關(guān)于異種金屬焊接問題分析及焊接工藝探討

劉治光

摘?要：近年來，我國的科學(xué)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，給各行各業(yè)帶來了新的發(fā)展，重點表現(xiàn)在制造加工行業(yè)。制造加工產(chǎn)業(yè)涉及的范圍廣泛，而且制造產(chǎn)品零件數(shù)量多，加工過程繁瑣，加工難度較大，現(xiàn)如今對于制造產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來越高，制造產(chǎn)品的質(zhì)量除了與材料本身有關(guān)，還與產(chǎn)品的加工方式有關(guān)，比如焊接工藝就會影響零部件的整體性能。本文主要介紹了異種金屬焊接的特點，對常見的異種金屬焊接問題進行了分析，結(jié)合個人的工作經(jīng)驗，給出了焊接工藝措施建議，僅供相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：異種金屬焊接問題;焊接工藝

引言

這些年來，我國的科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，各種新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝應(yīng)運而生，隨之對我國的工程構(gòu)件的質(zhì)量提出了更高的要求。但是在進行工程施工時，不論是哪一種材料，都不可能全面滿足施工的需求。為了能夠滿足施工的需求，人們開始將不同的材料進行有效融合，讓這些材料的性能得到了充分的發(fā)揮。同時還能夠有效替代貴重金屬，減少不必要的經(jīng)濟投入，提升企業(yè)的經(jīng)濟效益。所以在社會的各個行業(yè)之中，經(jīng)常可以看到異種金屬焊接的廣泛應(yīng)用。但是，近幾年我國經(jīng)常發(fā)生異種金屬焊接失效的情況，造成了一定的財產(chǎn)損失和人員傷亡。

1異種金屬焊接的特點

在各種加工制造行業(yè)中，采用鋁合金與鋼為基本材料的金屬構(gòu)件已經(jīng)成為了一種主流，鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性強、塑性好等特點，鋼則是目前機械加工行業(yè)最常見的金屬材料之一。常見的二者連接方式一般分為兩種，第一種是采用粘結(jié)的方式，這種方式接頭的機械強度非常有限，無法滿足高強度的焊接要求，因此使用的情況比較少。另外一種就是機械連接，機械連接雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高強度的連接，但是無法保證連接的氣密性，而且進行機械連接會留下連接痕跡，影響美觀。因此焊接成為了異種金屬的連接中最常用的連接手段，由于鋁與鋼的物理性能存在較大的差異，所以給焊接過程帶來了一定的難度，具體包括以下幾點：①熔點不同。眾所周知，不同金屬的熔點不同，鋁材料的金屬熔點低于鋼。這就導(dǎo)致在兩者進行焊接時，鋁材料已經(jīng)完全融化，整體呈現(xiàn)液態(tài)，而鋼仍處于固態(tài)。②密度不同。二者之間的密度也不同，由于液態(tài)的鋁水比鋼水的密度小，所以盡管二者同時融化，那么也會出現(xiàn)鋁水浮在鋼水上的現(xiàn)象，這樣就會導(dǎo)致在進行冷卻、定型時，容易出現(xiàn)金屬之間融合不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致整個金屬接頭性能不理想。③熱導(dǎo)率不同。由于二者之間的密度和熱導(dǎo)率都不相同，加上線膨脹系數(shù)存在很大差別，因此在進行焊接的時候，就會造成焊接接頭的變形，如果變形十分嚴(yán)重的話，還會產(chǎn)生焊接金屬裂紋。

2異種金屬焊接問題分析及焊接工藝探討

2.1焊接方法的選擇

在選擇焊接方法的時候，要根據(jù)材料的特性進行方式選擇，滿足焊接性和工藝焊接性。比如如果是鋁和鋼的壓焊的話，那么一般采用滾焊或爆炸復(fù)合的方式。但是需要注意的是，采用上述方法，會導(dǎo)致鋁和鋼之間產(chǎn)生硬度較高的化合物，加上金屬之間的物理性質(zhì)不一致，就容易造成壓焊過程金屬發(fā)生高塑性變形，產(chǎn)生高硬度的化合物，從而導(dǎo)致復(fù)合板性能下降。因此可以采用壓輪的方法進行焊接，該方式可以有效提高鋁合金與鋼板的接觸力度，并且可以提升二者之間的熱傳遞速率，該技術(shù)的使用也能夠有效延展金屬的強度，采用激光壓力焊的方式，可以選擇不同功率的激光，產(chǎn)生不同等級的壓力，因而可以最大程度地提高接頭的強度。

2.2焊接區(qū)的力學(xué)性能分析

在焊縫區(qū)的力學(xué)性能研究中，人們?nèi)匀谎赜美煸囼?、沖擊試驗和硬度試驗等手段進行分析。通過焊后熱處理可以優(yōu)化焊接接頭的力學(xué)性能，但熱處理也會降低焊接區(qū)的某種力學(xué)性能。由于焊縫區(qū)組織粗大，其強度和硬度要高于母材，而韌性則低于母材，時效處理可以改善焊縫的韌性。然而，過時效會導(dǎo)致粗晶區(qū)的析出相的數(shù)目增多，基體回復(fù)、再結(jié)晶程度過大，導(dǎo)致硬度下降，即出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。由于組織變化和碳遷移在接頭異質(zhì)界面融合線兩側(cè)產(chǎn)生較大的硬度差，二次回火可使硬度整體下降，但幾乎不影響其分布規(guī)律。對奧氏體、鐵素體和雙相不銹鋼兩兩之間焊接接頭性能的研究表明，所有接頭的沖擊韌性都小于母材，而電子束焊的焊接接頭的沖擊韌性和缺口拉伸強度均優(yōu)于摩擦焊。對于電子束焊，鐵素體不銹鋼一側(cè)的熔合區(qū)和雙相不銹鋼一側(cè)靠近熔合線的熱影響區(qū)的硬度要比其他區(qū)域的高很多，而奧氏體一側(cè)的各區(qū)域的硬度相當(dāng)。對于摩擦焊，奧氏體不銹鋼一側(cè)和雙相不銹鋼一側(cè)界面處的硬度最高，這可能是由于摩擦焊過程的加工硬化效應(yīng)所致。

2.3焊接材料

選擇焊接材料時，重點考慮的內(nèi)容是焊縫金屬的性能和成分。當(dāng)接頭沒有明顯缺陷時，最好選擇韌性和塑性較高的材料;焊縫金屬的性能比較一般時，可以選擇不低于母材性能的焊材，同時還要考慮焊接的工藝性能;焊接異種鋼時，可以選擇低氫型的焊條，保持其干燥性。

2.4異種金屬焊接與熱處理

由于焊接過程類似于金屬冶煉過程，有時因為焊接工藝的選擇、焊材匹配不合理，焊后接頭的組織性能未能達到要求，采用焊后熱處理可以彌補這些不足。一般認(rèn)為，焊后熱處理可以改善組織，提高焊縫的塑性，使氫逸出，消除焊接殘余應(yīng)力，降低應(yīng)力腐蝕的敏感性，軟化熱影響區(qū)。對于異種金屬焊接接頭是否要進行焊后熱處理存在不同的觀點，部分學(xué)者認(rèn)為應(yīng)盡量避免焊后熱處理，其理由是：焊后熱處理會促進碳的遷移，使接頭性能進一步惡化;碳化物和σ相的析出會導(dǎo)致焊縫金屬脆化和耐腐蝕性能降低等不利后果;焊后熱處理不能達到消除殘余應(yīng)力的目的，只能使其重新分布;對某些高合金鋼，如奧氏體鋼，焊后熱處理會促進網(wǎng)狀組織的形成。對于一些淬硬傾向很大的焊接接頭（如電渣焊接頭），為了改變HAZ的韌性，減少冷裂敏感性，必須要進行焊后熱處理。研究發(fā)現(xiàn)，短時間的高溫焊后熱處理對接頭的高溫時效性能有利，尤其是對Ni基合金焊縫金屬情況。焊后熱處理的去應(yīng)力效果比較明顯。結(jié)果表明，低的焊接熱輸入或雙道焊能夠減小焊接熱影響區(qū)的寬度，并使接頭殘余應(yīng)力峰值降低，且焊后熱處理能明顯降低接頭的焊接殘余應(yīng)力。

2.5工藝參數(shù)的選擇

選擇合適的焊接工藝參數(shù)，能夠有效保證焊接接頭質(zhì)量，焊接的工藝參數(shù)包括許多方面，具體包括焊接的電流電壓等級、焊接速度以及焊條直徑等。這些參數(shù)不僅各自對焊接過程有影響，二者相互之間也有影響，比如焊接電流增大，也會導(dǎo)致整體的輸入熱量增大，與之對應(yīng)的整個熱影響區(qū)的范圍也有所增加。

結(jié)語

在實際的生產(chǎn)加工中，制造廠商為了節(jié)約成本，采用異種金屬焊接來替代昂貴金屬，實現(xiàn)效益最大化。異種金屬焊接接頭組織變化復(fù)雜，易形成粗大晶粒等缺陷，如何改善異種金屬焊接接頭組織仍然是一個難題;今后的研究工作中，人們可以從焊材的匹配、冷卻速度的控制和焊后熱處理等方面尋找突破口。由于碳的遷移和金屬稀釋等原因，異種金屬焊接接頭的力學(xué)性能、高溫性能和腐蝕性能等往往低于母材，并存在復(fù)雜的應(yīng)力分布，其中熔合區(qū)是最薄弱環(huán)節(jié)，如何提高熔合區(qū)的綜合性能是今后異種金屬焊接研究的重點與難點。異種金屬焊接今后的研究重心將偏向新焊材的研制、接頭抗腐蝕性能的提高、輕合金異種材料的焊接等，現(xiàn)代先進的檢測手段和日益發(fā)展的計算機模擬技術(shù)將成為主要的研究手段。

參考文獻

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