淺析異種金屬材料物理性質(zhì)對(duì)焊接的影響

花雷生

摘要：異種的金屬材料由于其物理性的不同對(duì)焊接的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生不同的影響。在實(shí)際的工程焊接中，異種金屬焊接的需求非常多，根據(jù)焊接金屬材料的不同可以將焊接分為異種鋼材料焊接、異種有色金屬焊接、鋼材料與有色金屬的焊接。鑒于異種金屬對(duì)焊接的影響，在進(jìn)行異種金屬的焊接過程中通常需要注意一些事項(xiàng)，文章對(duì)此進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：異種金屬材料；物理性質(zhì)；焊接質(zhì)量；相溶性；焊接工藝 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG453 文章編號(hào)：1009-2374（2016）08-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.032

異種金屬材料焊接指的是兩種或者多種金屬材料進(jìn)行的焊接工作，最為常見的是銅和鋁的焊接。除了金屬的物理性質(zhì)不同，對(duì)同種金屬材料而言，同種材料的不同種性質(zhì)的存在，比如鋼材料的Q235和16Mn焊接，物理性質(zhì)的不同使得同種金屬在焊接時(shí)也要采用不同的焊接技術(shù)，只有這樣才會(huì)保障焊接的質(zhì)量。

1 金屬的物理性質(zhì)不同對(duì)焊接的影響

1.1 金屬的熔點(diǎn)

在兩種金屬焊接的過程中，要將兩種金屬融化。假如這兩種金屬的熔點(diǎn)相差較小，都在100℃之內(nèi)的話，焊接就非常容易；但是如果金屬的熔點(diǎn)相差很大，比如一種金屬的熔點(diǎn)在100℃之內(nèi)，另一種金屬的熔點(diǎn)在100℃以上或是兩種金屬熔點(diǎn)溫度差在100℃以上，在焊接的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：熔點(diǎn)溫度低的金屬在加熱的過程中熔化成液體，而熔點(diǎn)高的金屬由于沒有達(dá)到熔點(diǎn)就沒有熔合；熔點(diǎn)高的金屬在焊接過程中會(huì)出現(xiàn)凝固收縮情況，對(duì)部分凝固的金屬形成壓力，導(dǎo)致在焊接的過程中出現(xiàn)裂縫。

1.2 熱導(dǎo)率和比熱容的差異

不同種金屬的熱導(dǎo)率和比熱容存在著差異，當(dāng)兩種金屬的熱導(dǎo)率和比熱容差異比較大的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)熱輸入不平衡的情況。在焊接的過程中金屬熔化的不均勻，導(dǎo)致焊接的縫隙出現(xiàn)變化，兩側(cè)金屬的結(jié)晶情況也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。比如熱導(dǎo)率比較高的金屬在焊接的過程中容易受到熱的影響，在冷卻的過程中也會(huì)迅速發(fā)生冷卻出現(xiàn)淬硬現(xiàn)象，而熱導(dǎo)率較低的金屬在焊接的過程中會(huì)出現(xiàn)過熱的情況。

1.3 線膨脹系數(shù)

線膨脹系數(shù)不同的兩種金屬在焊接的過程中，會(huì)由于收縮時(shí)間和冷卻的時(shí)間不一致出現(xiàn)很大的焊接應(yīng)力，容易出現(xiàn)焊接裂縫。兩種金屬的線膨脹系數(shù)相差越大，焊接難度就越大，在焊接加熱的過程中會(huì)出現(xiàn)很大的熱應(yīng)力，在焊接中容易出現(xiàn)焊接裂縫，甚至是導(dǎo)致焊接接頭與焊接母體脫離。

1.4 磁場(chǎng)作用不同

磁場(chǎng)不同導(dǎo)致的焊接問題主要是由于磁性不同的金屬焊接，這與焊接方法也有著一定的關(guān)系。比如采用電子束焊接或是直流電弧的焊接方法時(shí)，由于磁場(chǎng)不同使得電子束偏離軸線或者電弧偏吹的情況，電流出現(xiàn)偏離，這樣就會(huì)導(dǎo)致焊接的金屬熔化量很大，造成金屬熔化過度或是金屬底部缺少磁性不能熔合而產(chǎn)生焊接縫隙等。

2 異種金屬的相溶性差異影響

兩種金屬能否進(jìn)行順利焊接主要取決于這兩種金屬在焊接的過程中，其合金元素是否能夠互相作用。在冶金上關(guān)于兩種金屬符合焊接的定義是：兩種不同金屬在不熔化（液態(tài)環(huán)境下）的條件下，即固態(tài)環(huán)境下就可以形成為一種新型的固態(tài)相溶體，那么這樣兩種金屬就可以進(jìn)行焊接工作。焊接的兩種金屬在相溶時(shí)一定要滿足以下基本條件：其一是兩種金屬的晶格類型相匹配，比如進(jìn)行焊接的兩種金屬都是立方晶格的類型；其二是進(jìn)行焊接的異種金屬的原子半徑很相近；其三是要求這兩種金屬在元素周期表中的位置比較靠近，這就表示這兩種金屬的化學(xué)性質(zhì)相近，差異較小。如果焊接的異種金屬符合這三點(diǎn)要素，那么這兩種金屬就可以被無限制地熔解和焊接，其相溶后形成的新型金屬固體被稱為“無限制固溶體”。當(dāng)焊接的金屬只滿足上述條件中的一個(gè)、兩個(gè)或是沒有滿足，就會(huì)使得固溶體的條件受到影響，這樣的固溶體被稱為“有限制固溶體”。

“有限制固溶體”的溶質(zhì)金屬超出了其溶解度并趨向飽和時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況：其一是這種固溶體會(huì)析出其他的固溶體，使得在焊接的過程中出現(xiàn)了這兩種固溶體金屬的混合金屬物；其二是在這兩種不同的固溶體金屬中出現(xiàn)了金屬化合物，這種金屬間的化合物有著較為堅(jiān)硬的物理性質(zhì)，但是脆性比較大，一旦產(chǎn)生了這種金屬間的化合物，就要終止焊接工作。原因就在于在固溶體的金屬間化合物存在于焊接縫隙時(shí)，接頭處的韌性、可塑性就會(huì)受到影響，對(duì)焊接效果非常不利，這種焊接還會(huì)受到金屬化合物的形態(tài)、類型所影響，在焊接縫隙中這種金屬間化合物的含量越多，焊接的質(zhì)量就下降越多，因此在焊接的過程中一定要避免出現(xiàn)金屬間化合物。在實(shí)際焊接的過程中，只要控制好焊接的時(shí)間和溫度，那么產(chǎn)生這種金屬間化合物產(chǎn)生的概率就會(huì)減少。

進(jìn)行焊接的異種金屬在固態(tài)和液體的狀態(tài)下都不會(huì)發(fā)生熔解，亦不會(huì)形成金屬間的化合物。在這樣的情況下，當(dāng)這兩種金屬熔化成液體后就會(huì)因?yàn)楸戎氐牟煌霈F(xiàn)分層，而且在焊接后冷卻時(shí)形成一種獨(dú)特的晶體，如果有這種情況發(fā)生，這兩種金屬就不能進(jìn)行焊接。如果必須要進(jìn)行焊接任務(wù)，就需要加入第三種金屬，就是與這兩種金屬都有相溶性的其他金屬作為焊接的過渡層，通過第三種金屬的過渡層來進(jìn)行異種金屬的焊接。根據(jù)接頭金屬的不同，現(xiàn)階段的過渡層金屬焊接主要有三種形式：第一種是兩種不同金屬進(jìn)行組合接頭，比如在對(duì)鋼鐵和鎂這兩種金屬進(jìn)行焊接時(shí)，可以采用純鎳金屬的焊條作為焊接的過渡層；第二種是用三種或是更多種的金屬材料進(jìn)行接頭；第三種是利用復(fù)合鋼板的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行接頭，比如用奧氏體不透鋼作為過渡接頭等。

3 焊接工藝對(duì)異種金屬焊接的影響

在異種金屬的焊接中，主要有壓焊、熔焊、釬焊等焊接工藝。熔焊對(duì)金屬稀釋率有很大的影響，嚴(yán)重時(shí)其影響會(huì)達(dá)到30%。氣體保護(hù)焊和熔化的浮動(dòng)范圍在10%～40%，其中對(duì)稀釋率影響最大的是噴射過渡，最小的是斷路的過渡焊接。埋弧焊熔深比較大，其稀釋率大約在10%～60%，降低其稀釋率的方法主要是使用帶狀電極。在對(duì)異種金屬進(jìn)行焊接時(shí)，比較常見的減少稀釋的方法是采用對(duì)焊過渡層的方法，從而將焊接方法的影響降到最低。壓焊是在一定壓力下進(jìn)行的焊接方法，其通過對(duì)金屬進(jìn)行加熱或是常溫的塑性，對(duì)焊接金屬的接頭要求非常高；擴(kuò)散焊和冷壓焊在焊接的過程中對(duì)接頭處的金屬溫度要求比較低，因此不會(huì)出現(xiàn)金屬間的化合物，這種焊接的方式對(duì)異種金屬焊接的質(zhì)量非常有保證。釬焊也是比較常見的焊接方法，其特點(diǎn)是將異種金屬熔化后進(jìn)行焊接。熔焊-釬焊是最有技術(shù)難度的異種金屬焊接方法，主要適用于容易出現(xiàn)金屬間化合物的焊接，一般是先進(jìn)行釬焊然后進(jìn)行熔焊。

4 異種金屬的焊接分析

從上文對(duì)異種金屬焊接的影響因素分析可以看出，在對(duì)異種金屬進(jìn)行焊接時(shí)，需要選擇正確的焊接方法和過渡材料，并且根據(jù)焊接要求選擇正確的焊接工藝，才能夠保證焊接接頭的優(yōu)質(zhì)質(zhì)量。本文以不銹鋼管和Cr-Mo鋼的焊接舉例說明，分析異種金屬焊接中需要注意的事項(xiàng)。不銹鋼管的外徑為220mm、內(nèi)徑為78mm，焊接要求是兩種金屬的探傷面沒有縫隙和裂紋，并且強(qiáng)度在500MPa。將兩種金屬的焊接端面的坡口加工為25°，并在坡口的底部位置安裝材料為Cr-Mo鋼的襯環(huán)，預(yù)熱處理，采用的中間過渡層材料為鎳基焊條。首次焊接過程中射線造成焊接的接頭產(chǎn)生比較大的裂縫，使得不繡鋼金屬報(bào)廢。分析原因發(fā)現(xiàn)不銹鋼管有著較大的線膨脹系數(shù)，在焊接的過程中出現(xiàn)了加大的焊接應(yīng)力，因此在焊接接頭處出現(xiàn)了裂紋，因此重新選擇焊接的工藝和方法。

第二次焊接：在焊接之前將兩種金屬的端面均加工成10°的坡口，并且在坡口的底部安裝上與焊接母材相同金屬的襯環(huán)，采用鎳基焊條在坡口和襯環(huán)邊緣處進(jìn)行高度為19mm的角焊。焊接之前對(duì)Cr-Mo鋼的坡口進(jìn)行預(yù)熱處理，溫度控制在15℃，預(yù)熱時(shí)要將Cr-Mo鋼側(cè)邊的襯環(huán)除掉，不銹鋼管的坡口不進(jìn)行預(yù)熱處理。將Cr-Mo鋼的母材裝進(jìn)不銹鋼管的襯環(huán)中，讓兩個(gè)金屬的角焊保持5mm的距離，這樣就能夠避免填充金屬在熔合線的位置，防止不銹鋼管由于線膨脹系數(shù)大造成較大的焊接應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫。讓接頭安置完畢后，用鎳基焊條在Cr-Mo鋼的坡口處采用堆焊的焊接方法。堆焊的溫度控制在150℃，焊滿坡口，并且用石棉包好接頭，冷卻到室內(nèi)溫度。冷卻后除掉石棉，對(duì)接頭進(jìn)行車削處理，從而去除焊接周圍的痕跡，對(duì)焊接表面進(jìn)行機(jī)械化加工，從而讓焊接表面精整。在焊接后，對(duì)接頭位置進(jìn)行內(nèi)外的著色探傷，發(fā)現(xiàn)存在分散性質(zhì)的氣孔，將焊接零件進(jìn)行加熱，消除應(yīng)力，表面打磨后進(jìn)行再次探傷，結(jié)果顯示焊接沒有任何缺陷。對(duì)焊接進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，檢驗(yàn)焊接的強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果表明，接頭的強(qiáng)度達(dá)到了555MPa，強(qiáng)度符合要求，說明第二次選擇焊接的方法合理，能夠滿足異種金屬焊接的要求。

5 結(jié)語

在金屬焊接的過程中，經(jīng)常會(huì)遇到異種金屬的焊接問題，異種金屬由于物理性質(zhì)的差異會(huì)對(duì)焊接產(chǎn)生很大的影響，需要認(rèn)識(shí)到異種金屬焊接問題的嚴(yán)重性，特別是焊接過程中的金屬相熔性問題。因此，在對(duì)異種金屬的焊接中，需要根據(jù)焊接金屬的物理性質(zhì)來選擇最佳的焊接技術(shù)，從而保證最佳的焊接效果。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）