關鍵詞：304不銹鋼、310S不銹鋼、銅合金的焊接

一、不銹鋼與銅及銅合金的焊接性

304不銹鋼與銅及銅合金焊接時，主要的問題是：在焊縫及熔合區易產生裂紋。這種裂紋有焊縫熱裂紋和熱影響區滲透裂紋兩種形態。

 

1.  熱裂紋

不銹鋼與銅及銅合金焊接時，焊縫金屬中易產生熱裂紋。產生焊縫熱裂紋的原因在于，不銹鋼與銅及銅合金熔合的合金體系成分復雜，還含有硫、磷、氧等多種雜質，因而在熔池結晶過程易出現低熔點共晶體，包括Ni+NiS之類（其熔點溫度為625℃)，削弱了高溫時的晶間結合能力。不銹鋼和銅及銅合金的線膨脹系數大，因而焊后的變形和應力大，這是裂紋傾向大的又一個原因。此外，碳鋼、不銹鋼與銅及銅合金的熱導率相差較大，因此在焊接過程中的溫度場不對稱，因而應變、應力場也不對稱，也可能對產生焊接接頭裂紋有影響。當以不銹鋼或銅及銅合金為填充材料直接進行熔化焊，焊縫金屬中鐵的質量分數又較低（如0.2%～1.1％)時，焊縫金屬的抗熱裂紋性能較差；焊縫金屬中鐵的質量分數增加到10％～43％時，焊縫金屬具有良好的抗熱裂紋性能；但是進一步提高焊縫金屬中鐵的質量分數，其抗裂性卻迅速下降。

 

根據所選用焊接材料及熔合比的不同，不銹鋼與銅及銅合金焊接時，焊縫金屬中會出現Fe、Cu、Ni的不同比例。在適當比例的情況下，也會提高焊縫金屬的熱裂紋敏感性，如圖1所示。Cu-Ni填充金屬鐵或鎳或者兩者的共同稀釋率必須控制在5%以下。這種限制通常也可以用于其他Cu填充金屬。

圖1    焊縫金屬中Fe、Cu、Ni的

 

不同比例對熱裂紋敏感性的影響在船舶結構中有時會遇到Cu-Ni合金與碳鋼或不銹鋼的焊接。這時也可以采用Ni或Ni-Cu填充金屬在碳鋼或不銹鋼的表面上堆焊隔離層以限制焊縫金屬受到鐵的稀釋。然后，可以采用Cu-Ni或Ni-Cu填充金屬來焊接該接頭，填充金屬的選擇取決于使用要求。預熱溫度不應超過66℃。

 

還可以采用Ni填充金屬在Cu-Ni合金上堆焊隔離層，然后，采用Cu-Ni或Ni-Cu填充金屬來焊接該接頭。

 

2.  熱影響區滲透裂紋

不銹鋼與銅及銅合金焊接時，在與液態銅及銅合金相接觸的鋼中，易產生滲透裂紋。滲透裂紋是指低熔點合金液體向固態合金的縫隙甚至晶間滲透，使之喪失應變能力而導致的裂紋。在高溫時形成的裂紋可能以單條出現，也可能沿晶界呈網狀分布，其長度在幾微米到幾十微米之間。不銹鋼與銅或銅合金焊接時，不銹鋼熱影響區之所以產生滲透裂紋是由于液態銅或銅合金對鋼的滲透作用和焊接應力共同作用的結果。處于液體狀態的銅及銅合金，如果固相鋼的微裂口（或晶界)表面是活性的，銅則會浸潤到微觀裂口的表面，并通過毛細管效應，慢慢向微觀裂口中滲透。在整個滲透過程中，也伴隨著鋼在銅及銅合金液體中溶解度的增加和銅沿鋼晶界的滲透，在微裂口中產生一個附加應力。另一方面焊縫從冷卻瞬間開始，在焊接接頭中就出現拉伸應力，并且這種應力隨著不斷冷卻而增加。微裂口在這兩種應力作用下，最后發展成為熱影響區滲透裂紋。

 

不銹鋼的組織狀態對滲透裂紋有很大的影響。液態銅及銅合金浸潤奧氏體，但不浸潤鐵素體，所以鐵素體的存在將使銅及銅合金的滲透力降低。因此，不銹鋼與銅及銅合金焊接時，含有奧氏體加鐵素體組織的18-8型不銹鋼與單一奧氏體組織的06Cr25Ni20鋼相比較，18-8型不銹鋼具有較高的抗熱影響區滲透裂紋的能力。

 

銅焊絲中含錫，其滲透力更強；而鎳則有減弱銅對鋼滲透力的作用。

 

3.  焊接接頭力學性能的降低

不銹鋼與銅及其合金焊接采用銅基焊接材料時，一般不使鋼母材熔化，而焊銅的溫度正好是不銹鋼敏化溫度，這將導致不銹鋼近縫區碳化物在晶界的析出而出現貧鉻現象，大大降低不銹鋼的耐晶間腐蝕性。而銅基焊縫金屬及銅母材會發生晶粒長大，而降低焊接接頭的強度和塑性。

 

二、不銹鋼與銅及銅合金的焊接材料

從金屬學和實踐經驗可知，鎳或鎳基合金是不銹鋼與銅及銅合金焊接的****的焊接材料和過渡材料。一方面，Cu與Ni無限固溶；另一方面，Ni與Fe也有良好的焊接性。

 

1.  焊接材料間的適應性

鋼與銅及其合金的焊接，往往需要借助于過渡層材料，有時可能不只一層過渡層，而可能是兩層以上的過渡層。這就不僅要求第一層過渡層材料要與母材有合適的配合，還要求不同層次的過渡層材料之間及與另一側母材也要匹配得當，不能出現嚴重的缺陷。碳鋼和不銹鋼與銅及銅合金進行熔化焊時就有這種情況，不僅銅或鋼需要過渡層，而且有時還需要兩層以上的過渡層。這就需要過渡層材料之間的合理配合。

 

2.   不銹鋼與銅及銅合金熔化焊時的焊接材料的選擇

表1給出了碳鋼或不銹鋼與銅及銅合金熔焊時焊接材料的選擇。

表1    碳鋼或不銹鋼與銅及銅合金熔焊時焊接材料的選擇

選擇焊接材料時應考慮如下幾點。

(1)防止熔合不良    在用銅合金作鋼與Cu及Cu合金的焊接材料時，由于Cu與Fe的熔點不同，而且又難以固溶，因而容易造成熔合不良;又由于Cu的導熱性高，Cu及Cu合金自身也會造成熔合不良。為此，采用對Cu和Fe都有良好作用的蒙乃爾合金(Ni-Cu合金)、白銅(Cu-Ni合金)、Cu-Si-Mn合金或鋁青銅(Cu-Al合金)作焊接材料可以避免造成熔合不良。

 

(2)防止產生裂紋及耐蝕性下降    采用銅合金作鋼與Cu及Cu合金的焊接材料時，由于Cu與Fe為有限溶解，因而用Fe系焊接材料焊接Cu及其合金容易產生裂紋，所以幾乎不用Fe系焊接材料焊接Cu及其合金。而Cu與Ni和Fe與Ni都無限固溶，因此焊接Cu及其合金一般都用Ni及其合金，主要是蒙乃爾合金或純Ni。

鋼與Cu合金焊接時，可以采用對鐵固溶度較高的白銅(Cu-Ni合金)或Cu-Si-Mn合金或鋁青銅(Cu-Al合金)作焊接材料。另外，鋼與純Cu焊接時，也可以采用這些作焊接材料。

以Cu合金作焊接材料時，若焊縫金屬被鋼過度稀釋，就會降低焊接接頭的抗裂性及耐蝕性。超過在銅中固溶度的鐵就會在銅焊縫中析出，而顯著降低耐蝕性。為了防止這種現象的發生，在鋼側先堆焊一層Ni合金是很必要的。對于堆焊和復合板的焊接，也應采用這一方法。

 

(3)銅焊縫金屬向鋼的焊接熱影響區晶界擴散滲入    采用銅合金作為焊接材料在鋼上堆焊或者進行銅-鋼的焊接時，會發生焊縫金屬向鋼的焊接熱影響區晶界擴散滲入的現象，如果是奧氏體不銹鋼母材，這種現象更加嚴重，滲入深度可達數毫米，即使是鐵素體母材也會滲入數百微米。產生這種滲入現象的地方會附加一種彎曲應力，屢屢會引起產生裂紋。

為了防止銅焊縫金屬向鋼的焊接熱影響區晶界擴散滲入的現象，采用蒙乃爾合金或Ni作為中間層是行之有效的措施。但也有不能用蒙乃爾合金或Ni作為中間層的情況。比如，用Al青銅作為焊接材料時，就不能用蒙乃爾合金或Ni作為中間層，因為這時焊縫金屬很容易產生熱裂紋。用Al青銅作為焊接材料來焊接Ni合金也容易產生熱裂紋。

 

3.  焊接材料的選擇應該說明的幾個問題

1)采用鋁青銅焊接材料可以焊接鋁青銅與碳鋼或不銹鋼的接頭。預熱及層間溫度取決于鋼的種類，還取決于鋼的淬透性。碳鋼及低合金鋼的預熱溫度為150～260℃;不銹鋼的預熱溫度不應高于66℃。

 

2)采用黃銅焊接材料或焊接黃銅時，由于焊接加熱Zn被激烈蒸發，焊接性惡化，并發出劈劈啪啪的響聲，焊接接頭強度受損。為此，在采用TIG焊接時，黃銅中Zn的質量分數應低于20%，以減少煙塵和氣孔。可以采用焊接鋁青銅與碳鋼或不銹鋼的工藝。

 

3)采用白銅(Cu��Ni合金)焊接材料時，如果焊縫金屬被Fe稀釋較大，裂紋敏感性就增高。

 

4)Cu與Fe的固溶度很低，太大的熔深，將使Fe從焊縫金屬中析出，容易產生裂紋。Ni和Cu無限固溶，不易產生裂紋，因此在鋼與銅及銅合金的熔化焊時，可以用Ni或蒙乃爾作為過渡層的焊接材料。但是對于含Al的Al青銅來說，采用Ni含量高的焊接材料(如YCuNi-3、YNiCu-7、YNi等)，則容易產生裂紋。

 

二、不銹鋼與銅及銅合金的焊接中應采取的措施

1.  防止熔合不良的措施

1)加大坡口角度。

2)在鐵基母材或銅基母材或兩種母材的坡口邊緣堆焊改善焊接性的材料。

3)選用適當的預熱及層間溫度，見表2。

表2    銅合金焊條電弧焊接時合理的預熱和層間溫度（單位：℃）

 

注：1.  氣體保護焊時選用最低溫度。

       2.  預熱溫度應根據實際情況而變。

       3.  預熱和層間溫度應根據母材的焊接性及所選用的焊接材料而變。

4)應盡可能采用平焊，因為平焊的稀釋率比立焊小，見表3。

銅合金的熔點較低，與鐵系材料組合進行異種金屬焊接，采用銅合金焊接材料時，為了改善其潤濕性，可以加大熔敷金屬的重疊。銅合金的高導熱性也容易形成熔合不良。

 

當然，上述工藝措施還必須采用適當的焊接參數(焊接電流、電弧電壓、焊接速度)。

 

通常多用氣體保護焊，比較多的是TIG焊，用氬氣作保護氣體。如果是鋁青銅材料，在進行TIG焊時，應采用交流電源。這種情況下Al2O3是造成熔合不良和夾雜的原因，采用交流電源，利用其陰極破碎作用可以改善。

2.  防止鐵的過度稀釋

前面已經講過，鐵對銅焊縫金屬的過度稀釋，容易形成熱裂紋及降低耐蝕性，這種現象主要是鐵的過度稀釋使鐵在銅系焊縫金屬中析出引起的。為克服這一弱點，可采取如下措施。

 

1）采用小熱輸入，以及在鐵側焊敷中間層。

2）采用平焊，見表3。

表3    銅合金復合鋼板對接焊位置與鐵的稀釋率之間的關系

為了降低鐵的稀釋率，當然有必要采用小熱輸入。特別是對復合鋼板來說，為了確保覆層的耐蝕性，應采用多層焊。

 

3.  防止銅系焊縫金屬向鐵系母材焊接熱影響區晶界滲入

如前所述，銅系焊縫金屬很容易向鐵系母材焊接熱影響區晶界滲入，特別當母材是奧氏體不銹鋼時，這種現象更加嚴重。一般來講，焊接熱影響區晶粒越粗大，這種現象越嚴重。為了防止銅系焊縫金屬向鐵系母材焊接熱影響區晶界滲入，在鐵系母材被焊處用Ni基合金(純Ni或蒙乃爾合金)堆焊一層過渡層是很有效的。

 

4.  焊后熱處理

銅合金焊接接頭一般是不需要進行焊后熱處理的，但是在與鐵系材料(如厚板低碳鋼或低合金耐熱鋼等)焊接時必須進行焊后熱處理。這時焊后熱處理的條件應以鐵系材料的需要而定，并考慮如下幾點。

 

1)銅基合金或Ni基合金一般都存在一個高溫脆性區，應避免在該脆性區加熱、保溫。蒙乃爾合金、白銅、Cu-Si-Mn合金等在600℃以上就出現脆化傾向。若在這個溫度區加熱，就會發生強度升高、塑性降低的現象。

 

2)鋁青銅，特別是含Al較高[w（Al）>9.5%]時，將呈現α+β雙相組織，長時間的熱處理會變為α+γ2相，這個γ2相硬而脆，耐蝕性特別差，因此用鋁青銅焊接時，應盡量避免長時間的熱處理。

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