异种材料电阻点焊毕业论文终稿

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1、不锈钢与低碳钢点焊工艺与接头分析 学生姓名：班级： 指导老师：摘要：本论文主要研究低碳钢与不锈钢的焊接工艺，即异种材料的焊接工艺研究，为异种材料低碳钢和不锈钢的焊接提供理论基础和试验基础。主要采用的焊接方法为电阻点焊。不锈钢及低碳钢中含有合金元素和杂质，在焊接过程中易形成各种低熔点共晶体和脆性化合物，严重削弱了金属在高温时的晶间结合力。由于低碳钢导热系数比不锈钢大得多，需采用大功率热源，因此热影响区宽，使接头承受较大应力，焊缝易产生热裂纹。 通过焊接检验可知，焊缝具有良好的性能；经金相检验，焊缝内部组织均匀。关键词： 低碳钢 不锈钢 点焊工艺 接头分析 指导老师签：26AbstractThis

2、 paper studies in low carbon steel and stainless steel welding technology, Namely dissimilar material of welding technology research for the dissimilar materials low carbon steel and stainless steel welding to provide the theoretical foundation and experimental basis. The mainly welding process is t

3、ungsten inert gas arc welding .Stainless steel and low carbon steel alloy containing elements and impurities, in the welding process in the formation of low-melting-eutectic and brittle compounds, severely weakening the metal in the temperature of crystallization binding force. Thermal conductivity

4、of low carbon steel due to greater than stainless steel, to use high-power heat, the heat-affected zone width, the larger joints under stress, thermal weld cracks easily. Through welding inspection, we can see that Weld has a good performance, the metallographic examination, the internal organizatio

5、n of uniform weld. Key words： low carbon steel stainless steel welding technology metallographic analysis目 录第1章 绪 论1.1 课题研究的目的及意义11.2 焊接技术概述1第2章 不锈钢、低碳钢的焊接基础理论2.1 焊接冶金过程特点42.2 焊接接头的组织与性能42.2.1 对焊缝金属的研究52.2.2 熔合区的构成与特点62.2.3 热影响区72.3 低碳钢热影响区的组织分析82.4 低碳钢和不锈钢的焊接性理论分析82.4.1 金属可焊性概念82.4.2 金属焊接性化学分析方法92.

6、5 不锈钢的焊接性分析102.6 低碳钢的焊接性分析112.7 低碳钢和不锈钢在国内外的发展现状142.8 异种金属材料焊接存在的技术问题及缺陷14第3章 实验方法材料与设备3.1 引言163.2 试材料选择163.3 实验设备18第4章 实验结果及分析4.1 焊接接头金相组织分析内容194.2 实验数据194.3 焊接中存在的问题204.4 金相分析204.4.1 金相组织分析204.4.2 焊点显微硬度分布214.4.3 失效焊点断口分析224.4.4 接头分析224.4.5 热影响区23结 论25参 考 文 献26致 谢27第1章 绪 论 1.1 课题研究的目的及意义 随着经济的迅速发展

7、和科学技术的不断进度，新材料、新工艺、新设备不断涌现，对零部件的性能提出了更高的要求。异种金属材料的焊接技术已逐步被熟练掌握并广泛应用到化学工程、航空航天、造船、核工程、异种材料等各个领域，如航天发射架装置、齿轮轮齿与轮辐材料的链接等应用。因此，异种材料焊接技术越来越受人们的重视。采用不锈钢和低碳钢的复合零部件，因在性能与经济上优势互补，具有广阔的应用前景。 本课题的研究，就是为了充分利用不锈钢和低碳钢这两种金属在比重、强度、比强度、抗拉强度、经济性、耐蚀性和热强性等方面的各自优点，实现它们之间的彼此连接，从而形成重要的复合构件，而且大大节省材料，降低成本，在航天、石油化工、电站锅炉、核动力、

8、造船及其他一些领域获得越来越广泛的应用。异种金属焊接复合构件的特点是：能够最大限度地利用材料的各自优点，受到“物尽其用”的效果。可使其不同部位处于不同的温度、压力、载荷、介质等工作条件。复合构件不仅能满足使用性能的要求，而且在经济上也相当合理。显然，把异种金属零件连接成一个整体部件，焊接常常是最好的方法，所以异种合金焊接技术就成了关键。 本文在对异种材料焊接（低碳钢与不锈钢的焊接）选用的焊接方法为电阻点焊进行研究与讨论，并得出在何种参数下形成的焊接接头强度及性能更加优质，其结果对异种材料焊接接头质量及成型有着重要的意义。1.2焊接技术概述 焊接技术，又称连接工程，是一种重要的材料加工工艺。所谓

9、焊接就是把两种或两种以上的材料（同种或异种），通过加热或加压或两种并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。焊接与其他连接方式不同，不仅在宏观上形成了永久的接头，而且在微观上建立了组织上的内在联系1。 由于焊接方法具有节省金属，生产效率高，产品质量好和大大改善劳动条件等优点，在半个世纪内得到飞速发展。近代焊接技术，从1882年出现碳弧焊开始直到本世纪30年代，在生产上还只是应用气焊和手工电弧焊等简单的焊接方法。尤其是四十年代，出现了优质电焊条，使焊接技术得到一次飞跃。以后随着埋弧焊和电阻焊的应用，使焊接过程的机械化和自动化成为现实。后来又出现电渣焊，各

10、种气体保护焊，直到六十年代发展起来的等离子弧焊、电子束焊、激光焊接等先进的焊接方法的涌现，使焊接技术达到了一个先进的水平。近年来又在研究能量束焊接，例如太阳能焊接、冷压焊接等新的焊接方法。可以说焊接方法层出不穷。 金属材料在焊接时要经受加热、熔化、化学反应、结晶、冷却、固态相变等一系列复杂的过程，这些过程又都是在温度、成分及应力极不平衡的条件下发生的，有时可能在焊接区造成缺陷，或者使金属的性能下降而不能满足使用时的要求。金属本身的物理性能、化学性能和力学性能，都不足以直接说明它在焊接时可能出现什么问题或焊接后能否满足使用要求。 金属焊接性就是金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能

11、的焊接接头的特性。金属焊接性包括两大方面内容，一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。这说明，焊接性不仅包括结合性能，而且包括结合后的使用性能2。 从理论上分析，只要在熔化状态下能够相互形成溶液或共晶的任意两种金 属或合金都可以经过熔焊形成接头。同种金属或合金之间当然是可以形成焊接接头的。许多异种金属或合金之间也是可以形成焊接接头的，只是有时是需要通过中间过渡层的。因此，可以认为上述几种情况都可以看作是“具有一定焊接性”的。差别在于有的工艺过程很简单，有的工艺过程很复杂；有的接头质量高、性能好、有的接头质量低、性能差。所以，金属焊接工艺过程简单而有

12、接头质量高、性能好时，就称作焊接性好；反之，就称焊接性差。 所谓工艺焊接性，是指在一定焊接工艺条件下，能否获得优质、无缺陷的焊接接头的能力。对于一般熔焊来讲，焊接过程都要经历加热熔化、冶金反应和随后冷却过程。因此，工艺焊接性又分为“热焊接性”和“冶金焊接性”。热焊接性是指焊接热过程中，对焊接热影响区组织性能及产生的缺陷的影 响程度，它用于评定被焊金属对热作用的敏感性；冶金焊接性是指冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度。 所谓使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足各种使用性能的程度，其中包括力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度，以及抗腐蚀性能和耐腐蚀性能等。 焊接性的提出

13、为判断材料能否适应焊接加工，提供了可靠的依据。现阶段，用来判断可焊性的方法很多，如可以直接采用焊接试验，也可以通过分析金属的化学成分、物理特性、与各种气体的亲和力、相图特点，CCT图或SCCT图、热处理状态、焊接工艺条件、保护方式、工艺措施等来评价焊接性。 低碳钢的又称软钢，含碳量从0.10至0.30%低碳钢易于接受各种加工如锻造,，焊接和切削， 常用於制造链条， 铆钉， 螺栓， 轴等。碳含量低于0.25%的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，故又称软钢。它包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢，大多不经热处理用于工程结构件，有的经渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件。 奥氏体不锈钢是生

14、产中最常见的一种不锈钢，其主要合金成分为Cr和Ni。密度（20）8.03 g/cm3，比热容c 0.50(J/g ) (0100)，热导率(100) 0.16w/(cm)，线膨胀系数16.7(10-6/)，一般来讲，只有(Cr)12%时才能在大气环境下不发生腐蚀，增加Ni或提高Cr含量，耐腐蚀性或耐热性均可以提高。 焊接裂纹是金属焊接时产生的主要缺陷，是在焊缝中的应力大而该部分的塑性变形能(即延伸性)小的情况下产生的。焊接裂纹产生的主要原因，通常随发生场所、发生时期及其形态的不同可有冷裂纹和热裂纹两种。焊接金属裂纹主要由焊接金属凝固时的收缩应力所引起。 评定母材焊接性优劣程度的试验称为焊接性试

15、验。其主要内容有：焊接热裂纹试、焊接冷裂纹试验、焊接热裂纹和层状撕裂试验、焊接热影响区缺口脆性试验和焊接接头的使用性能试验。 随着人类社会对物质文明的追求、各种新型材料的不断开发及科学技术的不断发展，焊接技术已成为一门独立的科学。它广泛地应用于石油化工、电力、航空航天、海洋工程、核动力工程、微电子技术，桥梁、船舶、舰艇，以及各种金属结构等工业部门。而可焊性是焊接的首要条件，可以预料，随着焊接工业的发展，焊接将会向着更加高效、环保、新型的方向发展。第2章 不锈钢、低碳钢的焊接基础理论2.1焊接冶金过程特点 熔焊时，金属、熔渣与气相之间进行一系列的化学冶金反应，如金属氧化、还原、脱硫、脱磷、参合金

16、等。这些冶金反应可直接影响焊缝的成分、组织和性能。近年来，通过焊接材料向焊缝中加入微量合金元素（如Ti、Mo、Nb、V、Zr、B和稀土等）、适当的降低寒风中的碳、最大限度的排除焊缝中的硫、磷、氧、氮、氢等杂质强化焊缝，提高焊缝的韧性。 焊接冶金过程实质上是金属在焊接条件下的再熔炼过程，具有下列特点：焊接过程中，温度高，液体金属蒸发，化学元素烧损，有些元素在焊缝金属和基体金属之间相互扩散，近缝区各段所处温度又不同，冷却后焊接区的显微组织差别极大。焊缝金属由柱状晶组成的铸态组织，母材热影响区是在不同峰值温度焊接热循环作用下产生梯度性组织特征。明显的组织差异影响着接头的性能3。随着焊接热源离开，经过

17、化学冶金反应的熔池金属就开始凝固结晶，金属原子有近程有序变为远程有序排列，即有液态转变为固态。对于具有同素异构转变的金属，随温度下降，将发生固态转变。例如钢铁材料，将发生转变。因焊接条件是快速连续冷却，并受局部拘束应力的作用，因此，可能产生偏析、夹杂、气孔、热裂纹、冷裂纹、脆化等缺陷。2.2焊接接头的组织与性能 焊接中应用的焊接方法不同，形成焊接接头是不同的。但熔化焊焊接接头，从宏观上说，都有熔化焊缝、热影响区及母材三部分，在焊缝和热影响区中间存在过渡区，称为熔合区3。在微观上，具体划分方法如图2-1：图2-1 焊接接头金属区域组成示意图1完全混合区 2不完全混合区 3部分熔合区 4纯热影响区

18、 5焊接边界 6母材2.2.1 对焊缝金属的研究 焊缝金属由熔化的母材和填充材料组成。焊接时，焊缝金属由高温液态冷却至常温固态，要经过从液相转化为固相的一次结晶过程和在固态焊缝金属中进行的同素异构转变的二次结晶过程，从而使焊缝金属具有如下特点：（1）存在铸造缺陷 焊接的冶金过程与铸造相似，因此它也存在一般铸造中常产生的气孔、夹渣、偏析和晶粒大等缺陷。其晶体总是垂直于焊缝金属边缘向焊缝中心成长，最终形成粗大的柱状晶，具有很强的方向性，利于杂质偏析和热裂纹的形成。由于晶粒粗大，故其塑性和韧性一般较母材差。（2）焊缝中存在杂质 此处的杂质不是熔渣，因为熔渣相对密度小，易浮于表面。焊缝中的夹杂主要是指

19、熔池冶金反应中生成的氧化物和硫化物等颗粒，由于结晶过程凝固较快，来不及浮出而残存于焊缝内部。低碳钢中的夹杂物一般为硅酸盐、主要是SiO2，呈弥散状态分布，对焊缝的危害较大。（3）焊缝中的偏析 熔池的结晶过程是一种不平衡过程，由于冷却速度快，焊缝金属中的元素来不及扩散而造成化学和成分分布不均匀，这种溶质元素偏离其平均浓度的不均匀分布称为偏析。焊缝中的偏析既表现晶内与晶界，又表现焊缝边缘与焊缝中心以及每层焊波之间。根据焊接过程的特点，焊缝中的偏析主要有显微偏析、区域偏析和层状偏析等。 显微偏析是指晶粒内部和晶粒之间的化学成分不均匀。一般情况下，合金元素含量越高，就越出现显微偏析。 区域偏析是指焊缝

20、中心部位的杂质较其他部位的高。通常窄而深的焊缝区域偏析较宽而浅的焊缝区域偏析严重。区域偏析不但影响性能，而且产生热裂纹。层状偏析是指柱状结晶方向上杂质浓度的差别。这种偏析会使焊缝性能不均或诱发裂纹。（4）焊缝中的杂质元素硫和磷 硫主要以FeS和MnS形式存在于焊缝中，硫会以熔点为985的的Fe+FeS和熔点为940的FeO+FeS低熔点共晶物，呈片状或链状析集于晶界，从而促生热裂纹，并使韧性下降；还可与Ni形成Ni+Ni3S2共晶物，其熔点仅645，危害更大。 焊缝中的P主要以Fe2P和Fe3P形式存在，且可以生成熔点为1050的Fe+Fe3P和熔点为880的Ni+Ni3P低熔点共晶物。故P也

21、是热裂纹的促生元素，而且还使韧性特别是低温韧性下降。P主要来自焊接材料和母材。 焊缝中的S主要来自焊接材料。为此，对焊接材料中的硫均有严格限制。碱性焊条的脱硫效果由于酸性焊条。（5）焊缝金属的力学性能 焊缝金属是由焊接材料与部分母材经过熔化冷凝形成的铸造组织，它是由母材开始垂直于等温线方向（最大温度梯度的方向）结晶长大的。单层焊的组织是典型的柱状组织。在多层焊时，对前一道焊缝要重新加热，其加热超过900的部分，消除了柱状组织，并使晶粒细化，故焊缝金属的力学性能较单层好。2.2.2 熔合区的构成与特点（1）熔合区的构成 熔合区即焊接接头中焊缝向母材热影响区过渡的区域，由熔合线两侧的半熔化区（不完

22、全混合区）和未混合区（部分熔合区）两部分所组成，如图2-1所示。 半熔合区是紧邻热影响区侧固液共存的部位。它的产生，一是由于电弧吹力和熔滴过渡可能造成的坡口熔化不均匀；二是由于母材晶粒的取向不同所造成的熔化不均匀；再有就是母材各点熔质分布不均匀而形成的理论熔点和实际熔点差异造成。可见熔化过程的复杂性是导致出现半熔化区的主要原因。未混合区（不完全混合区）是焊缝中紧邻焊缝边界的部位。它主要由焊接时熔化在凝固的母材所组成，而未与熔化填充金属完全相混合，因此实际就是负极母材成分的焊缝区。 它的形成是由于熔池边缘的温度较低，使对流与扩散过程进行困难，从而导致母材与填充金属不能很好的混合。母材与填充金属成

23、分差异越大，未混合区越明显。如果填充金属成分与母材成分完全相同，未混合区会消失。（2）熔合区的特点 温度处于固相线和液相线之间。这个区域的金属处于局部熔化状态，因此，尽力十分粗大，化学成分和组织都极不均匀。此区靠近母材一侧的金属组织属于过热组织，塑性很差。对于低碳钢，固相线和液相线之间的温度区间很小，在各种熔化焊条件下，这段区域很窄，金相观察实际上很难区分出来，但对焊接接头的强度、塑性却有很大影响。由于化学成分和物理化学性能不同，故该区焊接残余应力也大。 熔合区有两高一低的特点，即残余应力和硬度高，而韧性低。在熔合线附近部位往往具有焊接接头最低的韧性和最高的硬度。因此，熔合区还常常是脆性断裂和

24、焊接裂纹的发源地，是焊接接头的最薄弱区。2.2.3热影响区 在焊接过程中会，由于受到焊接热循环的作用而发生组织和性能变化的木材部分，称为焊接热影响区（简称HAZ）。 实际上，热影响区各部位是在焊接过程中经受一次特殊的热处理过程。该过程所引起的组织与性能不均匀变化，会给焊接接头造成组多不良影响，如产生硬化、软化或脆化等。 由于焊接热影响区各点被加热的温度不同，它们的组织和性能也不同。热影响区某点被加热的最高温度以及在高温停留的时间长短和随后的冷却速度快慢，决定了该点的组织变化情况。而加热和冷却速度的快慢与焊接方法及焊接规范有关。 通常用于焊接的结构钢，从热处理的特性来看，可分为两大类：一类是在一

25、般焊接条件下淬火倾向较小的钢，例如低碳钢和含合金元素较少的普通低合金钢，称为“不易淬火钢”； 另一类是含合金元素较多或含碳量较高，淬火倾向较大的钢，称为“易淬火钢”。这两类钢的焊接热影响区组织不同。2.3低碳钢热影响区的组织分析 对于强度和碳当量较高的钢，如低碳钢、中碳钢和高强度级别的低合金钢等，在焊接后易产生淬火马氏体组织，属于易淬火钢。这类钢的热影响区可分为3部分。 （1）淬火区 处于Ac3以上的高温区。由于焊后自然冷却较快，容易产生马氏体。在近缝的过热区是粗大的马氏体，特别脆，而在相当于正火温度范围则为细小马氏体，也可能产生贝氏体或屈氏体的混合组织区。淬火组织硬度高，塑性、韧性低，再加上

26、组织不均匀，故易产生冷裂纹。 （2）部分淬火区 或称不完全淬火区，处于Ac1Ac3之间。加热时珠光体变成奥氏体，而铁素体几乎没有变化；冷却下来时，奥氏体转变为高碳马氏体，最后形成块状铁素体+高碳马氏体或某些其他组织的混合体。该区的组织不均，塑性、韧性差，强度也有所下降。 （3）回火区 处于Ac1温度以下。对于原始状态为退火态的易淬火钢不存在此区。若原始态为淬火态，此区焊后相当于经受了回火处理，会得到不同类型的回火组织，其韧性较焊前有所提高；若原始态为调质态，则高于原回火温度处发生软化，强度、硬度有所下降，韧性有所上升，而低于原回火温度处组织和性能不变。2.4低碳钢和不锈钢的焊接性理论分析2.4

27、.1金属可焊性概念 金属焊接性就是金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。 金属焊接性的概念包括两大方面内容，一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。这说明，焊接性不仅包括结合性能，而且包括结合后的使用性能。 从理论上分析，只要在熔化状态下能够相互形成溶液或共晶的任意两种金属或合金都可以经过熔焊形成接头。许多异种金属或合金之间也是可以形成焊接接头的，只是有时是需要通过中间过渡层的。 因此，可以认为上述情况都可以看作是“具有一定焊接性”的。差别只在于有的工艺过程很简单，有的工艺过程很复杂；有的接头质量高、性能好，有的接头

28、质量低、性能差。所以，金属焊接工艺过程简单而接头质量高、性能好时，就称作焊接性好；反之，就称作焊接性差。2.4.2 金属焊接性化学分析方法 （1）碳当量法(Carbon Equivalent) 钢材的化学成分对焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向有直接影响，因此可以用化学成分来分析其冷裂敏感性。各种元素中，碳是对冷裂敏感性影响最显著的一个。因而，人们就将各种元素都按相当于若干含碳量折合并叠加起来求得所谓碳当量（CE或Ceq）用CE或Ceq来估计冷裂纹倾向的大小。 日本JIS和WES采用的碳当量公式为： （2-1）此式适用于低碳钢。其化学成分为：C0.2%或0.18%；Si0.55%；Mn1.5%；Cu

29、0.55%；Ni2.5%；Cr1.25%；Mo0.70；V0.1；B0.006%。当板厚25mm，手弧焊线能量17kJ/cm时，碳当量为0.52%时，对于b=700MPa的低碳钢来说，预热温度为100。 （2）焊接冷裂纹敏感指数 除碳当量外，焊缝含氢量和接头拘束度都对冷裂倾向有很大影响。有人曾对200多种不同成分的钢材、不同的厚度及不同的焊缝含氢量进行试验，求得焊接冷裂纹敏感指数Pc： (%) （2-2）式中 板厚(mm)； H焊缝中扩散氢含量(mL/100g)。此式适用条件：C0.070.22；Si0.60%；Mn0.401.40%；Cu0.50%；Ni1.20%；Cr1.20%；Mo0.7

30、0%；V0.12%；Nb0.04%；Ti0.05%；B0.005%；=1950mm；H=1.05.0mL/100g(GB396583测氢法)。求得Pc后，利用下式即可求出斜Y坡口对接裂纹试验条件下，为防止冷裂所需要的最低预热温度()： () （2-3）2.5不锈钢的焊接性分析 不锈钢和耐热钢的种类繁多，主要以合金成分为Cr和Ni。一般来讲，只有(Cr)12%时才能在大气环境下不发生锈蚀，增加Ni或提高Cr含量，耐蚀性或耐热性均可提高。不锈钢和耐热钢按材料供应状态的组织可分为以下五种类型，即铁素体刚、马氏体刚、铁素体-奥氏体双相钢和沉淀硬化钢。不锈钢的腐蚀形式主要有均匀腐蚀和局部腐蚀，局部腐蚀包

31、括晶间腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等。而奥氏体不锈钢（1Cr18Ni9Ti）熔焊时的焊接缺陷主要有：(1)晶间腐蚀，防止措施：选择超低碳w(C)3mm时建议选用带锻压力的压力曲线，带预热电流脉冲或断续通电的多脉冲点焊方式。选用三相低频焊机焊接。4.低碳钢含（低碳）普通低合金钢属铁磁性材料，当焊件尺寸大时应考虑分段调整规范参数，以弥补因焊件伸入焊接回路过多而引起的焊接电流减弱。5.焊接规范参数，（低碳）普通低合金钢与低碳钢点焊相比，具有焊接电流较小需电极压力较高的规范特点，这主要因为（低碳）普通合金钢具有较大的电阻率和较高的屈服强度所致。这类钢主要作为高强度的焊接结构用钢，因此含碳量限制得较低

32、，在合金成分的设计上也都考虑到了焊接性的要求。所以这类钢焊接时的主要问题和工艺要求基本上与正火钢类似，差别只在于在这类钢是通过调质获得强化效果的，因此在热影响区内，除了脆化外还有软化问题需要讨论。（1）焊缝中的热裂纹低碳钢一般含碳量都较低，含锰量又较高，因此热裂倾向小。一次只要正确地选择相应的焊接材料，焊接热裂纹是不会产生的4。（2）热影响区液化裂纹这种裂纹在一般钢中并不常见，主要发生于这类高Ni低Mn的低合金高强钢中。液化裂纹的产生倾向主要也和Mn/S比有关。含碳量越高，要求的Mn/S比也越高。当含碳量不超过0.2%，Mn/S比大于30时，液化裂纹敏感性较小；Mn/S比超过50后，液化裂纹的

33、敏感性很低。此外，Ni在这方面起着明显的有害作用，因此像HY-80这种钢，由于Mn/S比较低，含Ni量又较高，所以对液化裂纹也必然较敏感。相反，HY-130钢含Ni量虽然比HY-80还高，但由于含碳量很低(0.12%)，含S量也较低（0.01%），Mn/S比高达6090，因此它对热影响区的液化裂纹并不敏感。由此可见，避免这类裂纹的关键在于控制C和S的含量，保证高的Mn/S比，尤其当含Ni量高时，对此要求更为严格5。 此外，线能量与熔池的形状对液化裂纹的形成也起很大的作用。线能量越大，晶粒长得越细，晶界熔化越严重，而且液态晶间层存在的时间越长，液化裂纹产生的倾向也就越大；如果熔合线呈明显的蘑菇状

34、，则由于在熔合线的凹处基本金属过热更严重，因此易于促使裂纹在该处形成，而且裂纹倾向随凹度的增大而提高。为了防止这类裂纹的产生，从工艺上可以采取用小线能量的焊接方法、控制熔池的形状、减小凹度等措施。（3）冷裂纹 这类钢的合金化原理，就是在低碳的基础上通过加入多种提高淬透性的合金元素，来保证获得强度高、韧性好的低碳马氏体和部分下贝氏体的混合组织，由于这类钢的淬硬倾向相当大，本应有很大的冷裂倾向，但由于这类钢的特点是马氏体含量很低，所以它的转变温度Ms点较高，如果在该温度下冷却较慢，则生成的马氏体还能来的及进行一次“自回火”处理，因而实际上冷裂倾向并不一定很大。也就是说，在马氏体形成后如果能从工艺上

35、提供一个“自回火”处理的条件，即保证马氏体转变的冷却速度较慢，则冷裂纹是有可能避免的；若马氏体转变的冷却速度很快，得不到“自回火”效果，则冷裂倾向就必然会增大。（4）再热裂纹从低碳钢的合金系统来看，在为加强淬透性和抗回火性而加的一些合金元素中，大多数是属于能引起再热裂纹的元素，如Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti和B等，其中V的影响最大，Mo次之，而且V和Mo同时加入是就更严重。Cr的影响与含量有关。在Cr-Mo和Cr-Mo-V钢中，当Cr1%时，随着含Cr量的增加再热裂纹的倾向加大；当Cr1%后，继续增加含Cr量时再热裂纹倾向减小。一般认为Mo-V钢，尤其是Cr-Mo-V钢对再热裂纹较敏感；M

36、o-B钢和Cr-Mo钢也都有一定的再热裂纹倾向。（5）层状撕裂 生产这类钢时，由于采用了现代的冶炼技术，对夹杂物控制较严，纯净度较高，因此它的层状撕裂的敏感性较低。例如HY-80、HY-130等钢的层状撕裂敏感性都是很低的，没有报道过有关这方面的问题。（6）热影响区的性能变化 这类钢由于含有较多的固N元素，因此热影响区中不会产生明显的热应变脆化。对调质钢来说，过热区的脆化是一个主要的问题，此外，在Ac1附近还存在一个强度下降的软化区。过热区的脆化 这类钢与热轧和正火钢不同，它的合金化原理是通过提高淬透性来保证获得高强度和高韧性的低碳马氏体和下贝氏体。因此它的含C量很低，一般限制在0.18%以下

37、。对其中一些韧性要求更高的钢，其含C量就更低（如HY-130中C0.12%）。一些强度级别高的钢都存在一个韧性最佳的冷却时间t8/5，这时刚好对应于马氏体+下贝氏体的组织。 实践证明，形成100%的低碳马氏体时，韧性并非最好，而韧性最佳的组织为马氏体+10%30%下贝氏体。当t8/5继续增加时，引起脆化的原因除了奥氏体晶粒粗化引起脆化外，主要原因是由于上贝氏体和M-A组元的形成。这类钢中上贝氏体转变的同时很容易出现M-A组元。当合金化程度增加，奥氏体稳定性提高时，易在贝氏体组织中的铁素体之间形成一些M-A组元。在这类低碳低合金调质钢中当含Ni量较高时，形成的高Ni马氏体，甚至上贝氏体都是具有很

38、好的韧性。因此，增加钢中的含Ni量对近缝区的韧性有很大改善。焊接热影响区的软化 这是焊接调质钢时的一个普遍问题，热影响区内凡是加热温度高于母材回火温度至Ac1的区域，由于碳化物的积聚长大而使钢材软化，而且温度越接近于Ac1的区域，软化越严重，因此对焊后不再进行调质处理的低碳钢来说尤其重要。从强度出发，这是焊接接头的一个薄弱环节，强度级别越高这一问题就越突出。此外，软化的程度和软化区的宽度也与焊接工艺也有很大关系。因此，在制定这类钢的焊接工艺时必须考虑到这一问题。2.7 低碳钢和不锈钢在国内外的发展现状 不锈钢与低碳钢的焊接不仅充分发挥了材料各自的性能和作用，达到了充分利用的目的，而且大大节省材

39、料，降低成本。在航天、石油化工、电站锅炉、核动力、造船及其他一些领域获得越来越广泛的应用。利用不锈钢与非铁金属各自特点的性能，并通过焊接的方法，可制造许多合理的焊接构件，不仅大量节省非铁金属，同时还降低成本。它在石油化工、电力、电子、航空航天和食品工业等行业中得到广泛应用。 不锈钢一般是指含铬量W(Cr)11%-12%、W(C)0.15%的钢材，这个成分是最简单的不锈钢。当对耐腐蚀性要求高时，含铬量必须达到W(Cr)16%以上。由于铁素体不锈钢脆性大，焊接性不好，奥氏体不锈钢除具有良好的耐腐蚀性外，特别是韧性高、焊接性好，而且工作温度范围广，即可以在高温，也可以在低温下使用，因此，应用非常广泛

40、。通常用Ni来获取奥氏体组织，但近来越来越的利用强奥氏体形成元素氮来获取奥氏体组织。奥氏体不锈钢突出的优点是优良的耐腐蚀性。而为了提高其在不同腐蚀环境的耐腐蚀性，对化学成分也要进行适当的调整。以最典型的18-8型Cr-Ni不锈钢为例，加入不同合金元素后其耐腐蚀性发生变化，W(Cr)18%，对于许多类型的环境腐蚀来说，其腐蚀性会大大提高。对于铁素体基体来说，在氯化物环境下，也具有良好的抗应力腐蚀裂纹的能力。2.8 异种金属材料焊接存在的技术问题及缺陷 两种不同材料能否直接形成焊接连接，决定于构成该两种材料的原子或分子之间的相互作用的强弱。两元素之间的相互作用决定于他们的电子层结构、价电子数、原子

41、大小、负电性以及晶体点阵、点阵常数诸因素。一般来说，在液态和固态都形成无限互溶的两种金属之间，能够便利的形成性能良好的焊接连接。液态无限互溶、固态有限互溶的两种金属，无论是共晶型还是包晶型相图结构都是可以形成焊接连接的，不过其性能与两种金属见的组织过度状况相关。形成金属间化合物和间隙化合物中间相的两种合金，也是可以形成焊接连接的，其接头性能大半受到此种化合物性能的影响。异种金属熔焊的主要技术问题： (1)金属物理性能的不同 当两种线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，可能导致产生裂纹，甚至还会导致焊缝与母材金属剥离。因此，焊前对线胀系数小的金属进行预热，或

42、者在线胀系数差异很大的两金属中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。 (2)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接材料的熔化、熔池的形成、焊接区温度场和焊缝结晶过程。熔焊时，通常应将热源位置偏向热导性能好的材料一侧。因此必须吧热源的大部分热量集中到纯铜待焊处一侧，以保证两侧的金属均匀同步地熔化和凝固。 (3)电磁性的差异 在异种金属熔焊时有时会出现焊接电弧片吹，或者电弧燃烧不稳定现象而造成焊缝成形变坏，这是由于两种金属的电磁性相差很大而发生的。一般来说，铜-钢异种金属焊接时，由于铜的热导率比钢的大得多，因而，热源应偏向铜侧。 (4)形成脆性化合

43、物 异种金属焊接时，由于焊缝金属化学成分的多元性和复杂性，除了将形成多种碳化物和氮化物等外，还能析出多种非金属或金属间化合物。 (5)焊接接头难于与母材金属等性能 通常两种不同金属结合在一起会构成腐蚀电偶，因而其耐蚀性要比其中任意金属都低，此外，为了实现异种金属的焊接，往往选用塑性好的焊接材料，以避免焊缝金属开裂或脆化，但可能会降低焊接接头的强度。因此，为了保证异种金属焊接接头具有良好的综合使用性能，往往不得不放弃或降低一些对次要性能指标的要求，这是异种金属焊接是时不可避免的问题。 由此可见，异种金属焊接时需要解决的问题较多，焊接难度也很大，只有选用合理的焊接方法和焊接材料，并正确制定焊接工艺

44、方案，采用一些特殊措施，才能获得优质的异种金属的焊接接头。第3章 实验方法材料与设备3.1引言 在某些工程结构中，如啤酒生产用的糊化锅以及电渣熔铸冷凝器等均出现紫铜与不锈钢的焊接，这样可节约铜材和降低产品成本，因此，对焊接过程中紫铜与不锈钢的化学成分、组织和性能的变化规律，以及各种焊接缺陷的形成机理及影响因素等进行过详细研究。本文指在结合生产实际，对紫铜与不锈钢异种材料的焊接，获得优质接头的焊接方法及工艺进行探讨。3.2试材料选择 试验材料为奥氏体不锈钢(1Cr18Ni9Ti)，奥氏体不锈钢是生产中最常见的一种不锈钢，其主要合金成分为Cr和Ni。密度（20）8.03 g/cm3，比热容c 0.

45、50(J/g ) (0-100)，热导率(100) 0.16w/(cm)，线膨胀系数16.7(10-6/)，一般来讲，只有(Cr)12%时才能在大气环境下不发生腐蚀，增加Ni或提高Cr含量，耐腐蚀性或耐热性均可以提高，不锈钢化学成分如表3-1所示。国产牌号国际牌号CSiMnCrNi其他1Cr18Ni9Ti3210.071.002.0017.019.08.0011.00.50.7表3-1 不锈钢化学成分 试验材料为Q235低碳钢，形状尺寸为150mm20mm1mm，化学成分及力学性能分别如表3-2和如表3-3所示。表3-2 低碳钢化学成分材料名称CSiMnPSQ2350.140.220.30.3

46、0.650.0450.05 表3-3 1Cr18Ni9Ti钢与Q235的物理性能项目密度g/cm3电阻率M.cm比热容103J/(kg*K线膨胀系数热导率W/(mk）0-1000-3160-5380-649Q235碳钢7.58150.511.411.511.511.746.891Cr18Ni9Ti不锈钢7.75570.469.910.111.511.724.913.3 实验设备光学显微镜 三相次级智能型点焊机 微机控制电子万能实验机微机控制电子万能实验机第4章 实验结果及分析 4.1焊接接头金相组织分析内容 金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜

47、的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。将计算机应用于图像处理，具有精度高、速度快等优点，可以大大提高工作效率。 焊接接头金相组织分析，一般先进行宏观分析，再进行有针对性的显微金相分析。 接头宏观组织的显示 宏观组织检查的主要内容是，观察焊接接头的各部组织宏观形态，如柱状晶、等轴晶、树枝晶的结构及分布，焊缝及热影响区的宽度，过热区的宽度，可以从中了解焊接工艺变动时，对热影区宽度的影响，对钢的结晶组织的影响。观察焊缝凝固过程形成的缺陷，如裂缝、气孔、夹渣及母材的融合的非金属夹杂物，或焊后热处理产生的各种缺陷。通过宏观组织的检查、研究焊接接

48、头结晶过程中引起的成分偏析情况。检查焊缝金属与母材的融合情况，显露焊接接头的熔合线的位置。低倍分析，可以了解焊缝柱状晶生长变化形态、宏观偏析、焊接缺陷、焊道横截面形状、热影响区宽度和多层焊道层次情况；断口分析，可以了解焊接缺陷的形态、产生的部位和扩展的情况。4.2实验数据试件号电极端面直径/mm电极压力/kN焊接电流/KA焊接时间/周实验点数合格点数熔核直径/mm拉剪力/kN153.555.910542.45.052254.276.110542.85.130355.348.110554.55.536555.428.310554.45.088655.349.110554.85.442755.43

49、9.110554.95.510855.749.110554.65.505955.819.110544.55.490 实验数据结果分析，在软规范低碳钢与不锈钢点焊，参数规范为：电极压力在5.43KN左右、流大小在9.1KA左右、时间为10周为最佳规范。由低碳钢与低碳钢点焊拉伸实验，最大拉应力为4.92KN，不锈钢与不锈钢点焊的最大拉力为14.4KN，不锈钢与低碳钢异种材料点焊拉伸力的实验结果都在4.92-14.4之间，满足要求。 不锈钢的电阻率大，常温时为低碳钢的5倍：导热率仅为低碳钢的1/2，过热敏感性强；线胀系数大。因此，不锈钢与低碳钢点焊一般采用大的焊接电流，中等的焊接时间这种偏软规范。这

50、是由于一方面可防止 热影响区的晶粒过度长大：另一方面对于较薄的板材点焊来说，硬规范可减小翘曲变形 。试验结果也表明，选用中等偏硬的点焊规范完全可以满足使用性能的要求4.3焊接中存在的问题金属的热导率和比热容强烈地影响着被焊材料的熔化、熔池的形成,以及焊接区温度场和焊缝的凝固结晶。Q235碳钢热导率约为1Cr18Ni9Ti不锈钢的两倍,这么大的差异可使两者的熔化不同步,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。线膨胀系数的差异。由于的线膨胀系数不同,造成它们在形成焊接连接之后的冷却过程中,焊缝两侧的收缩量不同,导致焊接接头出现复杂的高应力状态,进而加速裂纹的产生。Q235

51、碳钢与1Cr18Ni9Ti不锈钢焊接时同样存在焊缝稀释和形成过渡层的问题,导致Q235碳钢一侧焊缝形成脱碳层而1Cr18Ni9Ti不锈钢一侧形成增碳层,随着扩散的持久,使Q235碳钢一侧的含碳量降低,变成了铁素体组织,并使焊接接头的焊缝组织成为奥氏体加铁素体。4.4金相分析4.4.1 金相组织分析低碳钢与奥氏体不锈钢异种金属点焊时,由于两者材料成分上存在较大差异, 点焊时焊核中化学成分扩散不均匀, 点焊接头将会产生不均匀的混合组织。图1为合格焊点的横截面图。不锈钢和超低碳钢各自点焊时, 熔核凝固组织一般为柱状晶组织.从图1可以看出, 这两个异种金属焊接时, 焊核组织很有特点。由于边部温度梯度大

52、, 焊核中仍然存在明显的柱状晶组织, 尤其是在超低碳钢一侧。而在熔核中心, 温度梯度小, 成分偏析大, 主要形成等轴晶。接头的组织从超低碳钢基材到奥氏体不锈钢基材也发生相应变化。超低碳钢基材组织为铁素体和少量渗碳体, 其热影响区为变形铁素体和少量渗碳体; 焊核为马氏体和少量贝氏体, 实际上焊核各部分组织并不一致; 不锈钢热影响区为奥氏体和少量等轴渗碳体,不锈钢基材则为奥氏体组织。 图1 焊点横截面图 4.4. 2 焊点显微硬度分布从不锈钢经过焊点到低碳钢。整个焊接接头的显微硬度分布如图2所示，焊点硬度逐渐减少，在焊核上也是如此。充分体现了焊核中的成分和组织的不均匀性。靠近不锈钢一侧的部分焊核合

53、金元素含量高于靠近超低碳钢一侧的合金元素含量。 图2 点焊街头的显微硬度分布4.4. 3 失效焊点断口分析 对剥离试验失效焊点断口表面用扫描电镜作了分析。焊点超低碳钢一侧和不锈钢一侧断口上均存在指头状凹点, 类似点焊中极易出现的缩孔和气孔, 孔壁均为胞状结构。断口中部气孔外为等轴晶区, 等轴晶区外围是柱状晶, 剪切唇上存在大量空洞, 焊点较疏松。韧窝中的夹杂物为Mn、Si、Al 的氧化物, 等轴晶区均以沿晶界脆性断裂为主, 存在大量裂纹, 如图3所示。低倍观察为一个脆断平面, 处于焊核中心, 由于超低碳钢厚度为不锈钢的两倍, 焊核中心偏向超低碳钢一侧, 焊点拉断后低碳钢侧为凹陷状, 不锈钢侧为

54、凸出状。 图3 端口上观察到的纵向裂纹 可见, 失效焊点内的主要缺陷是孔洞、夹杂和裂纹。黑化钢板焊接时产生较大飞溅, 飞溅包括氧化黑皮和极少量基体金属, 极易导致焊核中熔化金属不能完全填充。一般说来, 焊点中的缩孔在电极压力增加时可以消除.但在点焊工艺试验中, 电极压力增加到3600N时焊点中孔洞仍未消除, 因此这里所产生的孔洞并非单一缩孔。点焊质量较差的钢板表面粗糙度高, 长期存放后表面油锈仅用三氯乙烷清洗难以去除, 且存在较多氧化物夹杂物, 点焊时, 锈中水份焊点分解出氢,溶入焊核, 进入缩孔, 氢分子产生很大压力使缩孔扩大, 严重时导致热裂纹。4.4.4接头分析低碳钢不锈钢低碳钢低碳钢不

55、锈钢 图4 熔核断面宏观形貌从图4可以看出，低碳钢与不锈钢点焊时，在熔合区，低碳钢与不锈钢互溶，由于不锈钢中的Ni含量多，导致熔核部位仍呈现不锈钢的特性。从图4还可看出，在不锈钢一侧产生了增碳层，这是因为焊接过程中存在着碳的扩散迁移。造成碳扩散迁移的主要原因是：1、碳的活度碳原子为间隙型原子，间隙原子比置换型原子的扩散系数要大105106倍。2、合金元素的影响。合金元素通过影响碳的活度系数来影响碳迁移，这主要是因为碳化物形成元素Cr会降低碳的活度系数，而在不锈钢中含有大量的Cr元 素，因此在焊缝处碳的活度系数较小碳会向焊缝中扩散。3、晶体结构对碳的迁移也有一定的作用。碳 在-Fe中的活度系数大

56、于碳在-Fe中的活度系数，因此在冷却过程中，珠光体中的碳就会向奥氏体的焊缝扩散。 4.4.5热影响区 图5 点焊接头热影响区组织 由图5a可看出，不锈钢侧的热影响区组织为奥氏体+-铁素体同时还发现有少量- 马氏体的形成。狭长的马氏体 可以贯穿整 个奥氏体晶 粒，一般不穿过晶界，但可以在晶界的另一侧诱发出新的片铁素体的作用具有双重性。奥氏体不锈钢母材和焊材中一定数量的铁素体（5%15%）对防止焊接热裂纹，提高焊缝抗晶间腐蚀和应力腐蚀能力都有十分重要的作用。由图5b可看出碳钢侧热影响区组织主要是铁素体+珠光体，并且现一定带状组织。结 论1、低碳钢与不锈钢点焊, 需要更高的焊接电流, 增加了焊接飞溅

57、倾向, 也使焊接性能变差。不过对于表面状态较好的钢板, 仍能获得合格的焊点。2、不锈钢的电阻率大，常温时为低碳钢的5倍：导热率仅为低碳钢的1/2，过热敏感性强；线胀系数大，点焊时，熔核向低碳钢偏移。3、由于不锈钢中的Ni含量高于低碳钢，在熔合区不锈钢与低碳钢互溶，性能仍表现为不锈钢的。参 考 文 献1. 刘培基. 电阻焊理论与实践. 北京: 机械工业出版社, 1992: 2224.2. 刘培基. 点焊缝焊质量的控制. 国防工业出版社, 1984.3. 冶金部钢铁研究总院. 钢的金相图谱M. 1975 4. 赵熹华. 薄件点焊熔核凝固组织分析J. 焊接学报, 1994, (2): 8993.5. 张家菊. 汽车车身电阻点焊强度影响因素分析. 焊接技术,1995, 6. 周振丰.焊接冶金学M.北京:机械工业出版社,1995.7. 上海材料研究所.机械工业常用材料