異種金屬焊接技術(shù)指南

一、異種金屬焊接存在的問題

異種金屬焊接所存在的一些固有問題阻礙了它的發(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)晶特點不同，又易形成性能不好的、成分變化的過渡層。

另外，由于處在高溫的時間長，這一區(qū)域的擴散層會擴大，會進(jìn)一步使金屬的不均勻性增加。而且異種金屬焊接時或焊后經(jīng)熱處理或經(jīng)高溫運行后，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)低合金一側(cè)的碳通過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)在以下幾個方面：

1.在室溫下，異種金屬焊接接頭區(qū)的機械性能(如拉伸、沖擊、彎曲等)一般優(yōu)于被焊母材的性能，但高溫下或高溫長期運行后，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馬氏體過渡區(qū)，該區(qū)韌性較低，是一個高硬度脆性層，也是導(dǎo)致構(gòu)件失效破壞的薄弱區(qū)，它會降低焊接結(jié)構(gòu)的使用可靠性。

3.焊后熱處理或高溫運行過程中碳遷移會導(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)域容易在服役過程中發(fā)生早期失效。很多服役中的高溫管線或者試驗中的高溫管線的失效部位都集中在脫碳層。

4.失效與時間，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，焊接過程中，母材和焊材都會熔化并相互混合，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，帶來了焊接接頭力學(xué)性能的不同。沿焊接接頭的各個區(qū)域強度、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)出來的行為有很大的差異，出現(xiàn)弱化區(qū)域和強化區(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的特點

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，仍應(yīng)考慮異種金屬焊接時的特點。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。

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，降低熔合比或控制不同金屬母材的熔化量，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、擺動焊絲、帶狀電極、附加不通電焊絲等工藝措施。但無論如何，只要是熔焊，總有部分母材熔入焊縫而引起稀釋，另外，還會形成諸如金屬間化合物、共晶體等。為了減輕這類不利影響，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的問題，因為金屬種類繁多，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解決特定的異種金屬接頭的焊接問題。

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，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，壓焊時也不存在因稀釋而引起的焊縫金屬性能變化問題。

不過，大多數(shù)壓焊方法對接頭形式是有一定要求的，例如點焊、縫焊、超聲波焊必須用搭接接頭；摩擦焊時至少有一個工件必須具有旋轉(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，不過這里所討論的則是較特殊的釬焊方法。

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

釬料與高熔點母材之間則是釬焊過程，母材不發(fā)生熔化、結(jié)晶，可以避免許多焊接性方面的問題，但要求釬料對母材能良好潤濕。

另一種方法稱作共晶釬焊或共晶擴散釬焊。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的共晶體，該低熔點共晶體在此溫度下呈液態(tài)，實質(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的共晶體。異種金屬擴散焊時加入中間層材料，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共晶體，此時形成的薄層液體，經(jīng)一定時間的保溫過程，使中間層材料全部擴散到母材中并均勻化，就能形成沒有中間材料的異種金屬接頭。

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

三、焊接異種金屬的注意事項

1.考慮焊件的物理、力學(xué)性能和化學(xué)成分

(1)根據(jù)等強度的觀點，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，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)在承受動載荷和沖擊載荷的情況下，除保證強度外，對沖擊韌性、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、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，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，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，焊縫金屬在冷卻時收縮應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋，必須選用抗裂性能強的焊條，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，選用氧化性強的，對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

在沒有直流焊機的地方，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。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.考慮勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟合理性

在使用性能相同的情況下，應(yīng)盡量選用價格較低的酸性焊條，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)我國礦藏資源情況，應(yīng)大力推廣鈦鐵型藥皮的焊條。