異種金屬材料物理性質對焊接的影響分析

（武威職業(yè)學院，甘肅 武威 733000）

異種金屬材料焊接指的是不同金屬材質的兩種或者兩種以上的金屬材料焊接，如銅、鋁材料、鋁和鋁合金材料的焊接等。隨著合金材料技術的發(fā)展，合金材料因物理性質較單一金屬材料性質更加優(yōu)越而應用越來越廣泛，出現(xiàn)了同種金屬不同材質的焊接，也屬于異種金屬材料焊接范疇，如鋼材的16Mn和Q235材料的焊接[1]。

異種金屬材料焊接受焊接材料物理性質影響較大，導致常出現(xiàn)焊接缺陷、焊接質量降低等問題出現(xiàn)。本文以異種金屬材料的焊接為研究對象，重點分析材料的物理性質對焊接質量的影響。

1 常見的異種金屬材料物理性質對焊接的影響

1.1 金屬材料熔點的影響

金屬材料在焊接過程中必須要將兩種或者兩種以上的金屬材料熔化，因此，若需要焊接的多種金屬元素之間的熔點差異較小，不同金屬材料之間的焊接就可以較簡易的完成，一般不同金屬材料之間的熔點差小于100℃時，都可以較輕松的完成。但是，在實際焊接過程中，常遇到不同金屬材料之間的熔點差大于100℃的現(xiàn)象，此時就會導致熔點較低的金屬材料已經(jīng)被熔化呈液體，而熔點高的金屬材料因未能達到其熔點而未能熔化，使得二者焊接處無法很好的融合。此外，高熔點的金屬材料在焊接過程中會出現(xiàn)凝固收縮等現(xiàn)象，導致部分固結的金屬形成壓力，進而使得焊接部位出現(xiàn)裂縫，影響焊接質量。

1.2 金屬材料的導熱率和比熱容的影響

一般來說，金屬材料具有較高的導熱率和比熱容，不同的金屬材料之間的導熱率和比熱容差異較大。在異種金屬材料焊接過程中若二者的導熱率和比熱容相差不大時，不會出現(xiàn)熱輸不均勻等問題，可以完成高質量的焊接成果。但是，常用的異種金屬材料之間的導熱率和比熱容差異較大，造成焊接過程中不同金屬材料的熱輸不平衡，導致焊接中金屬熔化不均勻，常伴隨出現(xiàn)焊接裂縫等缺陷[2]。此外，這種受熱差異可能導致焊接材料兩側的結晶結構發(fā)生改變，進而引起金屬材料物理性質的變化。焊接過程中比熱容較高的金屬材料更易受熱，在冷卻過程中也更易迅速冷卻而出現(xiàn)淬硬現(xiàn)象，降低焊接質量；導熱率較低的金屬材料因導熱速率低，使得焊接過程中受熱不均勻而出現(xiàn)部分材料過熱問題。

1.3 金屬材料線膨脹系數(shù)的影響

金屬材料的線膨脹系數(shù)也是金屬材料的固有屬性，不同金屬材料之間的線性膨脹系數(shù)差異較大。因此，在異種金屬材料焊接過程中可能因不同材料線性膨脹系數(shù)差異較大而導致收縮、冷卻時間差異較大，造成焊接應力變化較大，極易出現(xiàn)焊接裂縫等缺陷。通常不同金屬材料的線性膨脹系數(shù)差異越小，焊接難度顯著較低；線性膨脹系數(shù)差異越大，焊接難度顯著增加，且在焊接過程中因出現(xiàn)很大的熱應力而導致焊接裂縫等缺陷的出現(xiàn)，甚至是焊接母體與焊接接頭脫離。

1.4 磁場作用的影響

磁場作用對焊接質量的影響主要表現(xiàn)為磁性不同的異種金屬材料的焊接上，與所選用的焊接方法有著密切的聯(lián)系。常見的直流電弧、電子束等焊接方法，在磁性差異較大的異種金屬材料焊接中可能因為磁場的不同而導致電弧偏吹、電子束偏離金屬固定的軸線等現(xiàn)象，使得電流向金屬磁體的另一側偏離，引起焊接金屬熔化量顯著增大，金屬熔化程度加劇或造成磁性弱的金屬材料不能融合而出現(xiàn)焊接裂縫等缺陷。

2 異種金屬材料相溶性差異的影響

異種金屬材料之間能否順利完成焊接主要取決于焊接材料的相溶性特征，即不同金屬元素之間的相互作用。在冶金工藝上，對于不同金屬材料在不熔化的條件下就可以形成固態(tài)相溶體的金屬材料就可以進行焊接工作，這就要求需要焊接的異種金屬材料必需滿足：一是不同金屬材料的晶格類型相匹配，如都為立方體晶格類型等，就可以更好的相溶；二是不同金屬材料的原子半徑相近，原子半徑相近的金屬元素一般具有相似的物理性質，容易進行焊接；三是異種金屬元素在周期表中的位置相對靠近，其物理性質差異小，物理習性差異小，容易完成焊接。因此，在異種金屬材料焊接過程中，若不同金屬材料滿足上述3點基本要求，則相溶后的新型金屬固體常稱為“無限制固溶體”；若滿足上述兩種或者一種基本要求，則不同金屬元素材料之間的相溶性較差，形成的固溶體常稱為“有限制固溶體”[3]。因此，對于可以形成“有限制固溶體”的異種金屬材料焊接來說，在焊接過程中可能析出其他固溶體而形成金屬化合物，雖然增加了焊接部位的硬度，但是也顯著的增加了金屬化合物的脆性，降低了焊接質量。異種金屬材料在焊接過程中還可能出現(xiàn)下述現(xiàn)象，即不同的金屬材料無論是在液體狀態(tài)下還是固體狀態(tài)下都不能發(fā)生熔解，也不能形成相應的金屬化合物，而是在液體狀態(tài)下根據(jù)金屬元素的比重出現(xiàn)分層結晶，使得焊接不能進行。若必需對上述金屬材料進行焊接，就必須選取與上述金屬材料都有相溶性的金屬材料進行焊接，即以過渡層的方式實現(xiàn)焊接目的。

3 結語

綜上所述，異種金屬材料在焊接過程中因自身的物理化學習性差異而出現(xiàn)焊接缺陷或者不能焊接現(xiàn)象，如不同金屬元素之間的熔點、比熱容、導熱率、磁性、線性膨脹系數(shù)等均是影響焊接質量的主要物理影響因素。因此，在焊接過程中，要選擇物理習性相近，熔點、比熱容、導熱率、磁性、線性膨脹系數(shù)等差異相近的材料進行焊接，可以有效的提高異種金屬材料的焊接質量。此外，不同金屬元素之間的相溶性也是影響異種金屬材料焊接質量的影響因素，在焊接過程中要根據(jù)材質的不同而選擇不同的焊接工藝，才能實現(xiàn)良好的焊接效果。