其他金属的优质焊接技术

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：镁及镁合金热膨胀系数大，焊接过程中产生较大的焊接应力和变形。降低焊接速度或电子束扫描焊接有助于消除气孔；防止烧穿和防止气孔的措施相互矛盾，致使镁合金电子束焊的焊接参数范围很窄。3）铜合金中的许多合金元素、杂质及其化合物与铜可以形成低熔点共晶，焊缝容易产生热裂纹。焊接铜合金可能发生的主要缺陷是气孔。锆非常活泼，应在1.33×10-2Pa以上的高真空中进行焊接。焊前严格清洗接缝和工件预热有利于消除气

1.镁合金

镁合金焊接和铝合金焊接出现的问题相似。主要有以下方面：

1）粗晶。焊缝及近缝区金属容易产生过热和晶粒长大。

2）氧化与蒸发。镁极易氧化，形成氧化镁，在熔池中形成细小片状夹渣，高温下，镁与氮化合生成镁的氮化物，使焊接接头性能降低。

3）热应力。镁及镁合金热膨胀系数大，焊接过程中产生较大的焊接应力和变形。

4）焊接裂纹。镁与一些合金元素（Al、Ni、Cu）会形成低熔点共晶体，导致焊缝产生热裂纹。

5）由于合金中镁和锌在真空的蒸气压很高，易于产生气孔，当镁合金中锌的质量分数大于1%时，甚至难于形成致密的焊缝；镁合金表层吸附气体，焊缝容易产生氢气孔。

镁合金电子束焊主要问题如下：

1）烧穿。液体表面张力低，熔化金属易流失，导致烧穿，提高焊接速度可以防止烧穿。

2）焊缝气孔。降低焊接速度或电子束扫描焊接有助于消除气孔；防止烧穿和防止气孔的措施相互矛盾，致使镁合金电子束焊的焊接参数范围很窄。

3）高压放电。镁合金易挥发，金属蒸气易引发高压放电。

2.铜和铜合金

（1）铜和铜合金焊接工艺特点主要特点如下：

1）铜的热导率大，纯铜约为低碳钢的6～8倍，散热快，易造成焊接热量流失，必须采用大功率大热输入的热源进行焊接。

2）铜、铜合金中合金元素极易氧化，铜与氧结合生成氧化铜Cu₂O，铜锌合金中的锌易烧损氧化形成ZnO；导致焊缝的化学成分变化，降低接头性能；铝青铜在焊接过程中，铝极易氧化生成高熔点的氧化铝，在焊缝中形成夹渣。

3）铜合金中的许多合金元素、杂质及其化合物与铜可以形成低熔点共晶，焊缝容易产生热裂纹。

4）铜合金焊缝容易形成气孔。

5）铜的热膨胀系数大，焊接时产生较大的热应力，焊接热影响区宽，焊接变形严重。

6）铜及铜合金液体流动性好，焊缝成形难于控制。

（2）铜合金焊接主要问题主要问题如下：

1）热裂纹倾向：铜与很多金属元素、杂质、化合物可以形成低熔点共晶，Cu₂O+Cu（1064℃）；Cu+Bi（270℃）；Cu₂S+Cu（1067℃）；Cu+Pb（326℃）；低熔点共晶分布于晶界，造成热脆性，当接头存在较大应力时，易于形成热裂纹。

防止措施：控制材料中合金元素含量；焊缝金属中加入Si、Mn、P等合金元素；降低接头拘束度。

2）焊接气孔：铜在液态条件下可以溶解大量氢、氮气等，由于铜散热快，熔池存在时间短，凝固过程中过饱和溶解的气体来不及逸出，形成气孔。

①铜与铜合金液、固态温度下氢（氮）的溶解度差别极大，结晶时氢（氮）气逸出形成气孔。

②熔池中氢与Cu₂O反应生成水蒸气；或CO与Cu₂O反应生成CO₂；结晶时气体逸出形成气孔。

③熔池中低熔点元素Zn、P挥发形成气孔。

防止气孔工艺措施：减少氢氧含量，电弧保护，防止氮气进入熔池；填充金属尽量减少低熔点合金元素；采用含Mn、Si、Al、Ti强脱氧剂元素的填充金属；高温预热，焊后缓冷延长熔池存在时间；磁力搅拌熔池。

3）接头性能弱化，主要表现如下：

①焊接热循环下焊缝晶粒长大、杂质增加、合金元素烧损、蒸发，导致接头性能变化。

②杂质、合金元素进入焊缝，致使接头导电性下降；HAZ晶粒粗大、晶界存在杂质、低熔共晶，致使接头塑性韧性下降；焊接时Zn、Mn、Ni、Al、Sn元素烧损使某些铜合金的耐腐蚀性降低。

防止性能弱化措施：控制热输入，防止过热；限制填充金属中杂质元素含量；向焊缝添加烧损的合金元素。

（3）电子束焊工艺问题电子束热量集中，能量密度高，对于厚40mm的铜板，采用电子束焊所需要的热输入是自动埋弧焊所需热输入的1/5～1/7。焊缝横断面积是其1/25～1/30。

焊接铜合金可能发生的主要缺陷是气孔。对于厚度为1～2mm的薄铜板，焊缝中不易产生气孔。对于厚度为2～4mm的铜板，焊接速度应低于34cm/min，可以防止产生气孔。厚度大于4mm时，焊接速度过慢会使液体金属流失，焊缝成形变差。增加装配间隙、焊前预热和重复施焊都是减少焊缝气孔的有效措施。

为了减少金属的蒸发，对厚度为1～2mm的铜板，电子束焦点应处在工件表面以上、对厚度大于15mm时，可将电子枪水平放置进行横焊。

3.难熔金属

钨、锆、铌、钇、钽等属难熔金属。钨及其合金焊接时，对杂质敏感，使延性降低；接头加工制备和清洗是非常重要，清洗后应进行除气处理，在高于1.33×10^-3Pa的真空度下，将工件加热到1370K，保温1h，随炉冷却。由于凝固和再结晶时易形成粗大的晶粒，使塑性降低；焊接时宜采用小热输入，减少热输入，防止生成粗大的组织；接头设计应尽量避免应力集中，防止产生裂纹。预热是防止钨接头冷裂纹的有效措施，预热温度可选为700～1000K，对于粉末冶金钨的焊接，速度低于50cm/min时才不需进行预热。对W-25Re合金，预热可提高焊接速度25～170cm/min，并降低热裂倾向。锆非常活泼，应在1.33×10^-2Pa以上的高真空中进行焊接。接头制备和清洗是至关重要的；焊后退火可提高接头抗冷裂和延迟破坏的能力。退火条件是在1023～1128K的温度下保温1h，随炉冷却。焊接的热输入与同厚度的钢相近。铌的电子束焊也应在优于1.33×10^-2Pa的高真空下进行。铌合金焊缝中常见的缺陷是气孔和裂纹。采用细电子束进行焊接不易产生裂纹。用散焦电子束对接缝进行预热，有清理和除气作用，有利于消除气孔。钒、铌、钽高温停留时间长，焊缝及热影响区金属晶粒长大严重，脆性转变温度提高；含有较多合金元素时，对焊接热循环更加敏感，焊缝及热影响区析出第二相，使塑性降低；合金杂质含量高，焊缝可能出现气孔、裂纹；减小束斑尺寸，可降低裂纹倾向；散焦扫描，可防止气孔发生。Mo易氧化，与氧、氮能形成氧化物、氮化物，在晶界形成连续的薄膜，塑性严重降低；在热应力下，产生开裂纹。应在高真空（压力≤1.33×10^-2Pa）条件下进行焊接，为了细化晶粒，改善晶界的薄膜分布状态，防止过度脆化，应尽可能降低热输入，减小热影响区宽度，降低接头应力。钼合金中加入铝、钛、锆、铪、钍、碳、硼、钇或镧，能够抑制氧、氮和碳的有害作用，提高焊缝韧性。钢的焊缝中常见的缺陷是气孔和裂纹。焊前严格清洗接缝和工件预热有利于消除气孔。采用细电子束和加快焊接速度有利于消除裂纹。

4.异种金属

异种金属焊接，由于两种金属的晶体结构、理化参数不同或两者的化学成分、微观组织差异，焊接性显著变差。焊接时需要考虑二者的冶金相容性，采取相应的工艺或冶金措施，促使在焊接区内发生有利于两者结合的冶金过程，以期获得性能满意的焊接接头。

异种金属焊接焊缝金属的成分、组织和性能主要取决于两种材料及填充金属在焊缝金属中的比例，两种材料在焊缝中比例与接头形式和焊接方法以及焊接参数有关。因此异种金属的焊接性除了与被焊金属本身的物理化学特性有关之外，在很大程度上取决于焊接方法和焊接参数。异种金属焊接的主要工艺特点有以下方面：

1）异种金属焊接由于二者的物理化学性能差异，焊接接头金属容易产生不连续、不完整和不均匀的缺陷，如裂纹、气孔、夹杂物、接头性能恶化（硬化、软化、脆化）等以及耐蚀性、疲劳强度下降等。

2）异种金属焊接，在形成冶金接头中形成成分、组织和性能与被焊金属完全不同的新的多元合金。当彼此可以形成固熔体的时，两者具有良好的冶金相容性，其焊接性比较好。当异种金属的焊接接头中容易生成金属间化合物时，其冶金相容性变差，通常焊接性也差。两种金属冶金相容性不好，不可避免在焊缝中会生成对接头性能不利的组织如：低熔共晶体或脆性组织，导致接头塑韧性降低，增加裂纹敏感性。

3）异种金属焊接接头中组织和成分的不均匀性与两种材料的合金成分和焊接参数有关。焊接接头中成分和组织的不均匀性，不仅会降低焊接接头的力学性能，而且还导致焊接接头的化学和电化学性的不均匀，在腐蚀环境下引起局部腐蚀以及在焊接内应力作用下导致应力腐蚀开裂。

对于冶金相容性差的异种金属焊接，一般通过添加填充金属，或在两者的结合面中预制一个隔离层或过渡层材料，再进行焊接，用以阻挡或减少母材金属成分的向焊缝金属中的溶解、扩散，避免生成金属间化合物、低熔共晶组织或其他恶化接头性能的组织，改善焊接性；有时直接通过电子束偏移，控制两种金属在焊缝金属的比例，从而避免在焊缝中生成金属间化合物或其他恶化接头性能的组织，降低裂纹敏感性，以改善焊接性。表4-2-1为异种金属间的焊接性。

表4-2-1 异种金属间的焊接性

注：S—两种材料间存在完全固溶，可焊性佳；C—两种材料间会出现复合组织，尚可焊；X—两种材料间会形成金属间相，不可焊；D—尚未做大量焊接研究，问题不明；N—尚无焊接案例。

其他金属的优质焊接技术

相关推荐