關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，我國的科學制造技術的不斷發展，給各行各業帶來了新的發展，重點表現在制造加工行業。制造加工產業涉及的范圍廣泛，而且制造產品零件數量多，加工過程繁瑣，加工難度較大，現如今對于制造產品的質量要求也越來越高，制造產品的質量除了與材料本身有關，還與產品的加工方式有關，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，結合個人的工作經驗，給出了焊接工藝措施建議，僅供相關人士參考。

關鍵詞：異種金屬焊接問題;焊接工藝

引言

這些年來，我國的科學技術水平不斷提高，各種新設備、新技術、新工藝應運而生，隨之對我國的工程構件的質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揮。同時還能夠有效替代貴重金屬，減少不必要的經濟投入，提升企業的經濟效益。所以在社會的各個行業之中，經常可以看到異種金屬焊接的廣泛應用。但是，近幾年我國經常發生異種金屬焊接失效的情況，造成了一定的財產損失和人員傷亡。

1異種金屬焊接的特點

在各種加工制造行業中，采用鋁合金與鋼為基本材料的金屬構件已經成為了一種主流，鋁合金具有質量輕、耐腐蝕性強、塑性好等特點，鋼則是目前機械加工行業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，機械連接雖然能夠實現高強度的連接，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。這就導致在兩者進行焊接時，鋁材料已經完全融化，整體呈現液態，而鋼仍處于固態。②密度不同。二者之間的密度也不同，由于液態的鋁水比鋼水的密度小，所以盡管二者同時融化，那么也會出現鋁水浮在鋼水上的現象，這樣就會導致在進行冷卻、定型時，容易出現金屬之間融合不均勻的現象，導致整個金屬接頭性能不理想。③熱導率不同。由于二者之間的密度和熱導率都不相同，加上線膨脹系數存在很大差別，因此在進行焊接的時候，就會造成焊接接頭的變形，如果變形十分嚴重的話，還會產生焊接金屬裂紋。

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合的方式。但是需要注意的是，采用上述方法，會導致鋁和鋼之間產生硬度較高的化合物，加上金屬之間的物理性質不一致，就容易造成壓焊過程金屬發生高塑性變形，產生高硬度的化合物，從而導致復合板性能下降。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焊接區的力學性能分析

在焊縫區的力學性能研究中，人們仍然沿用拉伸試驗、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化焊接接頭的力學性能，但熱處理也會降低焊接區的某種力學性能。由于焊縫區組織粗大，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，過時效會導致粗晶區的析出相的數目增多，基體回復、再結晶程度過大，導致硬度下降，即出現軟化現象。由于組織變化和碳遷移在接頭異質界面融合線兩側產生較大的硬度差，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于摩擦焊。對于電子束焊，鐵素體不銹鋼一側的熔合區和雙相不銹鋼一側靠近熔合線的熱影響區的硬度要比其他區域的高很多，而奧氏體一側的各區域的硬度相當。對于摩擦焊，奧氏體不銹鋼一側和雙相不銹鋼一側界面處的硬度最高，這可能是由于摩擦焊過程的加工硬化效應所致。

2.3焊接材料

選擇焊接材料時，重點考慮的內容是焊縫金屬的性能和成分。當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，消除焊接殘余應力，降低應力腐蝕的敏感性，軟化熱影響區。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，部分學者認為應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。研究發現，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。焊后熱處理的去應力效果比較明顯。結果表明，低的焊接熱輸入或雙道焊能夠減小焊接熱影響區的寬度，并使接頭殘余應力峰值降低，且焊后熱處理能明顯降低接頭的焊接殘余應力。

2.5工藝參數的選擇

選擇合適的焊接工藝參數，能夠有效保證焊接接頭質量，焊接的工藝參數包括許多方面，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，也會導致整體的輸入熱量增大，與之對應的整個熱影響區的范圍也有所增加。

結語

在實際的生產加工中，制造廠商為了節約成本，采用異種金屬焊接來替代昂貴金屬，實現效益最大化。異種金屬焊接接頭組織變化復雜，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性能、高溫性能和腐蝕性能等往往低于母材，并存在復雜的應力分布，其中熔合區是最薄弱環節，如何提高熔合區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，現代先進的檢測手段和日益發展的計算機模擬技術將成為主要的研究手段。

參考文獻

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