淺談異種金屬激光焊接

文/張 寧 曲浩然

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淺談異種金屬激光焊接

文/張 寧 曲浩然

摘 要：隨著的社會科技與經濟水平的發展，現代工業對零部件的性能提出了更高更多樣化的要求。目前任何單一的金屬材料都不可能完全滿足生產全面的需要，雖然有極少類別的金屬能達到理想的效果，但是這種類別的金屬往往也比較昂貴，因此在實際的工業作業工程中，對異種金屬進行合成的技術就成為了重點。在工業生產中，鋁及鋁合金的應用較為廣泛，近年來鋁與鋼連接問題熱度持續上升，但是鋁和鋼的焊接問題具有較大的難度性。本文首先對異種金屬的焊接性問題進行了闡述，然后對目前鋁和鋼焊接的相關方法做出了說明，不同的焊接方式各有利弊，說明我國鋁和鋼焊接的未來發展前景還是比較廣闊的。

關鍵詞：鋼鋁焊接；異種金屬；焊接技術；問題

一、緒論

目前對于異種金屬合成的發展，鋁和鋼的焊接也成為機械制造業中的重點與難點，由于不同金屬性能的差別，導致異種金屬的焊接具有較大的難度性。鋼和鋁的連接方式有粘接與機械連接兩種，粘接的使用比較局限，不適用于超強度的焊接要求，適合對接頭強度要求低的焊接過程；而機械焊接能實現較高的接頭焊接強度，但是不能保證良好的氣密性，而且機械連接一般會留下連接痕跡[1]，對于要求精密的金屬部件，這種方法顯然不適合。為了實現異種金屬的合成，達到最佳的金屬性能，降低金屬制造成本，近年來，廣大研究人員正在對異種金屬焊接技術進行研究與探索，本文就異種金屬焊接技術的相關方法與問題進行了論述。

二、鋁鋼異種金屬的焊接性

在各種加工制造行業中，鋁合金的質量輕、耐腐蝕性強、延展性較高[2]，成為目前廣泛應用的一種輕金屬，而鋼是機械加工行業中使用最普通的金屬，在工業建設中扮演著重要的角色。近年來，以鋁、鋁合金為基本材料的金屬構件使用越來越普遍，并得到了人們的關注。

鋁與鋼的金屬的物理與化學性能上有較大的差異，導致鋁與鋼焊接過程難以實現，主要的差異體現在以下幾點:

（1）熔點不同；鋼的熔點比鋁的熔點高，在兩者進行焊接的過程中，由于溫度的變化當鋁完全熔化成液體的狀態時，鋼仍處于固態的形式；兩者的密度也相差很大，如果實現了鋁與鋼的同時融化，這時候由于液態的鋁水比鋼水的密度小，會浮在鋼水上，在對金屬進行冷卻、定型時，就導致兩種金屬融合的不均勻，從而降低金屬接頭的性能。

（2）夾渣現象容易發生；夾渣現象指的是鋁及合金在焊接的過程，在母材上形成氧化膜，這種氧化膜很難融化，從而阻礙了兩種金屬的融合；通常在熔池表面也會產生氧化膜，并隨著溫度的升高變得越來越厚。氧化膜會嚴重影響到液態金屬的融合，最終導致金屬焊縫中出現夾渣的現象[3]。

（3）鋁鋼焊接接頭變形問題；由于鋁與鋼的密度、熱導率相差較大，兩者的線膨脹系數也差距很大，在鋁和鋼的焊接過程中會造成焊接接頭的變形，嚴重時會造成焊接金屬裂紋的產生。

三、鋁和鋼焊接的相關方法與問題

1.鋁和鋼的壓焊

在鋁和鋼的焊接過程中，形成鋁鋼復合板是通過滾焊或爆炸復合的方式，但在這個過程中，鋁和鋼之間容易形成硬度較高的化合物，由于鋁與鋼物理、學相關的差異較大，導致壓焊過程金屬的高塑性變形，從而使金屬材料發生高密度位錯，形成高硬度的化合物，影響復合板的使用性能。

為了提高鋁合金與鋼板的接觸力度，相關研究人員發現了壓輪的方法，使用壓輪的方法能提高壓焊過程中鋁和鋼之間的熱傳遞速率；由于金屬間脆性物質的存在，金屬間的斷裂現象時有發生，激光壓力焊接技術的普及與應用提高了金屬間的延展性與強度，激光壓力焊可以根據不同的壓力使用不同功率的激光，有效的提高了接頭的強度。

2.鋁和鋼的攪拌摩擦焊

當對鋁合金和不銹鋼進行焊接時，我們通常采用攪拌摩擦焊[4]的方式提高焊接的質量。大量的實驗表面，當異種金屬焊接過程中處于低轉速的情況下，如果不能保證溫度增長的速度，就會造成焊接接頭的燒壞；而在高轉速下，金屬又會快速燃燒，也不能很好的保證金屬的性能。鋁和鋼在焊接過程中未來保證良好的焊縫強度與接頭形態，通常采用摩擦攪拌焊，這種方法在異種金屬焊接中的使用率很高，具有節約能源、時間的優點，所需的能量與溫度較低，保證了異種金屬良好的形態，但是其焊接效率還仍需進一步提高，相關的研究與工藝也不太成熟。

3.釬焊

近年來，相關研究人員對鋁合金與不銹鋼的焊接工藝做出了研究，利用釬焊工藝方法降低了異種金屬焊接過程中焊縫的化合物的產生。實驗表明采用釬焊工藝方法進行焊接能防止鋁、鐵原子的擴散，根據鋼和鋁的熔點差異，利用銅與焊縫交界面產生的A1Cu有效的提高了焊縫的裁剪性能，很好的結合并利用了釬焊與熔焊的特點。

近年來，釬焊形式一電弧焊形式的焊接方法也廣為傳用，釬焊形式一電弧焊方法的原理是利用電源對鋼以及鋁進行加熱，并將鋁基焊絲接頭進行融化，同時保證鋼母材的固態狀態。釬焊形式一電弧焊方法實現了熔焊方法的結合，具有很高的靈活性，并且不會造成能源的浪費，是一種高效的高溫焊接方式。利用釬焊形式一電弧焊方法進行異種金屬的焊接時，很大程度的縮短了釬焊接頭在高溫下的處理時間，抑制了母材產生較大晶粒，保證了焊接后金屬外觀的流暢與美觀，具有較好的自動化性能，很大地提高了異種金屬焊接的質量。

四、結語

社會科技與經濟水平的發展對機械制造業的發展水平提出了更高的要求，為了提高金屬構件的性能，異種金屬合成的課題被人們廣泛關注起來。鋁和鋼之間性質差異較大，兩者的焊接問題一直都是廣大研究人員的研究難點。異種金屬焊接技術質量的提高直接影響到金屬結構復合工程的發展，甚至成為整個機械制造業的發展的重要指標。

參考文獻：

[1]虞鋼，趙樹森，張永杰，何秀麗，龐銘.異種金屬激光焊接關鍵問題研究[J].中國激光，2009，02：261-268.

[2]趙旭東.鋁/鋼異種金屬激光填充粉末熔釬焊接技術研究

[3]王紅陽.鎂鋁異種金屬激光膠接焊工藝及微觀組織研究[D].大連理工大學，2010.

[4]鋁學勤，石忠賢，楊尚磊，等.鋁(鋁合金)與不銹鋼的過渡層釬焊工藝及機理分析[[J].機械工程材料，2004，28（1）：23-25.

（作者單位：齊齊哈爾工程學院）