金属物理性能对异种金属焊接性的影响

原创 胡伟明  2021-06-18 20:56:00  阅读 138 次 评论 0 条
摘要:

线膨胀系数的差异不同的金属具有不同的线膨胀系数,当两种线膨胀系数差别较大的金属进行焊接时,将会造成焊接接头出现复杂的高内应力状态,一种金属产生压应力,另一种金属产生拉应力。产生拉应力的金属,就可能导致产生裂纹,甚至还会导致焊缝与母材金属剥离。若结构经历反复加热和冷却循环时,问题就更加严重。奥氏体不锈钢与其他非奥氏体钢的焊接正是这种情况,因此,这类异种钢焊接时,应特别要防止上述缺陷的发生。焊前对线膨胀系数小的金属进行预热,或者在线膨胀系数差异很大的两金属间加入一种塑性好的金属焊接成过渡接头作为缓冲

线膨胀系数的差异

不同的金属具有不同的线膨胀系数,当两种线膨胀系数差别较大的金属进行焊接时,将会造成焊接接头出现复杂的高内应力状态,一种金属产生压应力,另一种金属产生拉应力。产生拉应力的金属,就可能导致产生裂纹,甚至还会导致焊缝与母材金属剥离。若结构经历反复加热和冷却循环时,问题就更加严重。奥氏体不锈钢与其他非奥氏体钢的焊接正是这种情况,因此,这类异种钢焊接时,应特别要防止上述缺陷的发生。焊前对线膨胀系数小的金属进行预热,或者在线膨胀系数差异很大的两金属间加入一种塑性好的金属焊接成过渡接头作为缓冲带,都是行之有效的方法。线膨胀系数还会随温度的变化而变化,下图给出了—些钢种的线膨胀系数随温度的变化而变化的曲线。

一些钢种的线膨胀系数随温度变化的曲线.png

热导率和比热容的差异

金属的热导率和比热容强烈地影响被焊材料的熔化、熔池的形成、焊接区温度场和焊缝金属的结晶过程。

热导率大的金属,焊接熔池的热量会被未熔化的母材迅速地带走,导致金属熔化不足;冷却时会加大冷却速度,这样就相当于降低了焊接热输入。当两种金属在这方面差异很大时,可使被焊金属的熔化不同步,熔池形成和金属结合不良,导致焊缝结晶条件变坏,焊缝性能和成形不良。为了克服这种差异,熔焊时,通常应将热源位置偏向导热性能好的金属一侧,或者预热热导率高的母材。例如纯铜与18-8型奥氏体不锈钢焊接时,由于铜的热导率比18-8型奥氏体不锈钢大20倍,因此必须把热源的大部分热量集中到纯铜待焊处一侧,以保证待焊处两侧的金属均匀同步的熔化和凝固。

对于比热容小的金属,它相当于热导率小的金属,同样的焊接热输入可以熔化较多的母材金属。若两种金属的比热容差异很大时,比热容小的金属其熔化量就多,相当于增加了焊接热输入。热源位置应偏向比热容大的材料—侧。

熔点的差异

如果两金属的熔点相差太大,也会导致两金属的熔化量不均衡,甚至会导致一种熔化温度较低的金属熔化量太大,而另一种熔化温度较高的金属熔化量过小,更甚者另一种金属不熔化,因而难以采用熔焊,但可以采用钎焊及压力焊等。

两种母材之间或焊缝金属与—种母材之间的熔点相差太大,会使熔化温度较低的金属受到破坏。熔化温度较高的金属过分收缩,会使处于薄弱状态的另一种熔化温度较低的金属内产生拉应力,严重时可能产生裂纹,甚至发生剥离。在熔化温度较高的金属表面熔敷一层或多层中间熔化温度的材料,可以解决这个问题,这种方法叫做隔离层堆焊。这种隔离堆焊层与另一熔化温度较低的金属进行焊接时,隔离层起到降低熔点差的作用。

电磁性的差异

在异种金属熔焊时,有时会出现焊接电弧偏吹,或者电弧燃烧不稳定现象而造成的焊缝成形变坏,这往往是由于两种金属的电磁性相差很大而发生的,如非奥氏体的钢铁与其他无磁性金属(铝、铜等)、奥氏体不锈钢同其他钢铁的异种钢焊接等。对于热源密度不大而热源截面较大的热源(如电弧焊)来说,这种电磁性的差异对焊接过程的影响尚不很明显;而对热源密度很大、热源截面很小的热源来说,这种电磁性的差异对焊接过程的影响就很明显。如电子束焊接铜与低碳钢时,当电子束指向铜-钢对缝处或铜母材(一般来说,铜-钢异种金属焊接时,由于铜的热导率比钢大得多,因而热源应偏向铜的一侧)时,发现电子束向低碳钢母材一侧移动,这是由两种金属的电磁性不同而引起的。


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