lèi)、濃度、工作溫度以及區(qū)分是一般服飾還是晶間腐蝕等，選用合適的不銹鋼焊條。

(3)在磨損條件下工作時(shí)，應(yīng)區(qū)分是一般還是受沖擊磨損，是常溫還是高溫下磨損。

(4)非常溫條件下工作時(shí)，應(yīng)選用相應(yīng)的保證低溫或高溫力學(xué)性能的焊條。

3.考慮焊件的集合形狀復(fù)雜程度，剛度大小，焊接破口的制備情況和焊接位置。

(1)形狀復(fù)雜或大厚度的焊件，焊縫金屬在冷卻時(shí)收縮應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋，必須選用抗裂性能強(qiáng)的焊條，如低氫型焊條，高韌性焊條或氧化鐵型焊條。

(2)受條件限制不能翻轉(zhuǎn)的焊件，需選用能全位置焊接的焊條。

(3)焊接部位難以清理的焊件，選用氧化性強(qiáng)的，對(duì)氧化皮和油污不敏感的酸性焊條，以免產(chǎn)生氣孔等缺陷。

4.考慮施焊工地設(shè)備

在沒(méi)有直流焊機(jī)的地方，不宜選用限用直流電源的焊條，而應(yīng)選用交直流電源的焊條。某些鋼材（如珠光體耐熱鋼）需焊后消除熱應(yīng)力，但受設(shè)備條件限制（或本身結(jié)構(gòu)限制）不能進(jìn)行熱處理時(shí)。應(yīng)改用非母材金屬材料焊條（如奧氏體不銹鋼），可不必焊后熱處理。

5.考慮改善焊接工藝和保護(hù)工人的身體健康

在酸性焊條和堿性焊條都可以滿足要求的地方，應(yīng)盡量采用酸性焊條。

6.考慮勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)合理性

在使用性能相同的情況下，應(yīng)盡量選用價(jià)格較低的酸性焊條，而不用堿性焊條，在酸性焊條中又以鈦型、鈦鈣型為貴，根據(jù)我國(guó)礦藏資源情況，應(yīng)大力推廣鈦鐵型藥皮的焊條。