异种金属焊接的工艺特点分析与优化

1.异种金属焊接技术的主要难度

异种金属焊接技术是异种金属焊接过程中所采用的焊接工艺措施。与同种金属的焊接技术一样，焊接技术包括了金属焊接性的分析判断和焊接方法的选择，然后才有工艺措施的实施，才能构成异种金属的焊接技术。

异种金属焊接技术受到焊接方法的制约，比同种金属焊接性受到焊接方法的制约更为强烈。例如，铝及铝合金的同种金属焊接，无论采用熔焊方法（TIG焊或MIG焊）还是采用压焊（电阻焊或摩擦焊等），都会得到没有焊接缺陷、符合要求的接头。铜的同种金属焊接也是如此。不同焊接方法、不同的工艺措施制约同种金属的焊接性。但是铜-铝作为异种金属焊接的组合，采用熔焊方法很难甚至不能获得良好的焊接接头。而采用压焊方法，采用合适的工艺措施很容易获得良好的铜-铝接头。因而异种金属的焊接性对焊接方法的适应能力更具有相对性。任何一种焊接方法的问世都是为满足同种金属材料焊接技术的特殊需要而诞生。很少有一种焊接方法是专设用于异种金属焊接技术的。异种金属的焊接技术可根据各种焊接方法的特点去选择，焊接方法则以自身的特点去适应或制约。因而不同性质的两种金属材料构成的异种金属组合的焊接难度远远高于同种金属的焊接。异种金属组合的焊接技术要比同种金属组合焊接技术复杂得多也是必然的。

焊接接头的不均匀性、焊接技术的复杂性及接头产生焊接缺陷有较高的可能性，是异种金属熔焊的三大特征。

由于异种金属在元素性质、物理性能、化学性能等方面有显著差异，与同种金属材料的焊接相比，异种金属材料的焊接无论从焊接机理和操作技术上都比同种金属材料复杂得多。异种金属材料焊接中存在的主要问题如下：

1）异种金属材料的熔点相差越大，越难进行焊接。这是因为熔点低的金属材料达到熔化状态时，熔点高的金属材料仍呈固体状态，这时熔化的金属材料容易渗入过热区的晶界，会造成低熔点金属材料的流失、合金元素烧损或蒸发，使焊接接头难以熔合。例如，焊接铁与铅时（熔点相差很大），不仅两种金属材料在固态时不能相互溶解，而且在液态时彼此之间也不能相互溶解，液态金属呈层状分布，冷却后各自单独进行结晶。

2）异种金属材料的线胀系数相差越大，越难进行焊接。线胀系数越大的金属材料，热膨胀率越大，冷却时收缩也越大，熔池结晶时会产生很大的焊接应力。这种焊接应力不易消除，结果会产生很大的焊接变形。由于焊缝两侧材料承受的应力状态不同，容易导致焊缝及热影响区产生裂纹，甚至导致焊缝金属与母材的剥离。

3）异种金属材料的热导率和比热容相差越大，越难进行焊接。金属材料的热导率和比热容会使焊缝金属的结晶变坏，晶粒严重粗化，并影响难熔金属的润湿性能。因此，应选用强力热源进行焊接，焊接时热源的位置要偏向导热性能好的母材一侧。

4）异种金属材料之间形成的金属间化合物越多，越难进行焊接。由于金属间化合物具有较大的脆性，容易导致焊缝产生裂纹，甚至断裂。

5）异种金属材料在焊接过程中，由于焊接区金相组织的变化或新的生成组织，使焊接接头的性能恶化，给焊接带来很大的难度。接头熔合区和热影响区的力学性能较差，特别是塑性、韧性比母材明显下降。由于接头塑性、韧性的下降以及焊接应力的存在，异种金属材料的焊接接头容易产生裂纹。尤其是焊接热影响区更容易产生裂纹，甚至发生断裂。

6）异种金属材料的氧化性越强，越难进行焊接。若用熔焊方法焊接铜和铝时，熔池中极易生成铜和铝的氧化物（CuO、Cu₂O和Al₂O₃）。冷却结晶时，存在于晶粒边界的氧化物能使金属间结合力降低。CuO和Cu₂O均能与铜形成熔点低的共晶体（Cu+CuO和Cu+Cu₂O），使焊缝产生夹杂和裂纹。铜与铝形成的CuAl₂和Cu₂Al脆性化合物，能明显地降低焊缝金属的强度和塑性。因此，采用熔焊方法焊接铜与铝的难度相当大。

7）异种金属材料焊接时，焊缝和两种母材金属难以达到等强的要求。这是由于焊接时熔点低的金属元素容易烧损和蒸发，从而使焊缝的化学成分发生变化，力学性能降低，尤其是焊接异种有色金属时更为显著。常用异种金属材料组合及焊接时存在的主要问题见表1-6。

表1-6 常用异种金属材料组合及焊接时存在的主要问题

（续）

表1-6中所示为异种金属的组合焊条电弧焊焊接时产生的问题，主要问题是接头熔合区塑性降低及产生裂纹。热裂纹并不是异种金属焊接中的突出问题，因为一般都可以采取措施来预防。而突出问题是接头性能的不均匀。热物理性能相差悬殊的异种金属材料焊接时，会遇到熔化体积不相等，会有不对称的温度场、冷却结晶条件不同等原因而造成接头性能不均匀，首先是化学成分不均匀，造成金相组织不均匀，导致力学性能的降低。

在采取冶金学上的措施的同时，如果能正确地选择焊接方法，可使有限溶解度带来的不利影响彻底消除或降低到最小程度。

表1-7显示了采用不同焊接方法条件下，常见异种金属焊接缺陷的产生原因和防止措施。由表1-7可以看到，采用熔焊方法时，主要焊接缺陷是接头中可能产生的气孔和裂纹。压焊方法时，主要缺陷是接头力学性能的降低。从表1-7中看到的只是不完整的现象，因为表中没有提供熔焊方法采用何种填充材料（焊条牌号、焊丝和焊剂化学成分等）、焊接参数、焊件厚度、坡口角度以及焊前、焊后的预热、缓冷及其他热处理措施等数据，所以无法从深层分析异种金属的焊接，因性能差异在焊接过程中外部热源（电弧）的热输入和热传播特征，焊接热循环在接头熔化、冷却结晶过程中发生的合金元素的扩散、新相生成等对焊接缺陷与接头力学性能的影响，也无法讨论所采用的工艺原则的正确与否。

表1-7 常见异种金属焊接缺陷的产生原因和防止措施

（续）

（续）

熔焊尤其是弧焊，产生焊接缺陷（气孔、裂纹等）的可能性，无论同种金属焊接还是异种金属焊接都是相同的，只不过异种金属焊接发生的几率可能要大一些，需要采取的焊接工艺措施更复杂、更严格一些而已。

异种金属焊接的裂纹产生也和同种金属焊接裂纹的产生原因完全一样。但异种金属熔焊（弧焊）时，异种金属的物理、化学、力学及冶金相容性等方面存在较大差异，会使焊接接头的化学成分、金相组织、力学性能产生不均匀性，使接头会有更多机会产生薄弱层及拉应力。因此，裂纹发生的几率要比同种金属的焊接大得多。

在异种材料的焊接中，最常见的是异种钢的焊接，其次是异种有色金属焊接，最后是钢与有色金属的焊接。接头形式基本上有三种，即两种不同金属母材的接头，母材金属相同而填充金属不同的接头（如用奥氏体焊接材料焊接中碳调质钢的接头等）以及复合金属板的焊接接头。

2.异种金属焊接的一般工艺措施

为了获得优质的异种金属材料焊接接头，可以采取以下一般工艺措施：

1）尽量缩短被焊金属材料在液态停留的时间，以防止或减少金属间化合物的生成。熔焊时，可以使热源更多地向熔点高的焊件输热来调节加热和接触时间；电阻焊时，可以采用截面和尺寸不同的电极，或者采用快速加热等方法来调节。

2）焊接时要加强被焊金属材料保护，防止或减少周围空气的侵入。(www.xing528.com)

3）采用与两种被焊金属材料都能很好焊接的中间过渡层，以防止生成金属间化合物。

4）焊缝中加入某些合金元素，以阻止金属间化合物相的产生和增长。

在工程上，许多异种钢的焊接接头常常在高温和腐蚀环境中运行。另外，为了消除焊接残余应力，某些焊接接头焊后需要在高温下进行一定时间的热处理。一般来说，异种钢焊接接头焊后热处理的目的是消除焊接残余应力，降低应力腐蚀的敏感性，软化热影响区，提高焊接接头区域的塑性。短时间的高温焊后热处理对提高焊接接头的高温时效性有利，特别是Ni基合金焊缝金属。对于一些淬硬倾向很大的珠光体钢母材，为了改善热影响区的韧性，减小冷裂敏感性，有必要进行焊后热处理。

应用于电站锅炉、石油、化工行业的高温、高压、腐蚀环境中的异种钢焊接接头，其使用温度多在400～650℃之间。焊接接头的热强性和热疲劳性能的好坏，会直接影响到焊件的使用寿命。改善焊接组织在高温下的转变行为对焊件的高温使用寿命有很大影响，特别是提高了高温持久强度和塑性，可以大大延长焊件的使用寿命。

3.异种金属电弧焊时焊缝熔合比的调整

对于异种金属的焊接，焊缝金属是第三种金属材料，其化学成分既不同于A侧金属，也不同于B侧金属。

无论同种金属焊接还是异种金属焊接，一般都是以熔敷焊接材料的化学成分为焊缝金属的基本成分。这里的焊接材料是指弧焊辅助材料，即焊条、焊丝、焊剂、保护气体等，焊接金属材料是指母材金属。熔敷金属是指填充金属（焊芯、焊丝及其他金属添加物）在焊接过程和它们的药皮或焊剂或保护气体进行冶金反应后的熔化金属，相当于熔合比为0时的焊缝金属，实际是在平板上堆焊（第一层堆焊的熔敷金属的熔合比也在10%左右）多层堆焊后最后一层的堆焊层金属的化学成分才是真正的熔敷金属。在各种焊接材料的国家相应标准中，都规定了这些焊条、焊丝、焊丝和焊剂的配合熔敷金属的化学成分及力学性能。

以熔敷焊接材料的化学成分作为焊缝的基本成分，母材金属的熔入引起焊缝中合金元素所占比例的降低或提高，分别称做“稀释”或“合金化”。

通常认为异种金属熔焊时不均匀性问题极为突出，其焊接接头的化学成分不均匀性，以及由此导致的组织和力学性能的不均匀性是，异种金属焊接中极为突出的问题。异种金属焊接接头中，不仅焊缝与母材的成分往往不同，就连焊缝本身成分也是不均匀的（尤其在多层焊时）；此时，焊缝与母材交界的过渡区成分也往往既区别于焊缝又不同于母材。这种成分的不均匀对异种金属焊接接头的整体性能有重要影响，在选择填充材料、制定焊接工艺时应充分估计到其影响的后果。采用熔焊时，更要注意对稀释率的控制。

异种金属熔焊时往往会产生粗大铸态组织、相变以及再结晶应力等问题，使接头性能变差。对于相互溶解度有限，物理、化学性能差别很大的异种材料，由于熔焊时的相互扩散作用会导致接头部位的化学和金相组织的不均匀或生成金属间化合物，所以异种金属熔焊时应尽量降低熔合比，尽量采用小电流、高焊速。常采用的措施是在坡口一侧或两侧堆焊一层中间金属过渡层。

熔合比的大小与焊接方法、接头形式、焊接层次及材料物理性能有关，表1-8是几种焊接方法的熔合比范围。表1-9是焊条电弧焊和堆焊时熔合比的近似值，显示了坡口角度及焊接层数对熔合比的影响。

表1-8 几种焊接方法的熔合比范围

（续）

表1-9 焊条电弧焊和堆焊时熔合比的近似值 （单位：%）

熔合比越大，合金元素在焊缝金属中所占的比例越低，合金元素被稀释越严重，因此，常用稀释率来表达焊缝金属的熔合比。熔合比越小，合金元素的稀释率越小。在许多情况下，熔合比的数值与稀释率的数值是一样的。

根据焊缝金属的化学成分即可分析、推论出可能获得的组织和性能，如果不符合预期的要求，还可以通过调整熔合比或改变焊接材料，使之符合要求。

4.异种金属电弧焊时堆焊过渡层

只要是熔焊，总会有部分母材金属熔化进入焊缝引起稀释，很多情况下还会形成如金属间脆性化合物、低熔共晶物等新的组织。为了解决母材金属的释稀问题，改善异种金属之间的焊接性，可以采用堆焊过渡层（隔离层）的方法。过渡层的成分可以是一种母材的成分，也可以是介于两种母材之间的过渡成分。当然，过渡层应对两种母材都具有良好焊接性。图1-1是前一种形式的过渡层堆焊法。对异种材料A-B的焊接，可先在B坡口面上堆焊A，堆焊面加工后再与A材料相焊，就成了A-A间的焊接了，反之亦然。在实际应用中，最常见的是后一种，即过渡层是介于两种母材之间的过渡成分。

这种介于两种母材之间的“过渡成分”在国内各家不同的资料中称谓不一，“隔离层”、“中间层”、“过渡层”及“中间过渡层”等，但含义相同。这种过渡层是一种起“钝化作用”的过渡金属。把过渡层金属作为“溶质”，使它向被焊金属（溶剂）溶解，即过渡层的金属元素作为溶质能够在两种母材金属的基体（钢铁金属的基体为Fe，铝合金的基体为Al，不管钢铁或铝合金中还包含有多少其他合金成分）中形成连续固溶体才能起作用。

5.异种金属熔焊方法适应性的选择原则

异种金属的焊接能力会受到焊接方法的强烈制约。由于焊接方法的多样性，异种金属的焊接能力有较大的差别。常用异种工程金属材料的组合，基本上都可以实现获得无焊接缺陷优质接头的能力，以及满足其结构或构件使用（股役）要求的能力。与异种金属焊接技术有关的一些重要基本焊接方法，如图1-2所示。

图1-1 异种金属熔焊时堆焊过渡层的示意图

1、4—母材B 2—堆焊过渡层 3—坡口加工 5—母材A 6—焊缝

图1-2 与异种金属焊接技术有关的一些重要焊接方法

从异种金属焊接性角度审视和讨论焊接方法的原理及分类时，人们首先关心的是各种焊接方法工艺特点，限定的异种金属材料组合能否适应某种焊接方法。如果两种或两种以上的焊接方法都具备对异种金属焊接的适应性，那么自然选择设备投资小、焊接成本低的焊接方法；其次关心选定的焊接方法对焊工技术的依赖性和能否实现自动化焊接；同时，要考虑异种金属组合焊接结构的形式对不同焊接方法的适应性，因为每种焊接方法都对接头形式及尺寸，对结构或构件的形式与尺寸大体有相应的优化适用范围。例如，埋弧焊适用于中厚板对接、搭接及角接接头的长焊缝，那么那些由异种金属通过焊接构成的切削工具（如石油钻杆和钻头的连接，齿轮结构的连接等），就不要考虑选择埋弧焊或焊条电弧焊，压焊可能更合适；大尺寸（直径及板厚）的某些异种金属组合罐、缶等大型容器反倒可以选用埋弧焊。