异种金属板材复合焊接的研究

异种金属板材复合焊接的研究

马健

陕西红旗鸿远金属复合材料有限公司 陕西宝鸡 721000

摘要：随着技术的发展与进步,工业领域应用了更多的新工艺、新设备、新材料,特别是在工程领域，实现异种金属焊接技术的进步显得更加必要。本文分析了异种板材焊接的特点，分析了交流热压焊的基本原理、参数设置、焊接特点,梳理了异种金属焊接的发展历程、工艺特点、国内企业异种板热焊工的典型实例，对今后的发展趋势加以了展望。

关键词：异种金属板材；焊接方法；工艺特点

中图分类号TG44

0引言

随着技术的不断进步与发展，工业领域对于结构件的性能有了更高的标准与要求，如要保证耐高温、保证耐候性、抗腐蚀性，还要具有一定的硬度、耐磨性、韧性等。由于单纯采用一种金属材料在多数条件不能达到使用要求，所以异种金属构件得以广泛应用。但是异种金属的焊接工艺是难点。良好的焊接工作不但可以有效保证不同金属材料的性能得以充分利用，还可以有效降低制造成本，可以提升经济效益[1]。异种金属构件由于具有显著的优势，因此可以被广泛应用于建筑施工、机械加工、石油输送、化学产品加工、交通运输、电站、航空航天、锅炉等不同行业的机械制品中。

1异种金属板材的焊接技术发展历程

随着科学与技术的发展，近十年来，国内外的专业针对碳钢的焊接工艺以及材料性能的强度提升进行大量的研究。比如研究开发出锅炉压力容器钢Q245R，可以保证耐腐性，还可以保证高温下的强度。针对容器制造所采用的Q245R板材，添加了一定比例钛、钒、铌等元素，这些不同元素能提升钢板的性能，因此应用于反应器、脱硫槽的制作，还可以应用于水洗塔、焦炭塔等构件的制作。

当前材料领域的加工技术也处于快速发展中，已逐步开发出多种具有特殊作用，性能提升，可以满足不同使用场合的合金钢，如体现出无磁性，还可以保证高强度、耐高温，不仅具有高韧性，还具有抗腐蚀、耐磨损、耐低温。此外，低合金钢焊接工艺也实现了进步。比如针对不锈钢的施焊有了多种新的方法。针对异种钢的焊接进行了大量的理论研究。有研究提出，焊接接头引入激光束可以强化组织的性能。镍基填充材料淫的有助于降低焊接接头的脆硬区。在实施特殊作业时，多数条件下需要低合金钢以及特殊用途钢，针对这些钢的焊接是技术难点，如低合金钢的焊接，耐蚀钢在酸碱条件下焊接[2]。随着各类有色金属与合金材料大量应用于高科技领域，如大型轮船、航空、航天、微电子、新能源汽车制造等，异种焊接急需要进行深入研究。

2异种金属焊接中应用热压焊技术

调控电阻的电流有利于控制发热温度，借助电阻晶型的改进可以改进热量的传递。由于电导率与热导率的变化，可以保证不同金属件在焊接后的性能。由于热平衡的保证可以保证两个焊件在施压接触后可以获得更高的焊透率，在特定温度控制下可以保证更好的塑性状态，可以使得被焊金属采用固态或液态的方式焊接，这种焊接被称为热压式焊接。其作用原理炎，借助高熔点、大电阻率电极的应用，并选择电导率高材料，使用热导率高的金属材件作为外衬，如钨、钼、铜基等。电极端头的改良可以有效提升焊接压接处的电阻，产且不会受到发热温度的影响，并且在热电流在0.5A——0.9A条件下还可以稳定焊接。焊接参数的确定依据不同的焊接方式，如选择直流焊或交流焊，在0.1s—0.9s范围内可以对焊接电源加以高效控制，保证焊接界面的热量分布均衡，电极夹持能保证发热温度的均匀升高，另外采用对焊、点焊、缝焊、凸焊等不同的方法可以保证接口性能。

工艺中的温度控制方法。参数为：不锈钢为900℃——1450℃，低碳钢为600℃—1530℃，铜合金为950—1060℃，铝合金为520℃—650℃；针对焊接形状对电极进行选材：如为了保证高电导率可以选择CuMo，W，AgW、CuW等作为电极，为了提升电导率。材质选择BeCu，GrCu、Ni-Be-Cu。焊接压接处通过调控电极端面能增加压应力、电阻，还可以增大电流密度。

针对焊接中的热敏感性要通过温度控制保证强度，针对裂纹的预防可以通过压力得以实现。针对导热性可以通过控制焊接电流的脉冲时间，导电性通过电流调整得以实现。电极端面压应力的确定可结合材料的物理性能。电极压应力标准为：不锈钢300A/mm²—400A/mm^2，低碳钢200A/mm²—600A/mm²。电流的大小结合直流焊或交流焊的功率来加以确定。交流热压焊的参数如下表1-4所示。

表1交流焊条件下的电极前端直径

表2交流焊条件下的的焊接电流

焊接电流:焊接电流=电流密度x电极端面面积。

表3交流焊条件下加力

表4交流焊焊接时间

3小型超薄金属复合板爆炸焊接技术

3.1爆炸焊接中的问题

目前，爆炸焊接生产的复合板厚度一般在2mm以上。对于尺寸厚度小于2mm的复合板，由于复合板太薄，在爆炸焊接过程中会出现以下情况，无法实现超薄金属复合板的爆炸焊接。一是爆炸性问题。由于复合板太薄，使用现有炸药，即使用最小临界装药厚度，也会导致复合板因爆炸压力过高而产生较大波纹甚至断裂，导致焊接失败。二是复合材料板的变形。由于复合板和基体很薄，爆炸焊接后复合板会产生较大的变形，导致焊后找平成本较高。三是复合板的表面保护。在超薄金属爆炸焊接过程中，由于复合板过薄且多为有色金属，复合板表面经常受到损伤。

3.2技术解决方案

3.2.1炸药配方和装药厚度设计。

由于复合板太薄，使用现有的2#岩石硝酸铵炸药，即使用最小临界装药厚度，也会因爆炸压力过高而导致较大的波纹，甚至复合板断裂，导致焊接失败。该技术以2#岩石硝酸铵炸药为主要原料，按一定比例添加盐、珍珠岩、锯末等物质，以保证配制的炸药的爆炸速度、爆炸热、强度等性能，适用于超薄金属复合材料的爆炸焊接。

3.2.2复合板变形的解决方案

由于复合板和底板都很薄，爆炸焊接后复合板会产生较大的变形，需要焊后找平。因为薄板的找平困难且成本高。因此，爆炸焊接薄板时，应尽量使复合板不产生大的不规则变形。应采用一定厚度的钢基，以确保复合板在爆炸过程中不会产生翘曲变形。根据尺寸，钢底座应根据弯曲挠度进行设计。

3.2.3包层表面保护方案

由于复合板过薄且多为有色金属，在爆炸焊接过程中，超薄有色金属经常破坏复合板表面，导致焊接失效。首先在复合板表面封上一层黄油，用一定厚度的软纸粘贴在复合板表面作为药盒。其次，间隙也会导致薄有色金属穿孔，因此间隙的放置位置和间隙材料的选择也非常关键。小尺寸超薄金属材料的爆炸复合可以通过点燃炸药来实现。

4异种金属板材焊接的技术发展趋势

在工程领域，异种金属焊接作为一种发挥关键作用工艺手段，其发展趋势以及研究热点可以归纳为：

1）轻合金异种材料的焊接工艺突破：当前电子工业和航空航天技术处于飞速发展中，更多的轻金属材料得以应用，需要通过技术进步提升轻合金异种材料焊接效果；

2）提升抗腐蚀性能：腐蚀是电站、锅炉、石化等行业中实施异种钢焊的常用方式。在高温环境下快冷结合需要保证两种不同材质的填充材料与母材具有抗腐蚀性。接头采用异种金属焊接要解决如何提升母材的抗腐蚀能力[3]；

3）新焊材的开发;当前针对异种金属焊接要解决的关键问题劣质接头存在的影响。这一问题是由于不同母材性能存在的差异所引发的。两种不同母材性能有所差异，选择填充材料或焊材要考虑到如何缩小影响，控制碳的迁，以提升接头的稳定性；

4）研究异种金属焊接时接头碳迁移发生规律、应力分布特点，提升腐蚀性能等。针对这个问题的研究要采用先进的计算，并借助计算机模拟，并通过检测手段的完善构建出数据库，以供异种金属焊接作业工艺设计中加以参考。

5结束

本文分析了异种金属焊接的特点、分析热压焊工艺要解决的关键问题，结合异种板热压焊的实例，对比不同工艺体现出的特点，并探讨了今后的发展趋势、研究热点。异种金属板材针对焊接工艺的改进要有利于提升生产效率，要保证操作方法简单、降低电能消耗，实现低成本、电极低消耗、适应范围广，要保证焊接处强度的提升。特别是小型超薄金属复合板爆炸焊接技术，工艺的完善要具有可行性以及推广应用价值。在今后的研究中，还要解决焊后热处理方法，控制冷却速度、匹配焊材等，异种金属焊接的综合性能如何提高是研究要解决的重点难题。

参考文献

[1]余自林. 异型接头及异种金属的焊接工艺优化研究[D]. 西安理工大学, 2019.

[2]李元泰, 吴华鑫, 董斌,等. Q345/SUS304异种钢焊接接头固有应变的变化规律研究[J]. 中国机械工程, 2021, 32(15):6.

[3]孙璠, 谢志滔, 常昆,等. 既有异形建筑钢结构焊接加固施工技术[J]. 河南科技, 2021, 40(8):3.