异种金属材料物理性质对焊接的影响

叶雨泓，杨浩章，杨鹏进

（1.中山大学材料科学与工程学院，广东 广州 510000；2.广东外语外贸大学信息科学与技术学院，广东 广州 510000；3.广东工业大学材料与能源学院，广东 广州 510000）

随着中国实体产业的发展，传统的制造工艺也不断改进。毋庸置疑，焊接作为金属制造行业中重要的制造方法，有着广泛的用途。焊接质量水平直接影响产品质量及其功能的实现。提高焊接质量是所有物理制造企业的标准化目标。焊接材料的选择，焊接技术的改善，焊接方式的抉择，都可以提升焊接的质量。

1 焊接材料的选择原理

通常使用的焊接方法一般有氩弧焊、气盾焊接等。焊条、焊接件等不同的焊接材料使用的焊接方法也有不同之处。想要得到良好的焊接质量就需要选择合适的焊接材料以及焊接方式，根据实际情况的不同，选择合适的焊接材料，根据材料再选择合适的焊接方法才能得到良好的焊接效果。在一般使用的焊接方法中，在焊接材料的选择上需要考虑以下原则。

第一，选择适合于焊接母材的焊接材料，电弧由电极产生，在焊接前需要使用高入热溶解焊接母材以及焊接材料。选择适合于焊接母材的焊接材料是焊接材料选择的最基本原理。选择焊接材料时需要考虑的特定因素是焊接母材的化学组成、焊接的性能以及自身具有的熔融特性。从化学成分分析，由于对焊接母材的选择和焊接材料要求接近，可以确保焊接的熔接，提高焊接质量，因此需要正确检测焊接母材各材料的性能。其次，根据焊接母材的机械特性选择焊接材料也是必须遵循的原则之一，焊接材料必须与焊接母材选择相同或更多。另外，如果遇到点焊或厚板首次焊接等特殊情况，需要更高强度，所以可以使用高强度的焊接材料。

第二，对于不同的焊接产品的使用要求，特别是机械性能要求，焊接材料的选择也非常重要。详细要求是,不同焊接产品根据不同的需求选择不同的焊接方式,一些产品对气密性有严格的条件,一些产品有重要公差要求压力,以及最重要的价值是其他人为的焊接外观,需要根据产品的要求,有针对性的选择不同的且适合使用的焊接材料。需要注重的是，在决定适合的焊接材料后，需要有相应的焊接方式来满足焊接工艺的需求，焊接材料和焊接工艺不能有矛盾。根据焊接产品使用的不同要求，需要与焊接材料、焊接方法和焊接工艺配合，以达到最终的使用目标。

第三，根据焊接材料本身的性能选择焊接材料。在实际的焊接过程中，不仅要考虑材料的要求，焊接设备也需要适合材料的要求进行选择，需要根据焊接材料自身具有的物理性能进行选择。提前了解材料具有的物理性能，选择能达到理想效果的焊接材料，避免在后期的焊接过程中出现由于材料问题引发的焊接失败。

2 金属性质影响焊接的原因

2.1 不同的金属熔点

在焊接两种金属时，两种金属需要熔化。这两种金属的熔点小于100℃，所以焊接很简单。例如，在两种金属具有不同熔点的情况下，其中一种金属的熔点不会超过100℃，但另一种金属需要在100℃以上才可以熔化，而且两种金属的熔点甚至差超过100℃。在焊接过程中就会发生严重的情况：熔点低的金属由于温度过高会迅速熔化，但熔点高的金属没有达到熔化条件，所以不会发生反应。即便在焊接过程中，温度可以达到高熔点金属的熔点温度时，此金属也不再发生熔化反应。因为高熔点金属在焊接时会发生凝固并收缩的情况，在凝固的金属上产生压力，且焊接的过程中非常容易出现裂纹。

2.2 不同的热传导率

比热容量的异种金属具有的热传导率及比热容量之间存在差距，异种金属的热传导率和比热容量的差异比较大的情况下，热平衡会出现倾斜。焊接过程中的焊接间隙会随着金属不均等的熔化而改变，两侧金属的结晶化也会随之改变。例如：导热率高的金属在焊接中耐热性弱，在冷却中冷却迅速进行硬化，导热率低的金属在焊接中过热。

2.3 不同的线膨胀系数

对两种具有不同线性膨胀系数的金属进行焊接时，因为其具有不同的收缩时间和冷却时间，会产生更大的焊接应力，焊接裂纹也会极其容易产生。焊接难度会因为两种金属的先膨胀系数差值的增大而增加。更大的热应力会在加热焊接的过程中产生，因此会出现裂纹，甚至焊接接头会从焊接基材上脱落。

2.4 不同的磁场作用

不同磁性特征的金属同样对焊接会产生很大的影响，这和焊接方法有一定的关系。例如：电子激光焊接或电弧焊方法使用情况,磁场的差异是否会导致电子光束轴脱离飞,弧电流越轨。由于焊接金属的溶解,会使大量熔融金属的底部失去磁性,因此无法产生焊接间隙。

3 异种金属之间的相溶问题

异种金属的元素间的关系决定着两种元素是否可以进行焊接。两种金属在固体条件下即可进行焊接，即不需要液体环境进行融化的情况下,二者可以形成新的状态,金属可以进行融合，两种异质金属在原理上可以直接进行焊接。但需要满足一定的条件才可以让合金元素进行相溶。第一，两种金属需要匹配的晶格。例如：立方晶格的金属可以进行焊接。其次，对于原子半径的差距有一定的限制。最后，两种元素在化学周期表上的位置也不可以距离过远，这样可以保证金属的电化学性质差别不大。当异种金属可以同时满足上述的三个条件，这两种金属才能无限制地熔化，形成的固溶体称为无限大固溶体。但是两种金属只能达到上述条件的某一部分，无法完全满足三个条件时，想要熔化就只能在特定的条件下进行。具有此种性质的固溶体名为有限固溶体。当“有限固溶体”的溶质金属的他溶解度达标且已经接近饱和度时，发生下列反应的可能性会增大：

（1）该固溶体通过沉淀产生其他类型的固溶体，在焊接过程中形成这两种固溶体的混合物。

（2）在两种固态金属中产生金属间的化合物。通常情况下，金属间化合物的物理性质表现为硬且脆，这种性质名为“脆性阶段”。由于异种金属在焊接过程中可以产生金属化合物组织焊接的成功，所以对两种金属的焊接无法进行。焊接接头的塑性和韧性会因为固溶体焊接间隙中的金属化合物而相应降低，对焊接产生巨大的不利影响，金属间化合物的种类、形式等对影响程度起决定性作用。晶界的网状分布以及焊接质量会随着焊接间隙中含有金属化合物的含量变化。需要避免或控制金属间化合物的形成。由于金属间哈和我需要一定的时间才可以形成，且需要在固定的温度条件下才可以形成，如果控制焊接时间或是在低温环境下进行焊接，会在很大程度上降低产生金属化合物的概率。若是两种金属在液态和固态的情况下都不会熔化，也不会形成金属间化合物。在液体状态下，会根据重量和密度出现分层现象，但此过程是在焊接后的冷却时间形成的[1]。在相对独立的晶体中发生此种情况，异种异质金属无法直接焊接。如果需要对这两种异质金属进行焊接，只能使用其他物理性能与这两种金属相容的金属作为焊接的中间过渡层，焊接工作通过过渡层进行。

（3）复合钢板的结构接头。生活中普遍使用的是以珠光体结构钢作为过渡层，使用奥氏体不透水钢作为熔覆层的过渡层接头。

4 焊接材料对焊接质量的不利影响

焊接材料中含有对焊接质量产生负面影响的元素，由于这些元素的存在，焊接产品的焊接部位会产生气孔率、熔渣等缺陷。在一般使用的焊接材料中，这样的元素主要是硫、磷、氮。焊接材料的含硫量过高，会在焊接过程中生成熔点低的共晶晶体。由于这些共晶晶体的强度非常低，焊接后的焊缝在被拉伸或施加应力时容易开裂[2]。焊接缺陷和影响在二次修补焊接中也不可避免会出错，磷元素的具有较强的固溶强化能力，当焊接材料中的磷元素过多，就可以加强焊接线的强度。焊接母材的可塑性和韧性之间的影响，会影响焊接产品在未来的使用以及功能。焊接中过量的氮元素，会直接作用在焊接质量上，因为氮元素有减少焊接金属母材的可能性。当焊接电流或焊接温度再次发生变化时，很有可能发生熔解性问题，这直接影响焊接金属基材的金属特性，给焊接产品的使用带来隐患。

5 影响异种金属焊接的焊接技术

异种金属的焊接分为压力焊接，焊接以及蜡焊等。焊接对金属的稀释率有很大的影响[3]。熔喷过渡和间歇过渡对稀释率有着不同的影响，前者的影响最大，后者的影响最小。亚麻电弧焊的熔化深度较大，稀释比约为10%～60%，采用带状焊条是降低稀释比最主要的使用方法。对异种金属进行焊接时，减少稀释最普遍常用的方法是焊接过渡层法。可以将焊接技术产生的影响降低到最小。压力焊接需要在特定压力环境中进行焊接。在室温条件下，金属或热塑性塑料需要非常高的焊接金属接头。扩散焊接和冷压过程是焊接过程中接头的金属温度。因为对焊接的要求少，也不会产生金属化合物，所以此焊接方法对异种金属的焊接质量有最大程度的保障。蜡焊也是一种相对普遍的焊接方法，焊接前需要先熔化异种金属。焊接异种金属难度最好的焊接技术的使用对象是容易受金属间化合物营养和异种金属的焊接。通常情况是，首先进行焊接，然后进行熔焊。

6 异种金属的焊接分析

通过了解异种金属的焊接，分析影响焊接的因素可以发现，适当的焊接方法、合适的过渡材料以及根据焊接要求选择的焊接技术，才能保证焊接质量不会出现问题。为了分析异种金属焊接时需要注意的事项，以不锈钢管和铬钼钢的焊接为例[5]，异种金属焊接后的探伤表面不会出现间隙或裂纹，强度保持在500mpa。首先需要对金属的焊接端面进行处理，然后进行预热。中间连续层的材料是镍基电极。在最初的焊接过程中，由于辐射，焊接接头会出现极大的裂纹，将会废弃不锈钢金属。通过对结果的分析发现，在焊接过程中，焊接应力会因为不锈钢管的线膨胀系数过大而增大，导致接头处产生裂纹，因此重新选择了焊接方法和方法。

第二次焊接，首先两个金属的沟端面加工,焊接沟的底部安装、镍标准电极。Cr-Mo钢需要在焊接开始前先进行预热处理,把温度控制在15℃上下。Cr-Mo钢侧面的拉丝环需要在预热过程中需要及时取下[6]，不锈钢管槽不预热。Cr-Mo钢材与不锈钢管的焊接角保持5 mm的距离,保持熔融线的溶加材料的位置,避免不锈钢管线膨胀系数过大。焊接应力大的话会产生裂缝。冷却后，去除石棉，转动接合部，去除焊接部的痕迹，使焊接面机械化，完成焊接面。焊接后，在接合处进行内外的颜色探伤。想要除去应力就需要首先加热焊接部。对表面进行研磨后再次进行探伤，焊接结果就不会出现缺陷[4]。

7 结语

焊接过程中难免出现对异种金属进行焊接，异种金属自身物理性质的巨大差异会对焊接产生很大的不利影响，因此对异种金属焊接时产生的问题要格外注意，尤其是在焊接工序中需要注意。为了达到良好的熔接结果，需要对不同异种金属采用不同的熔接技术。