异种金属焊接问题及焊接工艺分析

异种金属焊接问题及焊接工艺分析

吕士伟、王兵、刘永红

中车太原机车车辆有限公司 山西太原 030000

　摘要：　近年来，我国的科学技术水平不断提高，各种新设备、新技术、新工艺应运而生，随之对我国的工程构件的质量提出了更高的要求。但是在进行工程施工时，不论是哪一种材料，都不可能全面满足施工的需求。为了能够满足施工的需求，人们开始将不同的材料进行有效融合，让这些材料的性能得到了充分的发挥。同时还能够有效替代贵重金属，减少不必要的经济投入，提升企业的经济效益。所以在社会的各个行业之中，经常可以看到异种金属焊接的广泛应用。但是，近几年我国经常发生异种金属焊接失效的情况，造成了一定的财产损失和人员伤亡。 

关键词：异种金属；焊接 ；焊接工艺；特点

一、异种金属焊接的特点 
　　在各种加工制造行业中，采用铝合金与钢为基本材料的金属构件已经成为了一种主流，铝合金具有质量轻、耐腐蚀性强、塑性好等特点，钢则是目前机械加工行业最常见的金属材料之一。常见的二者连接方式一般分为两种，第一种是采用粘结的方式，这种方式接头的机械强度非常有限，无法满足高强度的焊接要求，因此使用的情况比较少。另外一种就是机械连接，机械连接虽然能够实现高强度的连接，但是无法保证连接的气密性，而且进行机械连接会留下连接痕迹，影响美观。因此焊接成为了异种金属的连接中最常用的连接手段，由于铝与钢的物理性能存在较大的差异，所以给焊接过程带来了一定的难度，具体包括以下几点：①熔点不同。众所周知，不同金属的熔点不同，铝材料的金属熔点低于钢。这就导致在两者进行焊接时，铝材料已经完全融化，整体呈现液态，而钢仍处于固态。②密度不同。二者之间的密度也不同，由于液态的铝水比钢水的密度小，所以尽管二者同时融化，那么也会出现铝水浮在钢水上的现象，这样就会导致在进行冷却、定型时，容易出现金属之间融合不均匀的现象，导致整个金属接头性能不理想。③热导率不同。由于二者之间的密度和热导率都不相同，加上线膨胀系数存在很大差别，因此在进行焊接的时候，就会造成焊接接头的变形，如果变形十分严重的话，还会产生焊接金属裂纹。 
　二、异种金属焊接问题分析及焊接工艺探讨 
　　1焊接方法的选择 
　　在选择焊接方法的时候，要根据材料的特性进行方式选择，满足焊接性和工艺焊接性。比如如果是铝和钢的压焊的话，那么一般采用滚焊或爆炸复合的方式。但是需要注意的是，采用上述方法，会导致铝和钢之间产生硬度较高的化合物，加上金属之间的物理性质不一致，就容易造成压焊过程金属发生高塑性变形，产生高硬度的化合物，从而导致复合板性能下降。因此可以采用压轮的方法进行焊接，该方式可以有效提高铝合金与钢板的接触力度，并且可以提升二者之间的热传递速率，该技术的使用也能够有效延展金属的强度，采用激光压力焊的方式，可以选择不同功率的激光，产生不同等级的压力，因而可以最大程度地提高接头的强度。 
　　2焊接区的力学性能分析 
　　在焊缝区的力学性能研究中，人们仍然沿用拉伸试验、冲击试验和硬度试验等手段进行分析。通过焊后热处理可以优化焊接接头的力学性能，但热处理也会降低焊接区的某种力学性能。由于焊缝区组织粗大，其强度和硬度要高于母材，而韧性则低于母材，时效处理可以改善焊缝的韧性。然而，过时效会导致粗晶区的析出相的数目增多，基体回复、再结晶程度过大，导致硬度下降，即出现软化现象。由于组织变化和碳迁移在接头异质界面融合线两侧产生较大的硬度差，二次回火可使硬度整体下降，但几乎不影响其分布规律。对奥氏体、铁素体和双相不锈钢两两之间焊接接头性能的研究表明，所有接头的冲击韧性都小于母材，而电子束焊的焊接接头的冲击韧性和缺口拉伸强度均优于摩擦焊。对于电子束焊，铁素体不锈钢一侧的熔合区和双相不锈钢一侧靠近熔合线的热影响区的硬度要比其他区域的高很多，而奥氏体一侧的各区域的硬度相当。对于摩擦焊，奥氏体不锈钢一侧和双相不锈钢一侧界面处的硬度最高，这可能是由于摩擦焊过程的加工硬化效应所致。 
　　3焊接材料 
　　选择焊接材料时，重点考虑的内容是焊缝金属的性能和成分。当接头没有明显缺陷时，最好选择韧性和塑性较高的材料;焊缝金属的性能比较一般时，可以选择不低于母材性能的焊材，同时还要考虑焊接的工艺性能;焊接异种钢时，可以选择低氢型的焊条，保持其干燥性。 
　　4异种金属焊接与热处理 
　　由于焊接过程类似于金属冶炼过程，有时因为焊接工艺的选择、焊材匹配不合理，焊后接头的组织性能未能达到要求，采用焊后热处理可以弥补这些不足。一般认为，焊后热处理可以改善组织，提高焊缝的塑性，使氢逸出，消除焊接残余应力，降低应力腐蚀的敏感性，软化热影响区。对于异种金属焊接接头是否要进行焊后热处理存在不同的观点，部分学者认为应尽量避免焊后热处理，其理由是：焊后热处理会促进碳的迁移，使接头性能进一步恶化;碳化物和σ相的析出会导致焊缝金属脆化和耐腐蚀性能降低等不利后果;焊后热处理不能达到消除残余应力的目的，只能使其重新分布;对某些高合金钢，如奥氏体钢，焊后热处理会促进网状组织的形成。对于一些淬硬倾向很大的焊接接头（如电渣焊接头），为了改变HAZ的韧性，减少冷裂敏感性，必须要进行焊后热处理。研究发现，短时间的高温焊后热处理对接头的高温时效性能有利，尤其是对Ni基合金焊缝金属情况。焊后热处理的去应力效果比较明显。结果表明，低的焊接热输入或双道焊能够减小焊接热影响区的宽度，并使接头残余应力峰值降低，且焊后热处理能明显降低接头的焊接残余应力。 

　　5工艺参数的选择 
　　选择合适的焊接工艺参数，能够有效保证焊接接头质量，焊接的工艺参数包括许多方面，具体包括焊接的电流电压等级、焊接速度以及焊条直径等。这些参数不仅各自对焊接过程有影响，二者相互之间也有影响，比如焊接电流增大，也会导致整体的输入热量增大，与之对应的整个热影响区的范围也有所增加。 
　　三、结语 
　　在实际的生产加工中，制造厂商为了节约成本，采用异种金属焊接来替代昂贵金属，实现效益最大化。异种金属焊接接头组织变化复杂，易形成粗大晶粒等缺陷，如何改善异种金属焊接接头组织仍然是一个难题;今后的研究工作中，人们可以从焊材的匹配、冷却速度的控制和焊后热处理等方面寻找突破口。由于碳的迁移和金属稀释等原因，异种金属焊接接头的力学性能、高温性能和腐蚀性能等往往低于母材，并存在复杂的应力分布，其中熔合区是最薄弱环节，如何提高熔合区的综合性能是今后异种金属焊接研究的重点与难点。异种金属焊接今后的研究重心将偏向新焊材的研制、接头抗腐蚀性能的提高、轻合金异种材料的焊接等，现代先进的检测手段和日益发展的计算机模拟技术将成为主要的研究手段。 
　　参考文献 
　　[1] 罗平英.关于异种金属焊接问题分析及焊接工艺探讨[J].四川水泥，2019（12）：23-24. 
　　[2] 马立峰.锅炉异种金属焊接的缺陷问题探讨[J].科技展望，2016（13）：55-56. 
　　[3] 卫寿亮，李玉祥，王涛.异种金属6542钢和65Mn钢激光焊接表面缺陷分析[J].激光杂志，2019（11）：120-123.

作者简介：吕士伟（1989.05——）男，汉族，山西大同人，焊接技师，研究方向：焊接工艺。