低碳钢异种金属材料焊接工艺研究

低碳钢异种金属材料焊接工艺研究

王永超

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000

摘要：异种金属材料复合构件能够充分发挥出各金属的性能优点，节约大量贵重的金属材料，有效降低生产成本。紫铜与低碳钢的焊接，能为某些建设工程节省大量有色金属，并降低结构成本。然而以往铜与钢异种金属的焊接多为较薄件（工件厚度为6mm以下）的焊接，与中厚度的工件工艺技术相比，显得比较薄弱，需改善现有的焊接工艺，提高生产效率。

关键词：紫铜；低碳钢；异种金属材料；焊接

引言

在加工制造领域，新技术、新工艺应运而生，新设备的出现大大改善了机械加工的质量，尤其体现在金属焊接方面。异种金属之间的焊接可以最大程度发挥金属材料的性能，改善原有的结构，还可以减少昂贵材料的使用，替代部分稀有金属，并且可以大幅度降低生产成本，实现广泛的推广应用，从而有效提高经济效益。比如目前铝及铝合金金属的应用非常广泛，在生产制造的过程中，就需要提高异种金属的焊接工艺，对二者之间进行连接，从而实现效益最大化。

1紫铜与低碳钢异种金属焊接性能分析

低碳钢中和铜焊接接主要采用钎焊技术，紫铜熔点为1084℃，低碳钢熔点为1537℃。紫铜到达熔点时，低碳钢仍具有固体状态。此外，紫色铜的线性膨胀系数为16.6 X10-6/k，低碳钢的线性膨胀系数为11.76 X10-6/k。由于线性膨胀系数与金属的膨胀率和收缩率成正比，线性膨胀系数越高，膨胀率和收缩率越高，熔炼紫铜和低碳钢后的热压就越大，金属的强度也越高除了紫铜和低碳钢在熔点和线性延伸率方面存在显着差异外，导热系数也存在差异。紫铜导热系数为359.2瓦/ ( m.k)，低碳钢导热系数为66.7瓦/ ( m.k)。金属导热系数与焊接温度和结晶条件密切相关，金属导热系数差异越大，焊接结晶条件越好，晶粒厚度越大。因此可通过控制工艺参数，如焊接参数、焊接电流等，以确保焊后质量。

2异种金属焊接的基本特征

目前异种金属焊接的主流搭配是钢与铝合金，钢是目前机械加工行业领域中最为常见的金属材料，而铝合金则具有质量轻、塑性好、耐腐蚀性强等等特点，比较常见的二者连接方式具有以下两种：第一，粘结方式。该方式中接头的机械强度十分有限，可能无法满足高强度焊接要求，使用情况相对偏少；第二，机械连接。该连接方式能够实现异种金属之间的高强度连接，但无法保证连接气密性，且如果机械连接方式会在连接段留下连接痕迹，严重影响美观。综上所述，焊接就成为了最为常见的连接手段。考虑到铝与钢的物理性能存在较大差异，所以其焊接过程可能存在较大难度，以下简单介绍了几点异种金属焊接的基本特征。（1）焊接熔点特征。异种金属代表了不同种类金属，所以它们的熔点必然不同，对于铝材料金属而言它的熔点表现偏低，所以在与钢进行异种金属焊接过程中必然出现铝金属材料先完全融合，整体呈现液态，而钢依然处于固态的焊接熔点不同步情况。（2）焊接密度特征。还以钢与铝合金为例，这两种金属的密度不同，其中液态的钢水密度要大于铝水，如果二者同时融化就会出现铝水浮在钢水上的情况。如此密度不统一的情况一旦出现，就会在金属冷却、定型过程中出现金属之间融合不均匀问题，导致金属接头性能表现不够理想。（3）热导率特征。钢与铝合金之间存在不同的热导率，所以二者在上线膨胀系数方面也存在较大差别。在焊接过程中容易造成焊接接头严重变形。一旦变形过分严重，就会产生更为严重的焊接金属裂纹情况，不容忽视。

3异种金属焊接常见问题

3.1夹渣现象

不同的金属在进行焊接的过程中，容易在母材上形成氧化膜，氧化膜的存在会增加两种金属融合的难度，而且氧化膜会随着温度的升高变厚，除此之外，也会在熔池表面产生氧化膜，这样一来，随着加热的温度越高，就会越影响液态金属的融合，最终产生夹渣。

3.2接头裂纹

在实施焊接接头焊接过程中，容易出现接头裂纹问题，其中裂纹还包括了热裂纹与冷裂纹。冷裂纹是在焊接应力作用条件下直接产生的，而热裂纹则产生于高合金钢焊缝，就某些纯奥氏体组织而言是最容易产生热裂纹的。所以在针对纯奥氏体组织金属进行焊接过程中必须分析金属中可能存在的大量未结晶低熔点共晶体液膜，这些液膜容易在应力作用下产生裂纹影响异种金属焊接质量，必须加以重视。

3.3碳迁移现象

碳迁移也是常见的焊接问题之一，可能导致连接器高温机械性能下降，影响内部化学成分，从而导致高温金属断裂增加，从而缩短高温金属寿命。

4异种钢的焊接材料

双相不锈钢可与其他双相不锈钢、奥氏体不锈钢、低碳钢和低合金钢焊接。焊接两种不同的双相钢时，一般需要应用中高档双相不锈钢的两种匹配焊接材料，焊接LBi应使用25-10-4的焊接材料，如2205-2507。焊接双相不锈钢、低碳钢和低合金钢时，也可使用E309L焊条和E309L焊丝。但是因为低碳钢和低合金钢不含Mo，所以不需要含Mo的焊接材料。双相不锈钢也可以与低碳钢和低合金钢焊接，但这种焊接材料不能含有镍，因为少量的镍可能会引起热裂纹。

5紫铜与低碳钢异种金属焊接过程要点

5.1焊前准备

由于紫铜与低碳钢的导热系数不同，应确保紫铜和低碳钢边坡两侧角度不对称，并采用该角度去除边坡两端的铜锈、铁锈和油等。去除用来填充玻璃纸的氧化膜或焊丝的杂质。合格清洗后，应在槽(紫色铜侧或低碳钢侧)和焊丝上涂适量的焊粉。焊接电流采用直流直接连接。如果焊接前的主材料没有预热，焊接过程中的电流应选择160A焊接材料应选择直径6 ~ 8mm的钨电极，以防止钨电极烧损。

5.2焊接方法的选择

选择焊接方法时，必须根据焊接和工艺焊接的性质，根据材料特性选择焊接方法。例如，对于铝和钢压力焊接，通常是滚压焊接或爆炸性复合材料。但是，应当指出，采用上述方法可能会导致铝与钢之间形成更坚硬的化合物，以及金属之间物理性质的不一致，从而容易导致压力焊接过程中金属的塑性变形较大，并产生更坚硬的化合物，这可能导致一种压力轮焊接工艺，可有效提高铝合金与钢板之间的接触力，提高二者之间的传热率。

5.3对焊接材料的分析

考虑到异种金属焊接是将不同金属焊接连接到一起，因此在选择焊接材料过程中必须充分考虑到不同金属的不同成分与性能，再考虑接头可能存在的缺陷问题，根据接头缺陷情况合理选择焊接材料。如果异种金属焊接接头缺陷不明显，则必须要采用倒韧塑性相对较高的材料。

5.4工艺参数的选择

选择适当的焊接工艺参数可有效确保焊接接头的质量。焊接工艺参数包括许多方面，包括焊接电气电压等级、焊接速度和焊条直径。这些设置不仅影响焊接工艺，而且影响焊接工艺。例如，增加焊接电流可能导致总输入热量和相应的热影响区域增加。

5.5焊件质量的控制

在每焊完一条焊缝后，要注意查看焊缝正面与背面的成形，避免其表面出现气孔、夹渣、未熔合等情况。待焊接的外观合格之后，使用超声波探伤，结果为Ⅱ级则表示合格。最后，还需要进行稳压30min的水压试验（试压强度0.8MPa）。

结束语

在生产和加工中，制造商使用异质金属焊接，而不是昂贵的金属焊接，以降低成本并最大限度地提高效益。在进行异质性金属焊接之前，应明确规定金属加工要求，合理规划焊接工艺，采用适当的焊接工艺，提前预防潜在问题，尽量减少焊接误差，保证生产质量。

参考文献

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