知識點 | 異種金屬焊接的經典常識

2017-04-21 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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展,如異種金屬熔合區的構成和性能,異種金屬焊接結構的破壞多半發生在熔合區,由于靠近熔合區各段上焊縫結晶特點不同,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,這一區域的擴散層會擴大,會進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熱處理或經高溫運行后,經常發現低合金一側的碳通過焊縫邊界向高合金焊縫中“遷移”的現象,分別在熔合線兩側形成脫碳層和增碳層,在低合金一側母材形成脫碳層,在高合金焊縫一側形成增碳層。

防礙和阻止異種金屬結構的使用和發展主要表現在以下幾個方面:

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

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,該區韌性較低,是一個高硬度脆性層,也是導致構件失效破壞的薄弱區,它會降低焊接結構的使用可靠性。

3.焊后熱處理或高溫運行過程中碳遷移會導致在熔合線兩側分別形成增碳層和脫碳層。一般認為脫碳層由于碳的減少而導致該區域組織、性能發生較大變化(一般是劣化),從而使得該區域容易在服役過程中發生早期失效。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,溫度和交變應力等條件有關。

5.焊后熱處理不能消除接頭區的殘余應力分布。

6.化學成分的不均勻性。

異種金屬焊接的時候,由于焊縫兩側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。

由于焊接接頭化學成分的不連續,經歷了焊接熱循環后,焊接接頭各個區域出現不同的組織,往往在某些區域出現極其復雜的組織結構。

8.性能的不連續性。

焊接接頭的化學成分和金相組織的差異,帶來了焊接接頭力學性能的不同。沿焊接接頭的各個區域強度、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域在相同的條件下,表現出來的行為有很大的差異,出現弱化區域和強化區域,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常出現早期失效。

二、不同焊接方法焊接異種金屬時的特點

大多數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,仍應考慮異種金屬焊接時的特點。根據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用,但也都各有其優缺點。

1.熔焊

異種金屬焊接中應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,通常可選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或高溫固態下的停留時間。

然而,盡管熔焊方法和工藝措施不斷改進和完善,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

大多數壓焊方法都只將被焊金屬加熱至塑性狀態或甚至不加熱,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越性,只要接頭形式允許,焊接質量又能滿足要求,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),只有少數情況下壓焊后還保留了曾經熔化的金屬(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對母材金屬性能的不利影響,防止產生脆性的金屬間化合物。某些形式的壓焊甚至能將已產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體的截面;爆炸焊只適用于較大面積的連接等。壓焊設備目前也還不普及。這些無疑地都限制了壓焊的應用范圍。

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為熔焊,對高熔點母材—側為釬焊。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,母材不發生熔化、結晶,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,實質上成了一種不用外加釬料的釬焊方法。當然,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少量液態金屬。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