浅析异种金属材料物理性质对焊接的影响

浅析异种金属材料物理性质对焊接的影响

作者：花雷生

来源：《中国高新技术企业》2016年第08期

摘要：异种的金属材料由于其物理性的不同对焊接的结果会产生不同的影响。在实际的工程焊接中，异种金属焊接的需求非常多，根据焊接金属材料的不同可以将焊接分为异种钢材料焊接、异种有色金属焊接、钢材料与有色金属的焊接。鉴于异种金属对焊接的影响，在进行异种金属的焊接过程中通常需要注意一些事项，文章对此进行了研究。

关键词：异种金属材料；物理性质；焊接质量；相溶性；焊接工艺文献标识码：A

中图分类号：TG453 文章编号：1009-2374（2016）08-0061-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.08.032

异种金属材料焊接指的是两种或者多种金属材料进行的焊接工作，最为常见的是铜和铝的焊接。除了金属的物理性质不同，对同种金属材料而言，同种材料的不同种性质的存在，比如钢材料的Q235和16Mn焊接，物理性质的不同使得同种金属在焊接时也要采用不同的焊接技术，只有这样才会保障焊接的质量。

1 金属的物理性质不同对焊接的影响

1.1 金属的熔点

在两种金属焊接的过程中，要将两种金属融化。假如这两种金属的熔点相差较小，都在100℃之内的话，焊接就非常容易；但是如果金属的熔点相差很大，比如一种金属的熔点在100℃之内，另一种金属的熔点在100℃以上或是两种金属熔点温度差在100℃以上，在焊接的时候就会出现这样的情况：熔点温度低的金属在加热的过程中熔化成液体，而熔点高的金属由于没有达到熔点就没有熔合；熔点高的金属在焊接过程中会出现凝固收缩情况，对部分凝固的金属形成压力，导致在焊接的过程中出现裂缝。

1.2 热导率和比热容的差异

不同种金属的热导率和比热容存在着差异，当两种金属的热导率和比热容差异比较大的时候，会出现热输入不平衡的情况。在焊接的过程中金属熔化的不均匀，导致焊接的缝隙出现变化，两侧金属的结晶情况也会发生转变。比如热导率比较高的金属在焊接的过程中容易受到热的影响，在冷却的过程中也会迅速发生冷却出现淬硬现象，而热导率较低的金属在焊接的过程中会出现过热的情况。

1.3 线膨胀系数

线膨胀系数不同的两种金属在焊接的过程中，会由于收缩时间和冷却的时间不一致出现很大的焊接应力，容易出现焊接裂缝。两种金属的线膨胀系数相差越大，焊接难度就越大，在焊接加热的过程中会出现很大的热应力，在焊接中容易出现焊接裂缝，甚至是导致焊接接头与焊接母体脱离。

1.4 磁场作用不同

磁场不同导致的焊接问题主要是由于磁性不同的金属焊接，这与焊接方法也有着一定的关系。比如采用电子束焊接或是直流电弧的焊接方法时，由于磁场不同使得电子束偏离轴线或者电弧偏吹的情况，电流出现偏离，这样就会导致焊接的金属熔化量很大，造成金属熔化过度或是金属底部缺少磁性不能熔合而产生焊接缝隙等。

2 异种金属的相溶性差异影响

两种金属能否进行顺利焊接主要取决于这两种金属在焊接的过程中，其合金元素是否能够互相作用。在冶金上关于两种金属符合焊接的定义是：两种不同金属在不熔化（液态环境下）的条件下，即固态环境下就可以形成为一种新型的固态相溶体，那么这样两种金属就可以进行焊接工作。焊接的两种金属在相溶时一定要满足以下基本条件：其一是两种金属的晶格类型相匹配，比如进行焊接的两种金属都是立方晶格的类型；其二是进行焊接的异种金属的原子半径很相近；其三是要求这两种金属在元素周期表中的位置比较靠近，这就表示这两种金属的化学性质相近，差异较小。如果焊接的异种金属符合这三点要素，那么这两种金属就可以被无限制地熔解和焊接，其相溶后形成的新型金属固体被称为“无限制固溶体”。当焊接的金属只满足上述条件中的一个、两个或是没有满足，就会使得固溶体的条件受到影响，这样的固溶体被称为“有限制固溶体”。

“有限制固溶体”的溶质金属超出了其溶解度并趋向饱和时，就会出现以下两种情况：其一是这种固溶体会析出其他的固溶体，使得在焊接的过程中出现了这两种固溶体金属的混合金属物；其二是在这两种不同的固溶体金属中出现了金属化合物，这种金属间的化合物有着较为坚硬的物理性质，但是脆性比较大，一旦产生了这种金属间的化合物，就要终止焊接工作。原因就在于在固溶体的金属间化合物存在于焊接缝隙时，接头处的韧性、可塑性就会受到影响，对焊接效果非常不利，这种焊接还会受到金属化合物的形态、类型所影响，在焊接缝隙中这种金属间化合物的含量越多，焊接的质量就下降越多，因此在焊接的过程中一定要避免出现金属间化合物。在实际焊接的过程中，只要控制好焊接的时间和温度，那么产生这种金属间化合物产生的概率就会减少。

进行焊接的异种金属在固态和液体的状态下都不会发生熔解，亦不会形成金属间的化合物。在这样的情况下，当这两种金属熔化成液体后就会因为比重的不同出现分层，而且在焊接后冷却时形成一种独特的晶体，如果有这种情况发生，这两种金属就不能进行焊接。如果必须要进行焊接任务，就需要加入第三种金属，就是与这两种金属都有相溶性的其他金属作为焊接的过渡层，通过第三种金属的过渡层来进行异种金属的焊接。根据接头金属的不同，现阶段的

过渡层金属焊接主要有三种形式：第一种是两种不同金属进行组合接头，比如在对钢铁和镁这两种金属进行焊接时，可以采用纯镍金属的焊条作为焊接的过渡层；第二种是用三种或是更多种的金属材料进行接头；第三种是利用复合钢板的金属结构进行接头，比如用奥氏体不透钢作为过渡接头等。

3 焊接工艺对异种金属焊接的影响

在异种金属的焊接中，主要有压焊、熔焊、钎焊等焊接工艺。熔焊对金属稀释率有很大的影响，严重时其影响会达到30%。气体保护焊和熔化的浮动范围在10%～40%，其中对稀释率影响最大的是喷射过渡，最小的是断路的过渡焊接。埋弧焊熔深比较大，其稀释率大约在10%～60%，降低其稀释率的方法主要是使用带状电极。在对异种金属进行焊接时，比较常见的减少稀释的方法是采用对焊过渡层的方法，从而将焊接方法的影响降到最低。压焊是在一定压力下进行的焊接方法，其通过对金属进行加热或是常温的塑性，对焊接金属的接头要求非常高；扩散焊和冷压焊在焊接的过程中对接头处的金属温度要求比较低，因此不会出现金属间的化合物，这种焊接的方式对异种金属焊接的质量非常有保证。钎焊也是比较常见的焊接方法，其特点是将异种金属熔化后进行焊接。熔焊-钎焊是最有技术难度的异种金属焊接方法，主要适用于容易出现金属间化合物的焊接，一般是先进行钎焊然后进行熔焊。

4 异种金属的焊接分析

从上文对异种金属焊接的影响因素分析可以看出，在对异种金属进行焊接时，需要选择正确的焊接方法和过渡材料，并且根据焊接要求选择正确的焊接工艺，才能够保证焊接接头的优质质量。本文以不锈钢管和Cr-Mo钢的焊接举例说明，分析异种金属焊接中需要注意的事项。不锈钢管的外径为220mm、内径为78mm，焊接要求是两种金属的探伤面没有缝隙和裂纹，并且强度在500MPa。将两种金属的焊接端面的坡口加工为25°，并在坡口的底部位置安装材料为Cr-Mo钢的衬环，预热处理，采用的中间过渡层材料为镍基焊条。首次焊接过程中射线造成焊接的接头产生比较大的裂缝，使得不绣钢金属报废。分析原因发现不锈钢管有着较大的线膨胀系数，在焊接的过程中出现了加大的焊接应力，因此在焊接接头处出现了裂纹，因此重新选择焊接的工艺和方法。

第二次焊接：在焊接之前将两种金属的端面均加工成10°的坡口，并且在坡口的底部安装上与焊接母材相同金属的衬环，采用镍基焊条在坡口和衬环边缘处进行高度为19mm的角焊。焊接之前对Cr-Mo钢的坡口进行预热处理，温度控制在15℃，预热时要将Cr-Mo钢侧边的衬环除掉，不锈钢管的坡口不进行预热处理。将Cr-Mo钢的母材装进不锈钢管的衬环中，让两个金属的角焊保持5mm的距离，这样就能够避免填充金属在熔合线的位置，防止不锈钢管由于线膨胀系数大造成较大的焊接应力而出现裂缝。让接头安置完毕后，用镍基焊条在Cr-Mo 钢的坡口处采用堆焊的焊接方法。堆焊的温度控制在150℃，焊满坡口，并且用石棉包好接头，冷却到室内温度。冷却后除掉石棉，对接头进行车削处理，从而去除焊接周围的痕迹，对焊接表面进行机械化加工，从而让焊接表面精整。在焊接后，对接头位置进行内外的着色探伤，发现存在分散性质的气孔，将焊接零件进行加热，消除应力，表面打磨后进行再次探伤，