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關(guān)于異種金屬焊接的常識
發(fā)布時(shí)間:2018-07-18 10:00:17 點(diǎn)擊次數:2171

關(guān)于異種金屬焊接的常識


一、異種金屬焊接存在的問(wèn)題

異種金屬的焊接在我們超聲波行業(yè)經(jīng)常會(huì )遇到三種材質(zhì)銅、鋁、鎳之間相互進(jìn)行焊接,且超聲波焊接后導電性以及強度性能良好。

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,如異種金屬熔合區的構成和性能,異種金屬焊接結構的破壞多半發(fā)生在熔合區,由于靠近熔合區各段上焊縫結晶特點(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(cháng),這一區域的擴散層會(huì )擴大,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)高溫運行后,經(jīng)常發(fā)現低合金一側的碳通過(guò)焊縫邊界向高合金焊縫中“遷移”的現象,分別在熔合線(xiàn)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(fā)展主要表現在以下幾個(gè)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(yōu)于被焊母材的性能,但高溫下或高溫長(cháng)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(gè)馬氏體過(guò)渡區,該區韌性較低,是一個(gè)高硬度脆性層,也是導致構件失效破壞的薄弱區,它會(huì )降低焊接結構的使用可靠性。

3.焊后熱處理或高溫運行過(guò)程中碳遷移會(huì )導致在熔合線(xiàn)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(fā)生較大變化(一般是劣化),從而使得該區域容易在服役過(guò)程中發(fā)生早期失效。很多服役中的高溫管線(xiàn)或者試驗中的高溫管線(xiàn)的失效部位都集中在脫碳層。

4.失效與時(shí)間、溫度和交變應力等條件有關(guān)。

5.焊后熱處理不能消除接頭區的殘余應力分布。

6.化學(xué)成分的不均勻性。

異種金屬焊接的時(shí)候,由于焊縫兩側的金屬和焊縫的合金成分有著(zhù)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(zhù)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,經(jīng)歷了焊接熱循環(huán)后,焊接接頭各個(gè)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(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(zhù)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(lái)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(guò)程中經(jīng)常出現早期失效。


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),仍應考慮異種金屬焊接時(shí)的特點(diǎn)。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(yōu)缺點(diǎn)。

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?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,因為金屬種類(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(mǎn)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),大多數壓焊方法對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(wú)疑地都限制了壓焊的應用范圍。

3.其他

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,即對異種金屬接頭中低熔點(diǎn)母材一側為熔焊,對高熔點(diǎn)母材—側為釬焊。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、結晶,可以避免許多焊接性方面的問(wèn)題,但要求釬料對母材能良好潤濕。

另一種方法稱(chēng)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(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

1.考慮焊件的物理、力學(xué)性能和化學(xué)成分

a.根據等強度的觀(guān)點(diǎn),選擇滿(mǎn)足母材力學(xué)性能的焊條,或結合母材的可焊性,改用非等強度而焊接性好的焊條,但考慮焊縫的結構形式,以滿(mǎn)足等強度、等剛度要求。

b.使其合金成分符合或接近母材。

c.母材含C、S、P有害雜質(zhì)較高時(shí),應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

a.在承受動(dòng)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,應一次選用低氫型、鈦鈣型和氧化鐵型焊條。

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

c.在磨損條件下工作時(shí),應區分是一般還是受沖擊磨損,是常溫還是高溫下磨損。

d.非常溫條件下工作時(shí),應選用相應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雜程度,剛度大小,焊接破口的制備情況和焊接位置。

a.形狀復雜或大厚度的焊件,焊縫金屬在冷卻時(shí)收縮應力大,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。

b.受條件限制不能翻轉的焊件,需選用能全位置焊接的焊條。

c.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.考慮施焊工地設備

在沒(méi)有直流焊機的地方,不宜選用限用直流電源的焊條,而應選用交直流電源的焊條。某些鋼材(如珠光體耐熱鋼)需焊后消除熱應力,但受設備條件限制(或本身結構限制)不能進(jìn)行熱處理時(shí)。應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工人的身體健康

在酸性焊條和堿性焊條都可以滿(mǎn)足要求的地方,應盡量采用酸性焊條。


6.考慮勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟合理性

在使用性能相同的情況下,應盡量選用價(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,根據我國礦藏資源情況,應大力推廣鈦鐵型藥皮的焊條。


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