異種金屬焊接問(wèn)題及焊接工藝探討

孫 洋，蒲紅旭

（佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

異種金屬焊接工藝的目的在于最大限度發(fā)揮金屬材料性能，改善金屬材料原有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)減少對(duì)昂貴金屬材料的運(yùn)用，替代部分多采用稀有金屬即可，最大限度降低生產(chǎn)成本。例如目前比較常見(jiàn)的異種金屬加工就包括了鋁以及鋁合金金屬焊接加工工藝，在對(duì)二者進(jìn)行連接過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)焊接工藝效益最大化。

1 異種金屬焊接的基本特征

目前異種金屬焊接的主流搭配是鋼與鋁合金，鋼是目前機(jī)械加工行業(yè)領(lǐng)域中最為常見(jiàn)的金屬材料，而鋁合金則具有質(zhì)量輕、塑性好、耐腐蝕性強(qiáng)等等特點(diǎn)，比較常見(jiàn)的二者連接方式具有以下兩種：第一，粘結(jié)方式。該方式中接頭的機(jī)械強(qiáng)度十分有限，可能無(wú)法滿足高強(qiáng)度焊接要求，使用情況相對(duì)偏少；第二，機(jī)械連接。該連接方式能夠?qū)崿F(xiàn)異種金屬之間的高強(qiáng)度連接，但無(wú)法保證連接氣密性，且如果機(jī)械連接方式會(huì)在連接段留下連接痕跡，嚴(yán)重影響美觀。綜上所述，焊接就成為了最為常見(jiàn)的連接手段。考慮到鋁與鋼的物理性能存在較大差異，所以其焊接過(guò)程可能存在較大難度，以下簡(jiǎn)單介紹了幾點(diǎn)異種金屬焊接的基本特征。

（1）焊接熔點(diǎn)特征。異種金屬代表了不同種類金屬，所以它們的熔點(diǎn)必然不同，對(duì)于鋁材料金屬而言它的熔點(diǎn)表現(xiàn)偏低，所以在與鋼進(jìn)行異種金屬焊接過(guò)程中必然出現(xiàn)鋁金屬材料先完全融合，整體呈現(xiàn)液態(tài)，而鋼依然處于固態(tài)的焊接熔點(diǎn)不同步情況。

（2）焊接密度特征。還以鋼與鋁合金為例，這兩種金屬的密度不同，其中液態(tài)的鋼水密度要大于鋁水，如果二者同時(shí)融化就會(huì)出現(xiàn)鋁水浮在鋼水上的情況。如此密度不統(tǒng)一的情況一旦出現(xiàn)，就會(huì)在金屬冷卻、定型過(guò)程中出現(xiàn)金屬之間融合不均勻問(wèn)題，導(dǎo)致金屬接頭性能表現(xiàn)不夠理想。

（3）熱導(dǎo)率特征。鋼與鋁合金之間存在不同的熱導(dǎo)率，所以二者在上線膨脹系數(shù)方面也存在較大差別。在焊接過(guò)程中容易造成焊接接頭嚴(yán)重變形。一旦變形過(guò)分嚴(yán)重，就會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的焊接金屬裂紋情況，不容忽視。

2 異種金屬焊接的常見(jiàn)技術(shù)問(wèn)題

在異種金屬焊接過(guò)程中會(huì)遇到各種常見(jiàn)技術(shù)問(wèn)題，具體來(lái)講以下分析4點(diǎn)。

第一，異種金屬在焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)夾渣問(wèn)題。具體來(lái)講就是在焊接母材上形成一層氧化膜，氧化膜的存在會(huì)直接增加兩種金屬之間的融合難度，而氧化膜本身也會(huì)伴隨溫度升高逐漸便后。另外，在金屬熔池表面還會(huì)產(chǎn)生一層氧化膜，伴隨金屬熔池生產(chǎn)加熱溫度逐漸升高，它會(huì)影響到液態(tài)金屬的融合成效，導(dǎo)致最終產(chǎn)生大量夾渣影響異種金屬焊接。第二，在實(shí)施焊接接頭焊接過(guò)程中，容易出現(xiàn)接頭裂紋問(wèn)題，其中裂紋還包括了熱裂紋與冷裂紋。冷裂紋是在焊接應(yīng)力作用條件下直接產(chǎn)生的，而熱裂紋則產(chǎn)生于高合金鋼焊縫，就某些純奧氏體組織而言是最容易產(chǎn)生熱裂紋的。所以在針對(duì)純奧氏體組織金屬進(jìn)行焊接過(guò)程中必須分析金屬中可能存在的大量未結(jié)晶低熔點(diǎn)共晶體液膜，這些液膜容易在應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋影響異種金屬焊接質(zhì)量，必須加以重視。第三，碳遷移顯現(xiàn)問(wèn)題不容忽視，它也是異種金屬焊接過(guò)程中比較常見(jiàn)的問(wèn)題之一。碳遷移現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)直接導(dǎo)致高溫機(jī)械性能嚴(yán)重下降，甚至影響到機(jī)械內(nèi)部的化學(xué)組成成分，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致高溫狀態(tài)下不同金屬斷裂失效，大幅度降低了金屬的高溫使用可能性與使用壽命。第四，異種金屬由于性質(zhì)性能各不相同，所以在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)接頭位置差異問(wèn)題，例如焊接接頭部分的可塑性、耐高溫性、硬度、韌性等等都是必須加以分析的指標(biāo)。如果不對(duì)這些參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，很可能出現(xiàn)焊接接頭不均勻的狀況，導(dǎo)致日后異種金屬生產(chǎn)產(chǎn)品出現(xiàn)應(yīng)用偏差。

3 異種金屬焊接工藝對(duì)策

在實(shí)施異種金屬焊接之前，還需要明確異種金屬彼此之間不盡相同的物理性質(zhì)，其中就包括了密度、熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)等等指標(biāo)。在異種金屬焊接之前必須做好各項(xiàng)事前準(zhǔn)備，并針對(duì)金屬焊接的缺陷制定相應(yīng)焊接計(jì)劃，確保金屬融合效果到位。

（1）對(duì)焊接材料的分析?？紤]到異種金屬焊接是將不同金屬焊接連接到一起，因此在選擇焊接材料過(guò)程中必須充分考慮到不同金屬的不同成分與性能，再考慮接頭可能存在的缺陷問(wèn)題，根據(jù)接頭缺陷情況合理選擇焊接材料。如果異種金屬焊接接頭缺陷不明顯，則必須要采用倒韌塑性相對(duì)較高的材料。

（2）對(duì)焊接方法的選擇。要正確選擇異種金屬焊接方法，主要是根據(jù)金屬材料的基本特性進(jìn)行選擇，滿足焊接性與工藝焊接性兩點(diǎn)內(nèi)容。舉個(gè)例子，在對(duì)鋁合金與鋼兩種金屬材料進(jìn)行壓焊過(guò)程中，需要注意焊接過(guò)程中兩種金屬之間產(chǎn)生硬度偏高的化合物，再加之兩種金屬之間的物理性質(zhì)是不同的，因此容易造成壓焊過(guò)程中金屬發(fā)生高塑性變形情況，最終產(chǎn)生硬度偏高的化合物，而異種金屬?gòu)?fù)合板性能也會(huì)因此下降。為此，可考慮采用輪壓方法進(jìn)行焊接，該方法可有效提高鋼與鋁合金二者之間的接觸力度，同時(shí)提升二者之間的熱傳導(dǎo)速率，而利用該方法也可最大限度延展金屬?gòu)?qiáng)度。這里可考慮采用不同功率的激光壓焊方法，如此可產(chǎn)生不同等級(jí)壓力，最大限度提高異種金屬焊接接頭強(qiáng)度[1]。

（3）對(duì)工藝參數(shù)的選擇。最后要合理化選擇工藝參數(shù)，有效保證焊接接頭質(zhì)量。工藝參數(shù)方面就包括了焊接電流電壓等級(jí)、焊接直徑以及焊接速度等等，合理把握不同焊接參數(shù)，發(fā)現(xiàn)不同焊接參數(shù)之間所產(chǎn)生的相互影響效果。例如焊接電流在增大后就會(huì)導(dǎo)致異種金屬焊接輸入熱量的不斷增大，相對(duì)應(yīng)的整個(gè)金屬熱影響區(qū)范圍也會(huì)相應(yīng)大幅度增加。

（4）對(duì)坡口角度的分析。根據(jù)母材厚度與熔合比進(jìn)行選擇，如果坡口角度偏大，熔合比就會(huì)相應(yīng)減小，爭(zhēng)取較小的熔合比也是異種金屬焊接工藝所追求的。

（5）對(duì)過(guò)渡層的采用。在進(jìn)行異種金屬焊接之前，需要在一種金屬的坡口堆焊一層厚度適當(dāng)?shù)倪^(guò)渡層，如此可有效消除擴(kuò)散層，并減少異種金屬熔合區(qū)域所可能產(chǎn)生的裂紋傾向。

（6）焊前與焊后處理的分析。在焊前需要做好預(yù)熱，有效降低焊接接頭所存在的淬火裂紋傾向，在預(yù)熱溫度分析過(guò)程需要對(duì)母材的淬火傾向大小與焊接金屬合金化程度進(jìn)行分析。在焊接后需要再進(jìn)行一步熱處理，目的是為了提高接頭淬硬區(qū)域的塑性，并減小焊接應(yīng)力水平，同時(shí)避免引發(fā)焊接裂紋以及焊接碳遷移現(xiàn)象問(wèn)題[2]。

4 異種金屬焊接工藝案例簡(jiǎn)析

表1 ICr18Ni9、16MnR兩種材料的化學(xué)成分

（1）ICr18Ni9與16MnR材料的焊接工藝。下文主要針對(duì)ICr18Ni9以及16MnR兩種材料焊接為例進(jìn)行分析，選擇最合理的焊接工藝。首先由必要對(duì)焊接材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析，如表1。

結(jié)合表1進(jìn)行分析，首先16MnR鋼材在焊接過(guò)程中是具有相當(dāng)高的淬硬傾向的，它的焊接性表現(xiàn)良好，在焊接過(guò)程中不容易產(chǎn)生焊接裂紋和過(guò)熱區(qū)脆化缺陷問(wèn)題。再分析ICr18Ni9，它存在焊接熱裂紋問(wèn)題，考慮到ICr18Ni9的晶界特性，以及它其中存在某些硫、磷等等微量雜質(zhì)且表現(xiàn)敏感，因此需要對(duì)其焊接過(guò)程加以分析，避免焊接形變過(guò)大問(wèn)題出現(xiàn)。再一點(diǎn)就是分析ICr18Ni9的晶間腐蝕問(wèn)題。在這兩種金屬的焊接過(guò)程中可選擇A312焊條（直徑為Φ），在處理好水分、油污等等問(wèn)題后再進(jìn)行焊接工藝操作。根據(jù)兩種材料的焊接性能展開(kāi)分析，在焊接時(shí)不能采用焊前預(yù)熱或者焊后熱處理工藝，同時(shí)在焊接過(guò)程中應(yīng)該將焊接層面溫度控制在60℃范圍內(nèi)，最好采用小電流快速焊接技術(shù)，保證焊接過(guò)程、焊接工藝到位，如表2。

表2 異種金屬焊接工藝參數(shù)

（2）ICr18Ni9與16MnR的異種金屬焊接工藝要點(diǎn)。在ICr18Ni9與16MnR異種金屬焊接工藝過(guò)程中需要明確幾點(diǎn)要點(diǎn)。首先，要對(duì)焊點(diǎn)表面外觀進(jìn)行分析，例如對(duì)其上層材料、下層材料的厚度進(jìn)行分析?？紤]到金屬材料下方為電路板，如果采用激光焊接可能會(huì)破壞電路板，這里必須仔細(xì)觀察焊點(diǎn)背痕，時(shí)刻確保焊接強(qiáng)度，必要時(shí)需要對(duì)下層不銹鋼材料背面的每個(gè)焊點(diǎn)直徑進(jìn)行規(guī)范，一般來(lái)說(shuō)焊點(diǎn)直徑控制在0.5mm左右，且保證在一條長(zhǎng)度為7.0mm的直線上至少有9個(gè)焊點(diǎn)，而焊點(diǎn)之間的相互中心間距距離大約應(yīng)該控制在0.7mm左右。如果選擇在直線上打滿焊點(diǎn)，則必須考慮可能發(fā)生的產(chǎn)品形變問(wèn)題，它會(huì)直接金屬材料的后續(xù)裝配使用。再者要進(jìn)行焊點(diǎn)切片測(cè)試，對(duì)焊接工藝參數(shù)中的激光頻率對(duì)焊點(diǎn)拉力影響進(jìn)行研究分析。所采用的焊點(diǎn)焊接激光功率控制在80W左右，且脈沖寬度控制在40ns始終不變，再設(shè)置100kHz的激光頻率，測(cè)試獲得拉力數(shù)據(jù)≥60N即可。在測(cè)試?yán)^(guò)程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)ICr18Ni9與16MnR兩種金屬的拉力值相對(duì)偏低，且焊接內(nèi)部無(wú)氣孔，在該狀態(tài)下焊點(diǎn)拉力是最大的，而當(dāng)激光頻率偏大達(dá)到400kHz以上時(shí)，需要再次把我焊點(diǎn)熔深問(wèn)題，再次測(cè)試?yán)?，并分析焊點(diǎn)切片，觀察兩種金屬是否處于界面混合狀態(tài)下，如此可有效提升異種金屬的焊接接頭拉力，優(yōu)化焊接質(zhì)量。

5 總結(jié)

在進(jìn)行異種金屬焊接過(guò)程中，需要滿足不同金屬之間的不同工程結(jié)構(gòu)，了解其性能需求，用相對(duì)性價(jià)比較高的金屬來(lái)替代傳統(tǒng)中昂貴的金屬，有效降低施工成本，為企業(yè)帶來(lái)更高經(jīng)濟(jì)效益。