两种不同材料金属A和B焊成的焊接接头可以看成是一个由A母材金属→A热影响区→A熔合区→焊缝→B熔合区→B热影响区→B母材金属所构成的一个承载链条，该接头的性能和使用寿命最终决定于其中的一个最薄弱环节。为了保证异种材料焊接接头的质量，就应该使焊缝、两个热影响区和熔合区都具不低于或至少接近母材金属的性能。两个热影响区在焊接时的组织变化规律及其所具有的性能，均决定于每一材料的焊接性，这和焊接同种材料时基本一样，在此不作重复讨论。异种材料焊接的根本问题，是如何确保焊缝以及两个熔合区的质量优良。理论和实践都说明，熔合区的问题往往比焊缝问题更为突出，因为这里的成分复杂、组织很不均匀，其性能也更难于得到保障。从失效分析事例表明，不少异种钢焊接接头失效的起始部位均在熔合区。

图5-1 纯金属组对的异种金属副的焊接性

（一）焊缝主体金属的化学成分

熔焊时，熔池金属是由被熔化的母材金属加上填充金属混合而成。通常将母材金属的熔入量占焊道金属总量的份额比例叫做熔合比。由于焊接过程中存在着各种搅拌作用，特别是电弧焊时的电磁作用，大体可以将熔池主体的金属成分看成是均匀的，足以保证冷凝得到的焊缝金属成分、组织和性能基本均匀，这里所谓“基本均匀”是对下面介绍的熔合区的化学成分不均匀性问题相比而言。保证焊缝金属的性能是保证异种材料焊接接头的一个基本要求，而焊缝金属成分又是决定其性能的基本要素。

设计和选择焊缝成分的基本原则，在于保证焊缝金属同A、B两种母材金属都具有很好的结合强度，其自身又有良好的性能。具体地讲要根据金属学、冶金学的基本原理来考虑，通常多数是根据成功的工程实践经验来选定。

选定了恰当的焊缝金属成分之后，可以通过选择焊接材料和适当的坡口形式和焊接参数来获取较为理想的焊缝成分。例如，在焊接A、B两种异种材料时，采用成分为C的填充材料，当熔合比为R的条件下，焊缝金属平均成分应当是D=（1-R）×C+R×（A+B）÷2。由此不难看出：在母材金属A、B成分已确定的条件下，选择不同成分的填充材料，可以大范围地调控焊缝金属的成分，其中焊条和焊丝的选择是异种材料焊接的首要问题；采用不同的焊接方法，熔合比有较大的差异；不同的坡口形式和焊接参数也能影响熔合比，看来也可以在一定程度上微调焊缝金属成分。不过在焊接过程中参数难免会有波动，这又会成为影响焊缝成分稳定的因素，因此确保焊接参数均匀一致的问题，在异种材料焊接中就显得尤为重要。

（二）焊接接头熔合区的化学成分不均匀

若成分不同，及其性能也不同的材料焊接在一起，其接头的性能不仅决定于其中最弱者，而且往往由于两者的不同或不均匀而出现新的矛盾。例如，由于构成腐蚀电池，异种金属焊接接头的耐腐蚀寿命，可能比其中任一材料的腐蚀寿命都大大缩短；强度、塑性、弹性模量差异也可导致应力应变集中，因而提前发生断裂；此外诸如热膨胀系数、热导率等的差异也会导致热应力应变和热疲劳损伤等，因此异种材料焊接接头的成分不均匀性和性能的不均匀性，应当受到特别关注。

图5-2 液态焊接熔池合金元素扩散示意图

通常，被焊的两种材料的成分差异越大，则焊缝金属与焊缝两侧或焊缝一侧母材金属的成分差异也越大。焊缝金属同母材金属之间形成的一个异种材料的连接副中，一侧是固态的A（或B）母材金属，一侧是D成分的液态焊接熔池。高温下，A（或B）、D之间会发生元素的扩散（包括某些情况下的上升扩散），由D进入A（或B）的元素浓度在固相表面最高，向内逐渐降低，如图5-2所示。由A（或B）扩散进入D的元素则由于液体的流动而均匀化，并不影响该局部的焊缝金属成分。焊缝一侧（或两侧）的不均匀性决定于A（或B）和D的成分和各组成元素的本性，这是不可避免的；但其扩散的深度和最终的浓度梯度，则受到温度的高低和高温下停留时间的影响。这是焊缝一侧（或两侧）的固相形成成分不均匀性的一个来源。

熔合区的另一种成分不均匀性，产生于焊接过程中的液相熔池金属一侧的不均匀搅拌区。熔池的边缘层母材金属份额较高且未被搅拌均匀，其原因是熔池边缘的温度较其平均温度低，距电弧电流中心较远，电磁搅拌也较弱，金属的流动性较差，被熔化下来的母材金属处于液态的时间较短，有的可以看到成块的母材金属以岛屿或半岛状贴近于焊缝边缘。这种成分不均匀性的程度与焊接参数有关，特别与施焊过程中均匀性和稳定性关系更大。在高度自动化的焊接条件下，焊缝不均匀混合区的不均匀程度可以得到控制；而手工电弧焊时，很难达到施焊过程焊接参数的均匀性和稳定性。除了操作影响外，也与人的身体和精神状态有密切联系。

（三）焊接接头熔合区的组织与性能的不均匀性

熔合区的成分不均匀必然会导致金属组织和性能的不均匀性，其不良影响的严重程度，一方面同成分不均匀性的严重程度有关，另一方面在很大程度上又与母材金属A（或B）同焊缝金属D各组成元素间相互作用的性质有关。如果它们之间能形成连续固溶体如Cu-Ni、Au-Ag、Ni-Co、Fe-V之类，则对熔合区成分的不均匀性不会带来严重的不利影响；如果存在间隙固溶元素，如钢中的C、N、B，其成分不均匀性则可能由于淬硬程度严重不同而出现硬度极不均匀的区段；其他一些提高钢材奥氏体稳定性的元素如Ni、Cr、Mn之类，能提高金属的淬硬倾向，也有上述类似不利的影响。下面分析一个以奥氏体填充材料焊接碳钢-奥氏体不锈钢焊接接头的典型实例：此时在碳钢一侧熔合区如果生成了严重的不均匀搅拌层，则出现Ni、Cr含量低于奥氏体不锈钢而高于碳钢的水平，其含碳量又接近碳钢水平的特殊成分带，因此不可避免地要出现脆硬的马氏体组织。这种焊接接头的组织按以下组织形式出现：奥氏体不锈钢一侧熔合区和焊缝金属为奥氏体组织；碳钢一侧焊缝的熔合区有可能出现马氏体组织形成裂纹；而在奥氏体不锈钢和碳钢的焊接接头的热影响区，原来的奥氏体组织和珠光体组织由于多次受热，则变得粗大，直接影响焊接接头的力学性能。

熔合区的组织和性能的不均匀性是比较复杂的问题，不能一概而论，只有在具体被焊材料和具体的性能要求条件下进行分析。例如，对要求耐腐蚀的焊接接头同要求承受机械载荷的焊接接头，对其分析、解决问题的着重点就应有所区别。高温下承载的焊接接头与室温下承载的焊接接头，对二者的要求也不相同，其熔合区允许的成分不均匀程度也不相同。对于高温服役的焊接接头，要考虑到在高温服役期间，由于扩散而发生某些成分的均匀化，同时也要考虑到由于上升扩散而导致某些成分不均匀的因素。例如，动力装置中的一些珠光体耐热钢-奥氏体不锈钢焊接接头的失效，往往是由于高温服役期间碳元素从珠光体耐热钢向奥氏体不锈钢中上升扩散所致。

除此之外，焊接方法的不同、焊道层次的数量、焊接参数的合理性、焊接过程中热输入的稳定性和焊后热处理的温度等，都会对异种焊接接头熔合区的组织和性能的不均匀性和不一致性带来不同的影响。

（四）异种钢焊接接头裂纹(www.daowen.com)

异种钢焊接时，通常可能出现下列形式的裂纹。

1.近缝区裂纹

大多数发生在与具有淬火倾向的高合金马氏体钢或一般低、中合金的珠光体钢焊接时。近缝区裂纹形态为与熔合线平行并与熔合线略有一点距离处所出现的裂纹。

异种钢焊接接头熔合区的裂纹与该部位的成分不均匀性和组织不均匀性有直接关系。从微观上看，这里存在着由一种材料A过渡到另一种材料B（或D）的所有中间成分合金。在母材金属A、B能形成连续无限互熔的场合下（此时焊缝成分D必属于A、B的二元固溶体），这些中间成分也都属于性能良好的固溶合金，通常不会形成裂纹。若母材金属A（或B）、D两种成分构成复杂的相图，其中存在着导致裂纹的硬脆化合物中间相，或有可能产生易淬火硬化的合金，则在此有萌生裂纹的可能。不过，若采用良好的工艺措施，使得由焊缝D到母材金属A（或B）之间的熔合区过渡层比较薄，特别是其中的不均匀搅拌层很薄时，这种有害组成相的几何尺寸极小或甚至根本不能形成，其危害性就能大大降低甚至消除。上述分析没有考虑母材金属A（或B）与D之间线胀系数、弹性模量等方面的差异。若这种差异很大，即使过渡层很薄，出现的温度差应力梯度也很大，不连续应力状态严重，这也有可能导致焊后冷却过程中出现应力裂纹。

近缝区有可能形成冷裂纹，这是因为在近缝区形成硬脆的马氏体组织所致，它的比容增大造成组织应力加大，导致近缝区出现微裂纹，在焊接应力作用下，微裂纹扩展为宏观裂纹；或者是在淬火钢焊缝的近缝区，由于氢从焊缝金属中扩散到近缝区并使之饱和，产生较大的内应力，增加了近缝区脆性而发生氢致裂纹。例如铁素体不锈钢-珠光体钢的焊接接头，若焊缝金属为稳定的纯铁素体组织，由于铁素体溶解氢的能力比奥氏体小的多，在溶入高温熔池中的氢，绝大部分将流向Ac₃温度以上的珠光体钢焊缝一侧的热影响区金属中，冷却过程中就有可能使氢来不及从淬火区金属中析出，形成高度过饱和，从而增大其发生氢致裂纹的可能性。

在异种钢焊接时，还可能由于熔化金属中的低熔成分向邻近的固态金属晶界渗透，形成低熔液态金属层，从而导致裂纹。例如，用黄铜焊丝钎焊结构钢接头或者钢-铜接头时，特别是气焊的条件下，如果高温停留时间过长，有可能由于黄铜沿着钢的奥氏体晶界往母材金属深处渗透，导致母材金属的晶界产生裂纹，可以将其称为渗透裂纹。还例如，在焊接碳钢-奥氏体不锈钢接头时，碳钢坡口部位母材中的低熔点夹杂物被吸入奥氏体不锈钢的近缝区，而引起近缝区中出现晶间热裂纹。

2.焊缝金属中的热裂纹

为了使焊接接头具有良好的塑性，一般希望焊缝金属为奥氏体组织，而此时恰恰最易出现焊缝中心裂纹。其形成机理与奥氏体不锈钢焊接形成热裂纹一样：在焊缝尚未完全结晶之前，熔池中存在低熔点液膜，在结晶过程中，熔池收缩焊缝受拉，低熔点液态薄膜被破坏又得不到补充，就形成结晶裂纹。根据形成裂纹的机理，按照焊接冶金学基本规律进行分析，设计出防止形成热裂纹的焊缝金属化学成分，可以通过研制或选择焊接材料来进行大幅度调控，来避免焊缝热裂纹的形成；也可以依据相同或类似成功的工程实例来选择焊接材料。

3.焊接接头中残余应力引起的裂纹

异种钢焊接时由于两种母材金属热物理性能不同，在不同材料的各个部分，焊接温度场分布不对称，也可能造成的裂纹。例如，珠光体钢和奥氏体型不锈钢在20～600℃温度范围内线胀系数为（13.5～14.5）×10^-6/℃和（16.5～18.5）×10^-6/℃，焊后焊接接头必然会出现较大的残余应力，在奥氏体焊缝一侧承受拉应力，而在珠光体钢焊缝一侧承受压应力，即使通过焊后热处理也不能改变其应力分布的特征，仅仅会使残余应力重新分布。如果上述异种钢焊接接头在高温下运行还会产生很大的热应力，尤其是在周期性加热和冷却的工作条件下服役，焊接接头又要承受严重的热交变应力，会在珠光体钢一侧的熔合区中产生热疲劳裂纹，并沿脱碳层扩散，导致焊接接头在短期内破坏。

（五）获取优质异种材料焊接接头的工艺措施

为了获得没有裂纹的异种材料焊接接头，要求其异种材料的膨胀系数要接近，应尽量减少异种材料焊接接头中熔合线的组织与焊缝金属的差异，希望高合金焊缝一侧没有显著的稀释现象。为此，在工艺上应采取下列措施：

1）正确地选择焊接材料，以获得成分优良的焊缝金属，确保无裂纹形成，不仅自身有良好的性能，而且同两边的异种被焊材料都有良好的兼容性，形成性能良好的焊接接头。

2）根据焊接构件特点和焊接接头形式来选择焊接坡口，焊件坡口加工尺寸和装配尺寸的精度要高于同材料焊接的要求。

3）根据异种的各被焊材料的热焊接性，制定合理的焊接热参数（热输入和预热、缓冷、焊后热处理等）。还必须同时考虑它对熔合比的影响，以确保焊缝金属的成分和组织。

4）尽量提高焊工的操作技能，维持焊接参数在施焊过程中高度稳定性，以保证焊缝金属成分，尤其要尽量控制熔合区成分不均匀层的厚度，而且要保持连续稳定。在可能的条件下尽量提高自动化程度。