不锈钢与铜焊接工艺和金相分析毕业论文Word文档格式.docx

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关键词：

紫铜；

不锈钢；

焊接工艺；

金相分析

Abstract

Thispaperstudiesincopperandstainlesssteelweldingtechnology,Namelydissimilarmaterialofweldingtechnologyresearchforthedissimilarmaterialscopperandstainlesssteelweldingtoprovidethetheoreticalfoundationandexperimentalbasis.Themainlyweldingprocessecistungsteninertgasarcwelding（TIG）welding.

Stainlesssteelandcopperalloycontainingelements（Ni,Si,V）andimpurities（O,S,P）,intheweldingprocessintheformationoflow-melting-eutecticandbrittlecompounds,severelyweakeningthemetalinthetemperatureofcrystallizationbindingforce.thermalconductivityofcopperduetogreaterthanstainlesssteel,tousehigh-powerheat,theheat-affectedzonewidth,thelargerjointsunderstress,thermalweldcrackseasily.seamzonenearthesideofeasytoproducestainlesssteelCrackinfiltration,whichiscausedbytheliquidsteelwithcopperoninfiltrationandthetensilestress.

Throughweldinginspection,wecanseethatWeldhasagoodperformance,themetallographicexamination,theinternalorganizationofuniformweld;

copperandcopperfusionzonetransitionuniformwithgoodcopperandsteelfusionlineisstraight,noholes,andtheCuandFetoacertainextentbetweenthespreadoffusionzoneforthemetallurgicalcombine.

Keywordscopper,stainlesssteel;

weldingtechnology;

metallographicanalysis

第1章绪论

1.1课题研究的目的与意义

随着经济的迅速发展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。

采用不锈钢和铜的复合零部件，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铜这两种金属在比重、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、造船与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（铜与不锈钢的焊接）选用的焊接方法为钨极氩弧焊（TIG）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与性能更加优质，其结果对异种材料焊接接头质量与成型有着重要的意义。

1.2不锈钢、铜的焊接性分析

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ω（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：

①选择超低碳[w（C）<

0.03%]或添加钛和铌等固碳元素的焊接材料；

②形成奥氏体-铁素体双相组织的焊缝；

③合理选择焊接工艺，减少敏化温度围的停留时间；

④焊后将工件加热到1050~1150℃固溶处理后淬火，使晶界上的碳化物溶入晶粒部，形成均匀奥氏体组织。

（2）应力腐蚀，对于不锈钢来说，应力腐蚀断裂的部位通常不存在均匀腐蚀，断裂往往以点蚀，缝隙腐蚀为起始点。

防止措施：

双相不锈钢焊接接头具有优良的耐应力腐蚀性能，主要是因为以下几点：

1）双相不锈钢的屈服强度比奥氏体不锈钢高，产生表面滑移所需要的应力水平高，在一样的腐蚀介质中，双相不锈钢的表面膜因表面滑移而破坏所需的应力较大，应力腐蚀开裂较难发生。

2）双相不锈钢中含有Mo元素，Cr含量也很高，耐点蚀能力强，应力腐蚀开裂缺乏起始点。

3）双相不锈钢的两个电极电位不同，裂纹在不同相和相界的扩展机制不同，对裂纹的扩展起到阻止或抑制作用，应力腐蚀开裂的发展速度缓慢。

尤其是在熔合区附近的热影响区中，应控制母材和焊缝的相比例，以获得合适的δ/γ双相组织。

（3）点蚀最容易产生点蚀的部位是熔合区，因该区域化学成分极不均匀。

焊缝中心部位也会产生点蚀，其主要原因是Cr和Mo的偏析。

实验证明，提高Ni的含量，晶轴中Cr、Mo的偏析减少，因此采用高Ni焊丝对防止点蚀有利。

此外还要考虑母材的稀释作用，采用超合金话的焊丝，以保证焊丝金属中含有足够的合金元素，而不能采用自熔焊接。

（4）热裂纹与一般钢结构相比，奥氏体不锈钢焊接时更容易产生热裂纹，并以结晶裂纹为主，有时也可能出现液化裂纹。

这是因为：

1）奥氏体不锈钢的热导率小和线膨胀系数大，在焊接局部加热和冷却下，接头在冷却过程中易形成较大的拉应力；

2）奥氏体不锈钢易于联生结晶形成方向性强的柱状晶组织，促使形成晶间液膜；

3）奥氏体钢焊缝的合金成分组织复杂，S、P、Sn和Pb等杂质元素或者Si、Nb等有线溶解度元素都可能形成低熔点共晶液膜，导致产生热裂纹。

焊缝成分对奥氏体钢的热裂纹敏感性有决定性影响，因为它直接影响液态金属与合金的凝固模式。

只有合金以FA模式凝固时，形成的初生δ相呈蠕虫状，能阻碍γ相枝晶的充分发展，细化晶粒，减少元素偏析，因而热烈倾向最低。

焊缝组织构成对奥氏体的热裂纹倾向有很大的影响。

由奥氏体和少量的铁素体构成的焊缝组织比单相奥氏体组织的抗裂性能好。

因为单相得奥氏体焊缝金属合金化程度高，奥氏体非常稳定，焊接时易形成方向性强的粗大柱状晶，会促进有害杂质S、P的偏析，易于形成连续的晶间液态夹层，从而增大热裂纹的倾向。

对于Ni的质量分数低于15%（约5%左右）的奥氏体钢，如果能使焊缝存在少量的δ铁素体，那么可以大幅度提高焊缝金属的抗裂纹能力。

铜的焊接性分析：

铜与铜合金具有优良的导电性、导热性、延展性以与在某些介质中良好的抗腐蚀性能，因而成为电子、化工、船舶、能源动力、交通等工业领域中换热管道、导电装置与抗腐蚀部件的优选材料。

铜与铜合金的种类和性能：

按化学成分和表面颜色可将铜与其合金分为纯铜、黄铜、青铜与白铜四大类别，工业纯铜中常见的杂质元素有氧、硫、铅、砷与磷等。

铜与铜合金的物理性能如表1-1所示：

表1-1铜与铜合金的物理性能

材料

密度/（g/cm3）

熔点（℃）

导热系数

线膨胀系数

电阻系数

比热容

表面力系数

点阵常数

铜与铜合金

8.97

1084

359.2

16.6

1.67

0.384

1300

3.617

少量的杂质元素能完全固溶与铜中，对铜的塑性变形性能影响不大。

但当杂质元素含量超过其在铜中的溶解度而出现多想结构时，将显著降低铜的各种性能，如铅、氧、硫与铜形成的低熔点共晶组织分布在晶界上，增加了材料的脆性和焊接热裂纹的敏感性。

用于制造焊接结构的铜材要求其含铅的质量分数小于0.03%，含铋量小于0.03%，含氧和含硫硬分别小于0.03%和0.01%。

磷虽然也可能与铜形成脆性化合物，但当其含量不超过它在室温铜中最大溶解度时，可以为一种良好的脱氧剂。

纯铜在退火状态下具有很好的塑性，但强度低。

经冷加工变形后，强度可以提高一倍，但塑性降低若干倍。

加工硬化的纯铜经550~600℃退火后，可使塑性完全恢复。

铜与铜合金熔焊时已出现的缺陷主要有1）难于熔化与形成。

焊接铜与铜合金时，当采用与同厚度低碳钢一样的焊接参数，母材就很难熔化，填充金属也与母材不易熔合，这与铜与铜合金的热物理性能有关。

铜的导热率比铁大7~11倍，厚度越大，散热越快，越难达到熔化温度，热影响区也宽。

采用热能量密度低的焊接热员进行焊接时，如氧乙炔焊和焊条电弧焊，需要进行高温预热。

采用氩弧焊，必须采用强规才能熔化母材，否则需要高温预热后才能进行焊接。

2）热烈倾向大。

铜与铜合金中存在氧、硫、磷、铅、铋等杂质元素，铜能与它们形成多种低熔点共晶物，这些低熔点共晶在熔池结晶过程中分布在树枝晶间或晶界处，使铜和铜合金有明显的热脆性。

在杂质中，氧的危害最大，它不但在冶炼时以杂质的形式存在于铜，在以后的轧制加工和焊接过程中，都会以Cu2O的形式存在于焊缝金属中。

而且Cu2O能与Cu形成熔点略低于铜的低熔共晶物，会导致焊接热裂纹的产生。

3）气孔严重熔化焊接铜与铜合金，出现气孔的倾向比低碳钢要大得多，所形成的气孔几乎分布在焊缝的各个部位。

气孔的形成主要与氢、氧和氮在铜中的溶解有关，而且熔池凝固时间短也加剧了气孔的形成倾向。

4）接头性能下降。

铜与铜合金在熔焊过程中，由于晶粒严重长大，杂质与有害元素的参入，有益合金元素的氧化、蒸发等，使接头性能发生很大的变化。