铝表面堆焊Cr17不锈钢层的工艺试验研究(2)

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参考文献 25

1 引言

1.1 课题的意义

铝与铁的连接已成为焊接领域中的热点和难点问题, 铝和铁的焊接存在异种金属无法避免的材料物理及化学性能上的差异，如何将这种差异所带来的负面影响降低最低，是当前研究铁铝焊接的主要针对点。目前已采用的焊接方法有磨擦焊、爆炸焊、钎焊、扩散焊、熔焊等【1-3】。各种焊接方法原理上的不同，所受的约束条件不同，其对应的焊接接头性能也有一定差别。铝及铝合金因密度小、比强度高,具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性以及在低温下保持良好力学性能等特点,在航空航天、汽车、交通运输、国防等工业部门得到了广泛的应用。而钢是一种应用最广的材料,在制造业中始终处于主导地位,特别是一些新型的钢种,比如耐热钢、高强钢等,具有优良的塑韧性、冷热加工性能和耐腐蚀性能,大量应用于石油、化工、宇航及核工程等重要焊接结构中。但是随着电站锅炉、电厂蒸汽管道等高温承压设备向高参数、大容量方向发展，对材料热强性和高温抗氧化、抗硫化性能的要求越来越高。我们更深入的去研究，尝试在铝表面堆焊Cr17不锈钢。对于含cr量较高的耐热钢，尤其是高Cr、Ni含量的不锈钢，虽然具有良好的高温抗氧化及抗硫化性能，但价格很高，制造成本增加【4-6】。Fe3Al合金成本低廉，抗高温氧化、耐热腐蚀性与不锈钢相当。在硫化氢气氛中甚至优于不锈钢。但Fe3Al的室温塑性差、高温强度低，目前还不能单独作为高温结构材料使用【7】。为此，本文作者采用双丝堆焊方法．在Al基体上堆焊Cr17不锈钢层，这样既可充分利用Fe3Al合金优异的高温抗氧化、抗硫化性能，又可以利用Cr17不锈钢较高的热强性和足够的塑性．获得高温强度和抗氧化性俱优的复合材料。

1.2 铝与钢焊接的主要问题论文网

由于铁和铝的物理、化学性能有明显不同，所以焊接时存在许多困难。

（1）铝与钢的熔点相差很大,焊接时低熔点的铝先熔化,此时钢件仍处在固体加热状态,而且两者的密度相差很大,当钢完全熔化后,液态铝浮在钢水上面,冷却结晶后焊缝成分不均匀,使得焊接接头的性能降低。

（2）铝及其合金与钢焊接过程中，在铝母材表面形成难熔的Al2O3（熔点高达2050℃）氧化膜，这种氧化膜也可以存在于熔池表面，熔池温度越高，表面氧化膜越厚，氧化膜的存在阻碍液态金属的结合，容易使焊缝产生夹渣。

（3）铝及其合金与钢的热导率、线膨胀系数相差悬殊,焊后焊接接头变形严重，并且有很大的残余应力存在，易产生裂纹。此外，铁在铝中的固溶度几乎为零（225-600℃时，铁在铝中的固溶极限为0.01%-0.022%），且铁与铝可以产生多种硬而脆的金属间化合物，如FeAl,FeAl2,FeAl3,Fe2Al5,Fe2Al7及Fe4Al13等，这些金属间化合物的存在，增加了焊接接头的脆性，降低了其塑性和韧性。

表2-1 铁与铝的物理参数比较

由铝铁二元相图可见，铝与铁既能形成固溶体、金属间化合物，也能形成共晶体。铁在固态铝中的溶解度极小，在225—600℃，铁在铝中的固溶界限量（质量分数，以下同）为0．01-0．022% ，在共晶温度652℃时，铁在铝中的溶解度为0．53% ，在室温下，铁完全不溶于铝中。含有微量铁的铝合金，冷却过程中出现金属间化合物FeA1 的结晶（Al 59．19%）。含铁量在1.8%时，在652℃形成Al+FeA1 的共晶体。随着铝合金中含铁量的增加，相继出现下列化合物：Fe2Al7（Al 62．93% ）；Fe2A15（Al 54．71% ）；FeA12（Al 49．13%）；FeA1（Al 32．57%）等。