【正文】 、核動(dòng)力、造船及其他一些領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 。可使其不同部位處于不同的溫度、壓力、載荷、介質(zhì)等工作條件。顯然，把異種金屬零件連接成一個(gè)整體部件，焊接常常是最好的方法，所以異種合金焊接技術(shù)就成了關(guān)鍵。 不銹鋼、銅的焊接性分析 不銹鋼的焊接性分析：不銹鋼和耐熱鋼的種類(lèi)繁多，主要以合金成分為 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 Cr 和 Ni。不銹鋼和耐熱鋼按材料供應(yīng)狀態(tài)的組織可分為以下五種類(lèi)型，即鐵素體剛、馬氏體剛、鐵素體 奧氏體雙 相鋼和沉淀硬化鋼。而奧氏體不銹鋼（ 1Cr18Ni9Ti）熔焊時(shí)的焊接缺陷主要有： (1)晶間腐蝕，防止措施：①選擇超低碳 [w(C)%]或添加鈦和鈮等固碳元素的焊接材料；②形成奧氏體鐵素體雙相組織的焊縫；③合理選擇焊接工藝，減少敏化溫度范圍的停留時(shí)間；④焊后將工件加熱到 1050~1150℃固溶處理后淬火，使晶界上的碳化物溶入晶粒內(nèi)部，形成均勻奧氏體組織。防止措施：雙相不銹鋼焊接接頭具有優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕性能，主要是因?yàn)橐韵聨c(diǎn)： 1) 雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度比奧氏體不銹鋼高，產(chǎn)生表面滑移所需要的應(yīng)力水平高，在相同的腐蝕介質(zhì)中，雙相不銹鋼的表面膜因表面滑移而破壞所需的應(yīng)力較大，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂較難發(fā)生。3) 雙相不銹鋼的兩個(gè)電極電位不同，裂紋在不同相和相界的擴(kuò)展機(jī)制不同，對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到阻止或抑制作用，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的發(fā)展速度緩慢。 (3) 點(diǎn)蝕 最容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕的部位是熔合區(qū)，因該區(qū)域化學(xué)成分極不均勻。防止措施：實(shí)驗(yàn)證明，提高 Ni的含量，晶軸中 Cr、 Mo 的偏析減少，因此采用高 Ni焊絲對(duì)防止點(diǎn)蝕有利。 (4) 熱裂紋 與一般鋼結(jié)構(gòu)相比，奧氏體不銹鋼焊接時(shí)更容易產(chǎn)生熱裂紋，并以結(jié)晶裂紋為主，有時(shí)也可能 出現(xiàn)液化裂紋。防止措施：焊縫成分對(duì)奧氏體鋼的熱裂紋敏感性有決定性影響，因?yàn)樗苯佑绊懸簯B(tài)金屬及合金的凝固模式。焊縫組織構(gòu)成對(duì)奧氏體的熱裂紋傾向有很大的影響。因?yàn)閱蜗嗟脢W氏體焊縫金屬合金化程度高，奧氏體非常穩(wěn)定，焊接時(shí)易形成方向性強(qiáng)的粗大柱狀晶，會(huì)促進(jìn)有害雜質(zhì) S、P 的偏析，易于形成連續(xù)的晶間液態(tài)夾層，從而增大熱裂紋的傾向。 銅的焊接性分析：銅及銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性以及在 某些介質(zhì)中良好的抗腐蝕性能，因而成為電子、化工、船舶、能源動(dòng)力、交通等工業(yè)領(lǐng)域中換熱管道、導(dǎo)電裝置及抗腐蝕部件的優(yōu)選材料。 銅及銅合金的物理性能如表 11 所示： 表 11 銅 及銅合金 的物理性能 材料 密度 /（ g/cm3） 熔點(diǎn)（ ℃ ） 導(dǎo)熱系 數(shù) 線膨脹 系數(shù) 電阻系數(shù) 比熱 容 表面張力 系數(shù) 點(diǎn)陣常 數(shù) 銅 及銅合金 1084 0. 384 1300 少量的雜質(zhì)元素能完全固溶與銅中，對(duì)銅的塑性變形性能影響不大。用于制造焊接結(jié)構(gòu)的銅材要求其含鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 %，含鉍量小于 %，含氧和含硫硬分別小于 %和%。純銅在退火狀態(tài)下具有很好的塑性 ，但強(qiáng)度低。加工硬化的純銅經(jīng) 550~600℃退火后，可使塑性完全恢復(fù)。焊接銅及銅合金時(shí)，當(dāng)采用與同厚度低碳鋼一樣的焊接參數(shù)，母材就很難熔化，填充金屬也與母材不易熔合，這與銅及銅合金的熱物理性能有關(guān)。采用熱能量密度低的焊接熱員進(jìn)行焊接時(shí)，如氧乙炔焊和焊條電弧焊，需要進(jìn)行高溫預(yù)熱。2) 熱烈傾向大。 在雜質(zhì)中，氧的危害最大，它不但在冶煉時(shí)以雜質(zhì)的形式存在于銅內(nèi)，在以后的軋制加工和焊接過(guò)程中，都會(huì)以 Cu2O 的形式存在于焊縫金屬中。 3) 氣孔嚴(yán)重 熔化焊接銅及銅合金，出現(xiàn)氣孔的傾向比低碳鋼要大得多，所形成的氣孔幾乎分布在焊縫的各個(gè)部 位。 4) 接頭性能下降 。(1)塑性嚴(yán)重變壞 焊縫與熱影響區(qū)晶粒變粗、各種脆性的易熔共晶出現(xiàn)于晶界，使接頭的塑性和韌性顯著下降。因此，焊接過(guò)程中雜質(zhì)和合金元素的溶入都會(huì)不同程度低降低接頭的導(dǎo)電性能。 銅和不銹鋼在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 不銹鋼與銅 的焊接不僅充分發(fā)揮了材料各自的性能和作用，達(dá)到了充 分利用的目的，而且大大節(jié)省材料，降低成本。利用不銹鋼與非鐵金屬各自特點(diǎn)的性能，并通過(guò)焊接的方法，可制造許多合理的焊接構(gòu)件，不僅大量節(jié)省非鐵金屬，同時(shí)還降低成本。 銅及其合金材料在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域 純銅呈紫紅色，又稱(chēng)紫銅。主要用于制作發(fā)電機(jī)、母線、電纜、開(kāi)關(guān)裝置、變壓器等電工器材和熱交換器、管道、太陽(yáng)能加熱裝置的平板集熱器等導(dǎo)熱器材。 銅及銅合金具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性以及在某些介質(zhì)中良好的抗腐蝕性能。 不銹鋼材料在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域 不銹鋼一般是指含鉻量 W(Cr)11%~12%、 W(C)%的鋼材，這個(gè)成分是最簡(jiǎn)單的不銹鋼。由于鐵素體不銹鋼脆性大，焊接性不好，奧氏體不銹鋼除具有良好的耐腐蝕性外，特別是韌性高、焊接性好，而且工作溫度范圍廣，即可以在高溫，也可以在低溫下使用，因此，應(yīng)用非常廣泛。奧氏體不銹鋼 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 突出的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)良的耐腐蝕性。以最典型的 188 型 CrNi 不銹鋼為例，加入不同合金元素后其耐腐蝕性發(fā)生變化， W(Cr)18%，對(duì)于許多類(lèi)型的環(huán)境腐蝕來(lái)說(shuō)，其腐蝕性會(huì)大大提高。 異種金屬材料焊接存在的技術(shù)問(wèn)題及缺陷 兩種不同材料能否直接形成焊接連接，決定于構(gòu)成該兩種材料的原子或分子之間的相互作用的強(qiáng)弱。 一般來(lái)說(shuō)，在液態(tài)和固態(tài)都形成無(wú)限互溶的兩種金屬之間，能夠便利的形成性能良好的焊接連接。形成金屬間化合物和間隙化合物中間相的兩種合金，也是可以形成焊接連接的，其接頭性能大半受到此種化合物性能的影響。因此，焊前對(duì)線脹系數(shù)小的金屬進(jìn)行預(yù)熱，或者在線脹系數(shù)差異很大的兩金屬中間加入一種塑性好的金屬焊接成過(guò)渡接頭作為緩沖帶，都是行之有效的方法。熔焊時(shí)，通常應(yīng)將熱源位置偏向熱導(dǎo)性能好的材料一側(cè)。 (3)電磁性的差異 在異種金屬熔焊時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)焊接電弧片吹，或者電弧燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象而造成焊縫成形變壞，這是由于兩 種金屬的電磁性相差很 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 大而發(fā)生的。 (4)形成脆性化合物 異種金屬焊接時(shí)，由于焊縫金屬化學(xué)成分的多元性和復(fù)雜性，除了將形成多種碳化物和氮化物等外，還能析出多種非金屬或金屬間化合物。因此，為了保證異種金屬焊接接 頭具有良好的綜合使用性能，往往不得不放棄或降低一些對(duì)次要性能指標(biāo)的要求，這是異種金屬焊接是時(shí)不可避免的問(wèn)題。 本章的主要研究?jī)?nèi)容 研究了 不銹鋼 與銅異種金屬的焊接性，采用 TIG 焊 實(shí)現(xiàn)了 不銹鋼 、銅異種金屬的連接，對(duì)焊接接頭的微觀組織進(jìn)行了 金相組織 觀察分析，深入分析了 不銹鋼 、銅異種金屬焊接接頭的結(jié)合機(jī)理。本文 指 在結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)紫銅與不銹鋼異種材料的焊接，獲得優(yōu)質(zhì)接頭的焊接方法及工藝進(jìn)行探討。熱導(dǎo)率 (mm㎡/ 235MPa，延伸率為 30﹪，沖擊韌性為，在 400~700℃ 的高溫下強(qiáng)度和塑性顯著降低，在熱加工時(shí)應(yīng)引起重視。經(jīng)冷加工變形后（硬態(tài)），強(qiáng)度可提高一倍，但塑性降低幾倍。焊接結(jié)構(gòu)一般采用軟態(tài)紫銅。密度 （ 20℃ ） g/cm3，比熱容 c (J/g ℃ ) (0~100℃ )，熱導(dǎo)率λ (100℃ ) (cm℃ )，線膨脹系數(shù)α(106/℃ )，一般來(lái)講，只有ω (Cr)≥ 12%時(shí)才能在大氣環(huán)境下不發(fā)生腐蝕，增加 Ni或提高 Cr 含量，耐腐蝕性或耐熱性均可以提高，不銹鋼化學(xué)成分如表 22 所示。 表 23 焊絲成分 (Wt.%) 牌號(hào) 化學(xué)成分 Ni Al Mn Fe Sn P Si Ti Zn Pb Cu 其它 MONEL67 ～ － ～ — ～ — 余量 焊接方法及設(shè)備的選擇 焊接方法的選擇及工藝 試驗(yàn)中主要選用的焊接方法為鎢極氬弧焊（ TIG）焊。只有采用與銅和鐵都能無(wú)限固溶的鎳或鎳合金作填充金屬才能保證良好的焊縫質(zhì)量，達(dá)到較高的接頭強(qiáng)度和塑性。銅及銅合金與不銹鋼的熔焊工藝 主要是由于被連接件的兩種材料的化學(xué)成分和物理性能差異很大，在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋和氣孔等缺陷。 1. 鎢極氬弧焊（ TIG） TIG 焊是在惰性氣體的保護(hù)下，利用鎢極與焊件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲（也可以不加填充焊絲），形成焊縫的焊接方法。 圖 21 TIG 焊原理圖 焊接時(shí)保護(hù)氣體從焊槍的噴嘴中連續(xù)噴出，在電弧周?chē)纬杀Ｗo(hù)層隔絕空氣 ，保護(hù)電極和焊槍熔池以及臨近熱影響區(qū)，以形成優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。焊接厚大焊件時(shí)，也可以將焊絲預(yù)熱后，再添加到熔池中去，以提高熔敷速度。在焊接不銹鋼、鎳基合金和鎳銅合金時(shí)可以采用氬 氫混合氣作為保護(hù)氣體。電弧和熔化區(qū)由氬氣氣流保護(hù)，容易實(shí)現(xiàn)全位置焊接。電弧在氣流壓縮下 燃燒，熱量集中，熔池較小，焊接速度快，熱影響區(qū)較窄，焊后變形小。 常用于不銹鋼、高溫合金、鋁、鎂、鈦及其合金以及難容的活潑金屬和異種金屬的焊接。如果采用工藝墊板，同樣也要進(jìn)行清理，否則它們就會(huì)從內(nèi)被破壞氬氣的保護(hù)作用，這往往是造成焊接缺陷（如氣孔）的重要原因。也可按焊接生產(chǎn)說(shuō)明書(shū)規(guī)定的其他方法進(jìn)行。 機(jī)械清理主要用于焊件，有機(jī)械加工、吹沙、磨削及拋光等方法。 化學(xué)法對(duì)于鋁、鎂等有色金屬的焊件與焊絲表面氧化膜的清理效果好，且生產(chǎn)率高。清理后的焊件與焊絲必須妥善放置與保管，一般應(yīng)在 24h 內(nèi)焊接完。 3. 焊接工藝參數(shù)的影響及選擇 TIG 焊的焊接主要工藝參數(shù)有：焊接電流、電弧電壓（電弧長(zhǎng)度）、焊接速度、填絲速度等。 4. 焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形和焊接過(guò)程的影響 TIG 焊時(shí)，可采用填充焊絲或不填充的方法形成焊縫。如厚度在 3mm 以下的不銹鋼板，可采用不留間隙的卷邊對(duì)接，焊接時(shí)不加填充焊絲，而且可實(shí)現(xiàn)單面焊雙 面成形。在其他條件不變的情況下，電弧能量與焊接電流成正比；焊接電流越大，可焊接的材料厚度越大。當(dāng)焊接電流太大時(shí)，易引起焊縫咬邊、焊漏等缺陷。 （ 2） 電弧電壓（或電弧長(zhǎng)度） 當(dāng)弧長(zhǎng)增加時(shí)，電弧電壓即增加，焊縫熔寬和加熱面積都有增大。同時(shí)電弧長(zhǎng)度還影響到氣體保護(hù)效果的 好壞。 （ 3） 焊接速度 焊接時(shí)，焊縫獲得的熱輸入反比于焊接速度。反之上述參數(shù)減小。反之焊接速度慢時(shí)，焊縫有易產(chǎn)生焊穿和咬邊現(xiàn)象。 （ 4） 填絲速度與焊絲直徑 焊絲的填送速度與焊絲的直徑、焊接電流、焊接速度、接頭間隙等因素有關(guān)。送絲速度選擇不當(dāng)時(shí)，可能造成焊縫出現(xiàn)未焊透、燒穿、焊縫凹陷、焊縫堆高太高、成形不光滑等缺陷。為了獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫，除注意各焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形和焊接過(guò)程的影響外，還必須考慮各參數(shù)的綜合影響，即應(yīng)使各項(xiàng)參數(shù)合理匹配。再根據(jù)試焊結(jié)果調(diào)整有關(guān)參數(shù)，直至符合要求。由于焊件厚度，施焊姿式，接頭形式等條件不同，操作技術(shù)也不盡相同。 (1)引弧 引弧前應(yīng)提前 510s 送氣。采用非接觸引弧時(shí)，應(yīng)先使鎢極端頭與焊件之間保持較短距離，然后接通引弧器電路，在高頻電流或高壓脈沖電流的作用下引弧。 在用無(wú)引弧器的設(shè)備施焊時(shí)，需采用接觸引弧法。接觸引弧時(shí)，設(shè)備簡(jiǎn)單，但引弧可靠性較差。為了防止焊縫夾鎢，在用接觸引弧法時(shí)，可先在一塊引弧板上引燃電弧，然后再將電弧移到焊縫起點(diǎn)處。焊槍與焊件角度的選擇也應(yīng)以獲得好 的保護(hù)效果，便于填充焊絲為準(zhǔn)。厚度小于 4mm 的薄板立焊時(shí)，采用向下焊 或 向上焊均可，板厚大于 4mm 的焊件，多采用向上焊。在需要填充焊絲時(shí)，焊絲直徑一般不得大于 4mm，因?yàn)楹附z太粗易產(chǎn)生夾渣和未焊透現(xiàn)象。焊絲的端部應(yīng)始終置于氬氣保護(hù)區(qū)內(nèi)，以免氧化。 焊縫在收弧處要求不存在明顯的下凹以及產(chǎn)生氣孔與裂紋等缺陷，為 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 此，在收弧處應(yīng)該添加填充焊絲多使弧坑填滿，這對(duì)于焊接熱裂紋傾向較大的材料時(shí)，尤為重要。在焊接拼板接縫時(shí)，通常采用引出板將收弧處引出焊件，使得易出現(xiàn)缺陷的收弧處脫離焊件。至此焊接過(guò)程便告結(jié)束，應(yīng)關(guān)斷焊機(jī)，切斷水、電、電路 。 2. 對(duì)應(yīng)焊接方法的工藝介紹及焊接材料的選擇，試驗(yàn)中主要的焊接材料有純銅（ T2）、奧氏體不銹鋼、焊絲 HS201。將計(jì)算機(jī)應(yīng) 用于 圖像處理 ，具有精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提高工作效率。 宏觀組織檢查的主要內(nèi)容是，觀察焊接接頭的各部組織宏觀形態(tài)，如柱狀晶、等軸晶、樹(shù)枝晶的結(jié)構(gòu)及分布，焊縫及熱影響區(qū)的寬度，過(guò)熱區(qū)的寬度，可以從中了解焊接工藝變動(dòng)時(shí)，對(duì)熱影區(qū)寬度的影響，對(duì)鋼的結(jié)晶組織的影響。通過(guò)宏觀組織的檢查、研究焊接接頭結(jié)晶過(guò)程中引起的成分偏析情況。低倍分析，可以了解焊縫柱狀晶生長(zhǎng)變化形態(tài)、宏觀偏析、焊接缺陷、焊道橫截面形狀、熱影響區(qū)寬度和多層焊道層次情況；斷口分析，可以了解焊接缺陷的形態(tài)、產(chǎn)生的部位和擴(kuò)展的情況。主要應(yīng)用化學(xué)藥品作為溶質(zhì)，分為有機(jī)或無(wú)機(jī)酸類(lèi)，各種堿類(lèi)、鹽類(lèi)溶劑的主要是應(yīng)用甘油、酒精、蒸餾水。使用、配制時(shí)應(yīng)當(dāng)小心謹(jǐn)慎，按操作規(guī)程在腐蝕實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。化學(xué)侵蝕顯示金屬組織 方 法，使用簡(jiǎn)便，試劑配制 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 容易。侵蝕劑配制時(shí)需要嚴(yán)格按組分及組分次序加入。 圖 31 氯化高鐵鹽酸水溶液 試驗(yàn)結(jié)果及分析 異種材料焊接的熔合區(qū)組織：異種材料焊接由于化學(xué)成分和組織差別很大，在熔合區(qū)存在著化學(xué)成分的過(guò)渡，在焊接過(guò)程熱處理及運(yùn)行中熔合線兩側(cè)化學(xué)成分會(huì)發(fā)生變化 碳遷移和合金元素?cái)U(kuò)散再分配，