金属熔焊原理及材料焊接第十章-异种钢的焊接

第十章异种钢的焊接第一节异种钢的类型和焊接特点第二节异种珠光体钢的焊接第三节珠光体与奥氏体钢的焊接第三节不锈复合钢板的焊接综合训练异种钢焊接：a)组织类型相同但化学成分不同的钢b)不同组织类型的钢（黑与白）即非合金钢或低合金钢与奥氏体不锈钢之间的连接。1)焊缝金属的稀释2)凝固过渡区易形成马氏体组织3)碳迁移形成扩散层4)接头残余应力第一节异种钢的焊接类型和特点异种钢焊接工艺原则1）焊接方法选择考虑熔合比、效率、经济性。常用的熔化焊方法：SMAWSAWTIGMIGMAG2）焊接材料的选择相同金相组织类型异种钢焊接焊接材料的选择：要求焊缝金属化学性能、耐热性能等其他性能不低于母材中性能要求较低一侧的指标不同金相组织的异种钢焊接经常会按照舍夫勒组织图选择奥氏体填充材料，或者选择镍基合金。异种钢焊接工艺原则3）坡口选择坡口角度选择考虑母材厚度，熔合比。坡口角度越大，熔合比越小，可以减少焊缝金属化学成分和力学性能波动。4）焊接规范参数选择在保证质量的前提下用小电流，规范参数越小越好，尽量减少熔合比。异种珠光体钢的焊接性异种珠光体钢虽然都是珠光体组织，但由于他们的化学成分、强度级别及耐热性等不同，焊接性能也存在较大差异，所以这类钢的焊接具有同种钢焊接所不同的问题。第二节异种珠光体钢的焊接这类钢大部分具有较大的淬硬倾向，焊接时有较明显的裂纹倾向。焊接这类钢首先采取的措施防止近缝区裂纹，其次要注意防止或减轻它们由于化学成分不同，特别是C及K形成元素含量不同所引起的界面（熔合区）组织和力学性能的不稳定和劣化。异种珠光体钢的焊接工艺1.焊接方法•常采用的方法有焊条电弧焊，气体保护焊、埋弧焊等。目前应用最广的有2种。一是采用珠光体类焊条配合预热或后热；二是采用A焊条（或堆焊隔离层，不预热）2.焊接材料的选用•按强度较低的一侧母材的强度要求选择焊接材料。•常温下工作的珠光体异种钢，如焊前不允许或无法预热，可选用A焊接材料以保持焊缝金属的高塑性，避免焊缝及热影响区出现裂纹。•高温下工作的异种珠光体钢接头，要慎用A焊接材料。最好采用与母材同质的焊接材料。•焊接性能很差的淬火钢，焊前应用塑性好、熔敷金属淬硬倾向低的焊接材料堆焊一层过渡层（厚度8~10mm），为防止淬火，堆焊后立即回火。•常温下工作的珠光体异种钢，如焊前不允许或无法预热，可选用A焊接材料以保持焊缝金属的高塑性，避免焊缝及热影响区出现裂纹。•高温下工作的异种珠光体钢接头，要慎用A焊接材料。最好采用与母材同质的焊接材料。•焊接性能很差的淬火钢，焊前应用塑性好、熔敷金属淬硬倾向低的焊接材料堆焊一层过渡层（厚度8~10mm），为防止淬火，堆焊后立即回火。3.预热•含碳量或碳当量是异种珠光体钢接头是否预热及预热温度的高低的依据。•当工件比较厚、刚性比较大时，还需采取保温缓冷等措施4.焊后热处理•异种珠光体钢的焊接后热处理方法有高温回火、正火及正火+回火，其中应用最多的是高温回火。异种钢在进行焊后热处理时应注意下述事项。①当焊件种有强烈淬火倾向的珠光体钢时,需回火。②为了防止变形③在回火过程中，大件、厚件温差不超过±20℃④当焊件厚度大于25mm时回火升温速度应小于200℃/h。⑤消除构件的热应力和变形。有回火脆性的钢构件回火时，温度应避开回火脆性的温度区间。⑥进行局部回火时，应保证焊缝两边有均匀的加热区宽度，采取保温措施，尽可能降低参与应力。第三节珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接能力知识点1珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接性当两种成分、组织性能不同的金属通过焊接而形成连续的焊接接头时，接头部位实质上是成分与组织变化的过渡区，集中了各种矛盾，具体表现如下：1．焊缝金属化学成分的稀释珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时，焊缝金属平均成分是由两种不同类型的母材和填充金属混合所组成。由于珠光体钢中不含或只有少量的合金元素，如珠光体钢溶入焊缝金属的比例增大，则会冲淡焊缝金属的合金浓度，从而改变焊缝金属的化学成分和组织状态。这种现象称为母材金属对焊缝金属的稀释作用。在Q235钢与1Cr18Ni9钢的焊缝金属中，如果由于母材对焊缝金属的过分稀释，可使焊缝中奥氏体形成元素不足，结果在焊缝中出现马氏体组织，使焊接接头的脆性增大，导致焊接接头形成裂纹。通过图5-7舍夫勒组织图，来分析讨论用不同奥氏体不锈钢填充材料，焊接Q235钢与不同奥氏体不锈钢的焊缝金属的金相组织以及熔合比变化所带来的影响。首先将钢的合金元素含量折算成铬当量和镍当量，再在图7中找出相应的点，即可知该焊缝的正常冷却组织中的相组成。图7不锈钢舍夫勒组织图2．凝固过渡层的形成在焊缝金属熔池边缘，金属在液态持续时间最短，温度也较熔池中部低，液体金属流动性较差，最先结晶形成固态。由于珠光体钢与奥氏体不锈钢化学成分相差悬殊，在珠光体钢一侧熔池边缘，熔化的母材金属和填充金属不能充分地混合，在此侧的焊缝金属中珠光体钢所占比例较大，且越靠近熔合线稀释程度就越大；而在焊缝金属熔池的中心，其稀释程度就小。在珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时，在珠光体钢一侧熔合线的焊缝金属存在一个成分梯度很大的过渡层，宽约为0.2～0.6mm。这种成分上的过渡变化区是因熔池凝固特性而造成的，故称为凝固过渡层，实际上是高硬度的马氏体脆性层。凝固过渡层的大小与母材厚度、焊接参数和材料有关。凝固过渡层还与填充金属的成分有关，当过渡层中镍含量低于5％～6％时，将产生马氏体组织如图8所示。从图8可以看出，脆性层宽度B与焊缝中镍含量成反比。当填充金属选用1Cr18Ni9时，脆性层宽度为B1，是比较大的；当采用Cr15Ni25Mo6填充金属时，此脆性层宽度缩小到B3。采用高镍的填充金属，提高焊缝金属中镍的质量分数，可以使脆化层的宽度明显降低。图8奥氏体焊缝中镍含量对过渡层宽度的影响Ⅰ—低合金钢母材Ⅱ—奥氏体不锈钢焊缝Ⅲ—过渡层3．碳迁移过渡层的形成碳从珠光体母材通过熔合区向焊缝扩散，从而在靠近熔合区的珠光体母材上形成了一个软化的脱碳层，而在奥氏体不锈钢焊缝中形成了硬度较高的增碳层。如图9所示。过渡层的形成，造成脱碳层与增碳层硬度的明显差别。在长时间高温下工作时，由于对变形阻力的不同，将产生应力集中，使接头的高温持久强度和塑性下降，可能导致沿熔合区断裂。图9珠光体钢与奥氏体不锈钢焊缝熔合区的硬度分布及扩散层a)接头硬度分析b)接头组织左侧-焊缝右侧-母材碳的迁移是形成过渡层的主要原因。碳的扩散取决于本身扩散能力，还与接头的成分、组织和状态有关。具体条件如下：1）焊接过程中熔合区两侧分别为固体和液体，此时碳将由溶解度较低的母材向溶解度较大的熔池过渡。2）焊缝凝固后熔合区两侧分别为奥氏体相和铁素体相，碳将由溶解度低而扩散系数高的铁素体相的母材向溶解度高的奥氏体相焊缝中扩散。3）焊缝与母材中碳化物形成元素的种类与数量不同，在珠光体母材与奥氏体焊缝熔合时，焊缝中有较多的比铁更强的碳化物形成元素，促使熔合区附近母材中的渗碳体分解，析出的碳原子越过熔合区扩散到焊缝中，并在熔合区附近形成稳定的碳化物。碳化物形成元素的差别是珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时形成碳迁移过渡层的主要原因。4．残余应力的形成异种钢焊接接头，由于两种钢的线膨胀系数相差很大，不仅焊接时会产生较大的残余应力，而且在交变温度下工作，必然会产生交变热应力，从而有可能发生疲劳破坏。异种钢接头中的焊接残余应力，即使通过焊后热处理也难以消除，只是焊接残余应力重新分布。如图13所示为异种钢接头熔合区附近的焊接残余应力特征，在焊态时，奥氏体焊缝承受拉应力，珠光体母材承受压应力；焊后热处理，并未消除残余应力，而只是使焊接残余应力重新分布。图12碳钢母材中wc对熔合区显微硬度的影响1—工业纯铁，wc=0.06%2—30钢，wc=0.32%3—T7钢，wc=0.69%图1325Cr3MoWV钢板边缘堆焊Cr25Ni20焊缝的应力分布实线—焊态虚线—经700℃2h退火能力知识点2珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接工艺特点1.焊接方法选用熔合比小、稀释率低的焊接方法。如焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊都比较合适。2.焊接材料2.焊接材料必须考虑接头的使用要求、稀释作用、碳的迁移、残余应力及抗裂性等问题。珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时常用焊接材料见表14。表14珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时常用的焊接材料母材牌号焊条电弧焊焊丝（埋弧焊或氩弧焊）第一种材料第二种材料焊条型号焊条牌号低碳钢或普低钢1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni2TiCr17Ni13Mo2NbCr23Ni18Cr25Ni13TiE309-16E309-15E309Mo-16E16-25MoN-16E16-25Mo6N-15A302A307A312A502A507铬钼钢（12CrMo、15CrMo、30CrMo）铬钼钒钢(12Cr1MoV、15Cr1Mo1V)铬钼钢Cr5MoH1Cr25Ni13H1Cr20Ni10Mo6铬钼钒钢(Cr5Mov、25Cr3WmoV、12Cr2Mo2VniS)H1Cr20Ni17Mn6Si212CrMo、15CrMo、30CrMo、12Cr1MoV、15Cr2Mo2Cr15Ni35W3TiCr16Ni25Mo6E16-25MoN-16E16-25Mo6N-15A502A507低碳钢Cr25Ni15TiMoVCr21Ni15TiE16-25MoN-16E16-25Mo6N-15A502A5073.焊接工艺要点1）尽量选用小直径的焊条和焊丝，并选用小电流、大电压和高焊速进行焊接，以减小熔合比。2）如果珠光体钢有淬硬倾向，应适当预热，其预热温度应比珠光体钢同种材料焊接时略低一些。3）堆焊过渡层对于较厚的焊件，为了防止因应力过高而在熔合区出现开裂现象，可以在珠光体钢的坡口表面堆焊过渡层，如图14所示。过渡层中应含有较多的强碳化物形成元素，具有较小的淬硬倾向，也可用高镍奥氏体不锈钢焊条堆焊过渡层。过渡层厚度一般为6～9㎜。4）珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接接头，焊后一般不进行热处理。图14珠光体钢坡口表面堆焊的过渡层第四节不锈钢复合钢板的焊接复合钢板是由两种材料复合轧制而成的双金属板。它是由覆层（不锈钢）和基层（碳钢或低合金钢）组成。接触腐蚀介质或高温的一面由不锈钢板承担，而结构所需强度和刚度则由碳钢或低合金钢板承担。广泛用于石油、化工、制药、制碱和航海等要求防腐和耐高温的容器和管道等。其中以低合金钢与奥氏体不锈钢合成的不锈复合钢板应用最为广泛。不锈复合钢板由于化学成分和物理性能差异很大，其焊接性也存在重大差异，因而不能采用单一的焊接材料和焊接工艺进行焊接，而应将覆层和基层区别对待。1.焊接方法可以采用焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊及惰性气体保护焊等方法。但覆盖层常用焊条电弧焊。2.焊接材料焊缝由过渡层、基层和覆层三部分组成，各自的焊接材料选择如下：1）过渡层焊接材料必须选用其铬、镍含量高于覆层中含量的不锈钢焊接材料。2）基层焊接材料选用与基层材料单独焊接时相同的焊接材料，并以同样的焊接工艺焊接。3）覆层焊接材料原则上与单独焊接不锈钢时的焊接材料相同，焊接工艺也相同。3、焊接坡口常用的焊条电弧焊对接接头的坡口形式见表（教材P240）。4、焊接顺序不锈复合钢板对接焊缝顺序如图15所示。a)装配定位焊b)焊接基层低碳钢c)加工覆层d)在覆层钢一侧施焊过渡层e)在过渡层上焊覆层图15不锈复合钢板的对接焊缝的焊接顺序不锈复合钢板的搭接接头和角接接头形式如图16和图17所示。在待焊区中碳钢和不锈钢共存部位，要选用过渡层的焊接材料。待焊处出现都是碳钢时，可以按基层所选用的焊接材料进行施焊；同样，待焊区都是不锈钢材料时，选用覆层的焊接材料，但是考虑到焊接熔池的深度，可能将基层熔化，此时，第一层焊缝仍要选用过渡层的焊接材料。5.不锈复合钢板焊接时应注意的问题：1）下料最好采用等离子弧切割等离子切割的割缝质量比氧乙炔火焰切割质量高，切口光滑，热影响区小；2）装配应以覆层为基准，防止错边过大而影响