淺談異種金屬的焊接

葛會冰，蘇立國（山東新華醫(yī)療器械股份有限公司，山東 淄博 255086）

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淺談異種金屬的焊接

葛會冰，蘇立國
（山東新華醫(yī)療器械股份有限公司，山東 淄博 255086）

摘 要：隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)日新月異的進步，新結(jié)構(gòu)、新設(shè)備層出不窮，新材料和新工藝的應(yīng)用日益廣泛。由于異種金屬的焊接，不僅能滿足耐高溫、耐腐蝕和耐磨損的要求，而且還能節(jié)省大量的合金材料和稀有貴重金屬，從而顯著降低制造成本，因而成為現(xiàn)代工程技術(shù)中不可缺少的一種重要加工方法。它除了要研究焊接的一般規(guī)律外，還要研究許多特殊的規(guī)律，如異種金屬的物理、化學(xué)性能變化，金屬間化合物的形成機理、冶金擴散過程，焊接工藝，接頭性能的檢驗等等，涉及面很廣。

關(guān)鍵詞：異種金屬焊接；化學(xué)性能變化；金屬間化合物的形成機理；冶金擴散過程；焊接工藝；接頭性能

1　前言

把異種金屬零件連接成一個整體部位，焊接常常是最好的方法。在生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到異種金屬的焊接構(gòu)件。異種金屬焊接的特點是能最大限度地利用材料各自優(yōu)點，收到“物盡其用”的效果。結(jié)合我廠FCC-7000型鈷60治療機中的源頭組件（鋁青銅管QAL10-3-1.5與Q235鋼支撐盤），試述異種金屬的焊接。

2　與鋼的焊接特點

從銅--鐵平衡狀態(tài)圖可知，當鐵向銅擴散時，形成有限溶解的ε固溶體。室溫下處于平衡狀態(tài)時，在α鐵中溶解的銅不超過0.3%，在銅中溶解的鐵不超過0.2%，銅與鐵不形成脆性金屬間化合物。溫度從700℃升高到1000℃時，鐵在銅中的溶解度從0.3～0.35%直線上升到2.6～2.9%；當銅向α鐵擴散時，同樣形成有限溶解度的固溶體。在750～835℃時，銅的溶解量達到3.5%。在835℃時，過飽和的α及ε固溶體形成α+ε的共晶體。在835-910℃溫度區(qū)間，銅在α鐵內(nèi)的溶解度下降，同時銅降低了鐵的α→γ轉(zhuǎn)變溫度。銅溶解于鐵內(nèi)可以有α固溶體和γ固溶體兩種形式。銅在γ鐵內(nèi)的極限溶解度大于銅在α鐵內(nèi)的溶解度。如果焊后冷卻速度較快，則在擴散過渡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生銅、鐵的過飽和固溶體，甚至含鐵量達到2～2.5%時，也未發(fā)現(xiàn)游離狀態(tài)的鐵。熔焊時，銅與鋼之間的熔合線十分明顯，且含有富鐵相。

圖1

從以上論述中可知，常溫下，銅鐵的互溶性很差，但在高溫及熔融狀態(tài)下，這種狀況得到極大改善，但也有一定區(qū)別，從鐵-銅合金狀態(tài)圖中可以看出，銅在鐵中的熔解度到10%附近就不再上升，但鐵在銅中的熔解度卻隨溫度的上升，不斷提高，所以在實際焊接中，在保證兩側(cè)基體基本熔化的前提下，焊縫中的基本元素應(yīng)是銅，而鐵可以看作填加元素，并在過渡區(qū)和擴散區(qū)內(nèi)能基本溶解于基體銅，這樣的溶池近似是單一的金屬或銅合金的溶液，凝固過程也傾向于類似純金屬及銅合金的結(jié)晶過程。這樣的一個異種金屬熔池，在高溫熔融狀態(tài)下是穩(wěn)定的，但在進入結(jié)晶狀態(tài)后，鐵的溶解度迅速下降，將造成大量游離狀態(tài)鐵的析出，使凝固狀態(tài)惡化，但如果凝固時間短，使鐵來不及析出，將形成以過飽合的α+ε固溶為主要成份的凝固區(qū)域。所以，在較為準確的掌握一定焊接方式的情況下，銅鐵間存在一定的可焊性。

3　焊接性

鋼與銅及其合金焊接時，主要問題是在焊縫及熔合區(qū)容易產(chǎn)生裂紋。產(chǎn)生裂紋有兩種形式：焊縫裂紋和熱影響區(qū)滲透裂紋。

（1）焊縫裂紋。鋼與銅及其合金焊接時，焊縫中產(chǎn)生的裂紋屬于熱裂紋。產(chǎn)生焊縫裂紋的原因有兩個方面。

①鋼與銅的物理性能差異很大，其熱物理性能比較列于表1。

表1

由表1可知，鋼與銅的線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率相差很大，尤其是線膨脹系數(shù)，青銅要比碳素鋼高出近45%，因此，焊接時在接頭中產(chǎn)生很大應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋。

②由于銅及其合金焊接時，熱裂紋傾向較大，而鋼與銅及其合金焊接時，焊縫是鐵銅的混合物，因此，隨著焊縫中含銅量的增加，產(chǎn)生熱裂紋的傾向也加大。當焊縫中含鐵量較低［如（Fe）為0.2%～1.1%］時，焊縫金屬的結(jié)晶特點和純銅焊接時差不多，所以，焊縫的抗熱裂紋性能提高。當含鐵量（Fe）為10%-43%時，焊縫具有最高的抗熱裂紋性能，但是當進一步提高含鐵量時，焊縫的抗裂紋性能卻急劇下降。

（2）熱影響區(qū)滲透裂紋。鋼與銅及其合金焊接時，在與液體銅及其合金相接觸的鋼中，容易產(chǎn)生滲透裂紋。滲透裂紋是在高溫時形成的，且被銅及其合金所填充，它可以單獨存在，或沿晶界呈網(wǎng)狀分布，其長度可以從幾微米到幾十毫米。

熱影響區(qū)滲透裂紋的產(chǎn)生，是由于液態(tài)銅及其合金對鋼的滲透和拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。因為從焊縫冷卻瞬間開始，在焊接接頭中就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，并且這種應(yīng)力隨著溶池的不斷冷卻而增加。另外，在結(jié)晶過程中，金屬組織往往是有缺陷的，這樣，在鋼的結(jié)晶表面上就產(chǎn)生了微觀裂紋。處于液態(tài)下的銅及其合金，浸潤著微觀裂紋的表面，并且在毛細管效應(yīng)的作用下，滲透到微觀裂紋中去。在整個滲透過程中，也伴隨著鋼在銅及其合金液體的溶解和沿鋼晶界繼續(xù)滲透。滲透進來的液體對微觀裂紋產(chǎn)生一個附加壓力，在焊接拉應(yīng)力的共同作用下，最后發(fā)展成為熱影響區(qū)滲透裂紋。

4　操作實例

通過上面的論述可知，鋼與銅的焊接主要缺陷就是熱裂紋和熱影響區(qū)滲透裂紋，要想克服這些缺陷，就需要制定相應(yīng)的焊接工藝。結(jié)合我廠FCC-7000型鈷60治療機中的源頭組件，試述鋁青銅管（QAL10-3-1.5）與Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼的手工電弧焊焊接工藝。

整體圖樣如圖2所示。

圖2

源頭組件的總體焊接工藝過程為：1、將支撐盤與源頭點焊；2、將銅管插入；3、支撐盤與源頭整體組焊；4、銅管兩頭與鋼基體焊為一體，要求焊縫致密。上述主要工作結(jié)束后，在源頭上方開口處用鋼板焊出澆口。通過澆口將熔鉛澆入源頭空腔內(nèi)，此過程要保證各焊縫致密，不能漏鉛。

下面只針對支撐盤與銅管的焊接作出論述：

（1）焊接材料的選用。根據(jù)鋁青銅的焊接特點，選用銅237（T237）焊條作為添充材料。（前面已提到熔池中的主要金屬應(yīng)為銅，所以焊條選用銅基焊條，而且T237與母材成份也比較接近。）

（2）焊前準備。為了獲得滿意的焊接質(zhì)量，施焊前應(yīng)充分做好準備。①支撐盤與銅管的坡口均按6×45°加工，采用V型焊縫；將源頭組件旋轉(zhuǎn)90°立起，采用平焊。雖然有資料顯示，一般采用70°V型焊縫，其中銅件40°，鋼件30°，這樣的焊道可以自然地保證焊條偏向于銅基體，但為了保證焊道融合充分，我們還是采用90°V型焊縫，零件坡口均按45°加工，只是在實際操作時，有意的使焊條偏向銅基體。②焊前認真清理坡口兩側(cè)的油污、銹跡、銅管坡口處不得沾有油污及氧化膜。③焊條（T237）要在烘箱內(nèi)烘干（150-200℃）2h，焊條直徑Φ3.2，Φ4.0，適量。④焊接參數(shù)見表2。

表2

（3）焊接。施焊前要對坡口兩側(cè)進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為350℃-450℃。采用較小電流，短弧進行焊接。焊條角度和電弧應(yīng)稍偏向銅管一側(cè)，焊條一般不做橫向擺動，盡量減少熔池的攪拌，以便保持熔池中熔液以銅為主，同時保持銅鐵的獨立性，盡量以單金屬的結(jié)晶方式凝固。第一遍焊接速度應(yīng)稍快，焊完后要把焊縫處藥皮、飛濺清理干凈、速度一定要快，以免焊縫處溫度下降過大。如溫度下降過快，可用氧-乙炔焰再進行加熱，然后施焊第二層。第二層焊接的速度可稍慢，同時因蓋面的熔池加寬，焊條可稍做橫向擺動，在焊縫兩側(cè)邊緣可稍作停留，防止邊緣處咬邊。

蓋面層焊完后，應(yīng)立即用小錘進行“密點輕擊”的錘擊，勻速錘擊焊縫周圍，使焊縫及熱影響區(qū)的應(yīng)力得到釋放。為防止焊縫處銅管側(cè)冷卻速度快，可由一人用氧-乙炔加溫，另一人在火焰離開后，立即進行錘擊，以防止熱裂紋產(chǎn)生，時間為10分鐘左右。

焊后應(yīng)采用保溫緩冷的方法，以防裂紋產(chǎn)生。具體方法如下：將焊縫及焊縫周圍100mm內(nèi)用生石灰覆蓋，使焊縫緩慢的降溫，直到冷卻至室溫才除去覆蓋層，防止產(chǎn)生裂紋。

（4）焊后檢查。待焊件完全冷卻后，將生石灰去除，焊縫處擦拭干凈。外觀焊縫表面均勻，無氣孔、夾渣、裂紋；待澆鉛口焊接完后，澆注鉛時，焊縫處未發(fā)現(xiàn)有漏鉛現(xiàn)象；（由于鉛的澆注溫度在三、四百度，這么大體積的鉛的冷卻時間一般在一天以上，相當于對焊縫進行了一次去應(yīng)力退火，所以這一步生產(chǎn)工序相當于對焊縫增加了一步熱處理），支承盤經(jīng)鏜床加工1.5mm去后，可見焊縫處熔合良好，加工表面光整，沒有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。

因產(chǎn)品對焊縫無特殊要求，只要保證焊縫致密，不產(chǎn)生漏鉛即可，故不作內(nèi)部探傷及機械性能試驗。

5　結(jié)論

以上實踐證明，異種金屬的焊接是有一定規(guī)律可循的。只要把握住異種金屬的物理、化學(xué)特性及它們的內(nèi)在聯(lián)系，認真做好焊前準備，每個步驟嚴格要求，焊接材料選擇正確，合理運用焊接參數(shù)，就能有效避免焊接中存在的各種缺陷，獲得令人滿意的焊接質(zhì)量。

參考文獻：

［1］何康生，曹雄夫編著.異種金屬焊接［J］.北京：機械工業(yè)出版社，1986.

［2］顧曾迪編著.銅及銅合金的焊接［J］.北京：機械工業(yè)出版社，1981.

［3］孫景榮，王麗編著.電焊工［J］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.045