異種金屬材料物理性質(zhì)對焊接的影響

葉雨泓，楊浩章，楊鵬進

（1.中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510000；2.廣東外語外貿(mào)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510000；3.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510000）

隨著中國實體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的制造工藝也不斷改進。毋庸置疑，焊接作為金屬制造行業(yè)中重要的制造方法，有著廣泛的用途。焊接質(zhì)量水平直接影響產(chǎn)品質(zhì)量及其功能的實現(xiàn)。提高焊接質(zhì)量是所有物理制造企業(yè)的標準化目標。焊接材料的選擇，焊接技術(shù)的改善，焊接方式的抉擇，都可以提升焊接的質(zhì)量。

1 焊接材料的選擇原理

通常使用的焊接方法一般有氬弧焊、氣盾焊接等。焊條、焊接件等不同的焊接材料使用的焊接方法也有不同之處。想要得到良好的焊接質(zhì)量就需要選擇合適的焊接材料以及焊接方式，根據(jù)實際情況的不同，選擇合適的焊接材料，根據(jù)材料再選擇合適的焊接方法才能得到良好的焊接效果。在一般使用的焊接方法中，在焊接材料的選擇上需要考慮以下原則。

第一，選擇適合于焊接母材的焊接材料，電弧由電極產(chǎn)生，在焊接前需要使用高入熱溶解焊接母材以及焊接材料。選擇適合于焊接母材的焊接材料是焊接材料選擇的最基本原理。選擇焊接材料時需要考慮的特定因素是焊接母材的化學(xué)組成、焊接的性能以及自身具有的熔融特性。從化學(xué)成分分析，由于對焊接母材的選擇和焊接材料要求接近，可以確保焊接的熔接，提高焊接質(zhì)量，因此需要正確檢測焊接母材各材料的性能。其次，根據(jù)焊接母材的機械特性選擇焊接材料也是必須遵循的原則之一，焊接材料必須與焊接母材選擇相同或更多。另外，如果遇到點焊或厚板首次焊接等特殊情況，需要更高強度，所以可以使用高強度的焊接材料。

第二，對于不同的焊接產(chǎn)品的使用要求，特別是機械性能要求，焊接材料的選擇也非常重要。詳細要求是,不同焊接產(chǎn)品根據(jù)不同的需求選擇不同的焊接方式,一些產(chǎn)品對氣密性有嚴格的條件,一些產(chǎn)品有重要公差要求壓力,以及最重要的價值是其他人為的焊接外觀,需要根據(jù)產(chǎn)品的要求,有針對性的選擇不同的且適合使用的焊接材料。需要注重的是，在決定適合的焊接材料后，需要有相應(yīng)的焊接方式來滿足焊接工藝的需求，焊接材料和焊接工藝不能有矛盾。根據(jù)焊接產(chǎn)品使用的不同要求，需要與焊接材料、焊接方法和焊接工藝配合，以達到最終的使用目標。

第三，根據(jù)焊接材料本身的性能選擇焊接材料。在實際的焊接過程中，不僅要考慮材料的要求，焊接設(shè)備也需要適合材料的要求進行選擇，需要根據(jù)焊接材料自身具有的物理性能進行選擇。提前了解材料具有的物理性能，選擇能達到理想效果的焊接材料，避免在后期的焊接過程中出現(xiàn)由于材料問題引發(fā)的焊接失敗。

2 金屬性質(zhì)影響焊接的原因

2.1 不同的金屬熔點

在焊接兩種金屬時，兩種金屬需要熔化。這兩種金屬的熔點小于100℃，所以焊接很簡單。例如，在兩種金屬具有不同熔點的情況下，其中一種金屬的熔點不會超過100℃，但另一種金屬需要在100℃以上才可以熔化，而且兩種金屬的熔點甚至差超過100℃。在焊接過程中就會發(fā)生嚴重的情況：熔點低的金屬由于溫度過高會迅速熔化，但熔點高的金屬沒有達到熔化條件，所以不會發(fā)生反應(yīng)。即便在焊接過程中，溫度可以達到高熔點金屬的熔點溫度時，此金屬也不再發(fā)生熔化反應(yīng)。因為高熔點金屬在焊接時會發(fā)生凝固并收縮的情況，在凝固的金屬上產(chǎn)生壓力，且焊接的過程中非常容易出現(xiàn)裂紋。

2.2 不同的熱傳導(dǎo)率

比熱容量的異種金屬具有的熱傳導(dǎo)率及比熱容量之間存在差距，異種金屬的熱傳導(dǎo)率和比熱容量的差異比較大的情況下，熱平衡會出現(xiàn)傾斜。焊接過程中的焊接間隙會隨著金屬不均等的熔化而改變，兩側(cè)金屬的結(jié)晶化也會隨之改變。例如：導(dǎo)熱率高的金屬在焊接中耐熱性弱，在冷卻中冷卻迅速進行硬化，導(dǎo)熱率低的金屬在焊接中過熱。

2.3 不同的線膨脹系數(shù)

對兩種具有不同線性膨脹系數(shù)的金屬進行焊接時，因為其具有不同的收縮時間和冷卻時間，會產(chǎn)生更大的焊接應(yīng)力，焊接裂紋也會極其容易產(chǎn)生。焊接難度會因為兩種金屬的先膨脹系數(shù)差值的增大而增加。更大的熱應(yīng)力會在加熱焊接的過程中產(chǎn)生，因此會出現(xiàn)裂紋，甚至焊接接頭會從焊接基材上脫落。

2.4 不同的磁場作用

不同磁性特征的金屬同樣對焊接會產(chǎn)生很大的影響，這和焊接方法有一定的關(guān)系。例如：電子激光焊接或電弧焊方法使用情況,磁場的差異是否會導(dǎo)致電子光束軸脫離飛,弧電流越軌。由于焊接金屬的溶解,會使大量熔融金屬的底部失去磁性,因此無法產(chǎn)生焊接間隙。

3 異種金屬之間的相溶問題

異種金屬的元素間的關(guān)系決定著兩種元素是否可以進行焊接。兩種金屬在固體條件下即可進行焊接，即不需要液體環(huán)境進行融化的情況下,二者可以形成新的狀態(tài),金屬可以進行融合，兩種異質(zhì)金屬在原理上可以直接進行焊接。但需要滿足一定的條件才可以讓合金元素進行相溶。第一，兩種金屬需要匹配的晶格。例如：立方晶格的金屬可以進行焊接。其次，對于原子半徑的差距有一定的限制。最后，兩種元素在化學(xué)周期表上的位置也不可以距離過遠，這樣可以保證金屬的電化學(xué)性質(zhì)差別不大。當(dāng)異種金屬可以同時滿足上述的三個條件，這兩種金屬才能無限制地熔化，形成的固溶體稱為無限大固溶體。但是兩種金屬只能達到上述條件的某一部分，無法完全滿足三個條件時，想要熔化就只能在特定的條件下進行。具有此種性質(zhì)的固溶體名為有限固溶體。當(dāng)“有限固溶體”的溶質(zhì)金屬的他溶解度達標且已經(jīng)接近飽和度時，發(fā)生下列反應(yīng)的可能性會增大：

（1）該固溶體通過沉淀產(chǎn)生其他類型的固溶體，在焊接過程中形成這兩種固溶體的混合物。

（2）在兩種固態(tài)金屬中產(chǎn)生金屬間的化合物。通常情況下，金屬間化合物的物理性質(zhì)表現(xiàn)為硬且脆，這種性質(zhì)名為“脆性階段”。由于異種金屬在焊接過程中可以產(chǎn)生金屬化合物組織焊接的成功，所以對兩種金屬的焊接無法進行。焊接接頭的塑性和韌性會因為固溶體焊接間隙中的金屬化合物而相應(yīng)降低，對焊接產(chǎn)生巨大的不利影響，金屬間化合物的種類、形式等對影響程度起決定性作用。晶界的網(wǎng)狀分布以及焊接質(zhì)量會隨著焊接間隙中含有金屬化合物的含量變化。需要避免或控制金屬間化合物的形成。由于金屬間哈和我需要一定的時間才可以形成，且需要在固定的溫度條件下才可以形成，如果控制焊接時間或是在低溫環(huán)境下進行焊接，會在很大程度上降低產(chǎn)生金屬化合物的概率。若是兩種金屬在液態(tài)和固態(tài)的情況下都不會熔化，也不會形成金屬間化合物。在液體狀態(tài)下，會根據(jù)重量和密度出現(xiàn)分層現(xiàn)象，但此過程是在焊接后的冷卻時間形成的[1]。在相對獨立的晶體中發(fā)生此種情況，異種異質(zhì)金屬無法直接焊接。如果需要對這兩種異質(zhì)金屬進行焊接，只能使用其他物理性能與這兩種金屬相容的金屬作為焊接的中間過渡層，焊接工作通過過渡層進行。

（3）復(fù)合鋼板的結(jié)構(gòu)接頭。生活中普遍使用的是以珠光體結(jié)構(gòu)鋼作為過渡層，使用奧氏體不透水鋼作為熔覆層的過渡層接頭。

4 焊接材料對焊接質(zhì)量的不利影響

焊接材料中含有對焊接質(zhì)量產(chǎn)生負面影響的元素，由于這些元素的存在，焊接產(chǎn)品的焊接部位會產(chǎn)生氣孔率、熔渣等缺陷。在一般使用的焊接材料中，這樣的元素主要是硫、磷、氮。焊接材料的含硫量過高，會在焊接過程中生成熔點低的共晶晶體。由于這些共晶晶體的強度非常低，焊接后的焊縫在被拉伸或施加應(yīng)力時容易開裂[2]。焊接缺陷和影響在二次修補焊接中也不可避免會出錯，磷元素的具有較強的固溶強化能力，當(dāng)焊接材料中的磷元素過多，就可以加強焊接線的強度。焊接母材的可塑性和韌性之間的影響，會影響焊接產(chǎn)品在未來的使用以及功能。焊接中過量的氮元素，會直接作用在焊接質(zhì)量上，因為氮元素有減少焊接金屬母材的可能性。當(dāng)焊接電流或焊接溫度再次發(fā)生變化時，很有可能發(fā)生熔解性問題，這直接影響焊接金屬基材的金屬特性，給焊接產(chǎn)品的使用帶來隱患。

5 影響異種金屬焊接的焊接技術(shù)

異種金屬的焊接分為壓力焊接，焊接以及蠟焊等。焊接對金屬的稀釋率有很大的影響[3]。熔噴過渡和間歇過渡對稀釋率有著不同的影響，前者的影響最大，后者的影響最小。亞麻電弧焊的熔化深度較大，稀釋比約為10%～60%，采用帶狀焊條是降低稀釋比最主要的使用方法。對異種金屬進行焊接時，減少稀釋最普遍常用的方法是焊接過渡層法。可以將焊接技術(shù)產(chǎn)生的影響降低到最小。壓力焊接需要在特定壓力環(huán)境中進行焊接。在室溫條件下，金屬或熱塑性塑料需要非常高的焊接金屬接頭。擴散焊接和冷壓過程是焊接過程中接頭的金屬溫度。因為對焊接的要求少，也不會產(chǎn)生金屬化合物，所以此焊接方法對異種金屬的焊接質(zhì)量有最大程度的保障。蠟焊也是一種相對普遍的焊接方法，焊接前需要先熔化異種金屬。焊接異種金屬難度最好的焊接技術(shù)的使用對象是容易受金屬間化合物營養(yǎng)和異種金屬的焊接。通常情況是，首先進行焊接，然后進行熔焊。

6 異種金屬的焊接分析

通過了解異種金屬的焊接，分析影響焊接的因素可以發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)暮附臃椒?、合適的過渡材料以及根據(jù)焊接要求選擇的焊接技術(shù)，才能保證焊接質(zhì)量不會出現(xiàn)問題。為了分析異種金屬焊接時需要注意的事項，以不銹鋼管和鉻鉬鋼的焊接為例[5]，異種金屬焊接后的探傷表面不會出現(xiàn)間隙或裂紋，強度保持在500mpa。首先需要對金屬的焊接端面進行處理，然后進行預(yù)熱。中間連續(xù)層的材料是鎳基電極。在最初的焊接過程中，由于輻射，焊接接頭會出現(xiàn)極大的裂紋，將會廢棄不銹鋼金屬。通過對結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，在焊接過程中，焊接應(yīng)力會因為不銹鋼管的線膨脹系數(shù)過大而增大，導(dǎo)致接頭處產(chǎn)生裂紋，因此重新選擇了焊接方法和方法。

第二次焊接，首先兩個金屬的溝端面加工,焊接溝的底部安裝、鎳標準電極。Cr-Mo鋼需要在焊接開始前先進行預(yù)熱處理,把溫度控制在15℃上下。Cr-Mo鋼側(cè)面的拉絲環(huán)需要在預(yù)熱過程中需要及時取下[6]，不銹鋼管槽不預(yù)熱。Cr-Mo鋼材與不銹鋼管的焊接角保持5 mm的距離,保持熔融線的溶加材料的位置,避免不銹鋼管線膨脹系數(shù)過大。焊接應(yīng)力大的話會產(chǎn)生裂縫。冷卻后，去除石棉，轉(zhuǎn)動接合部，去除焊接部的痕跡，使焊接面機械化，完成焊接面。焊接后，在接合處進行內(nèi)外的顏色探傷。想要除去應(yīng)力就需要首先加熱焊接部。對表面進行研磨后再次進行探傷，焊接結(jié)果就不會出現(xiàn)缺陷[4]。

7 結(jié)語

焊接過程中難免出現(xiàn)對異種金屬進行焊接，異種金屬自身物理性質(zhì)的巨大差異會對焊接產(chǎn)生很大的不利影響，因此對異種金屬焊接時產(chǎn)生的問題要格外注意，尤其是在焊接工序中需要注意。為了達到良好的熔接結(jié)果，需要對不同異種金屬采用不同的熔接技術(shù)。