异种材料的焊接及在有色工程中的应用

异种材料的焊接及在有色工程中的应用

邵学杰

中铝长城建设有限公司河南郑州450041

摘要：异种材料在现代焊接中有着非常重要的作用，在焊接工艺中，逐渐应用了异种材料的焊接方式，但由于传统焊接材料落后，导致焊接接头表面凹凸不平，存在不饱满的缺陷，影响美观。因此为满足人们工作的需要，文章研究在焊丝中加入铝硅成分后，对铜铝异种金属焊接接头性能产生的影响。结果表明：对焊接材料进行调整、优化可以改善焊接接头的质量。与传统的焊接材料相比较，利用铝硅焊丝焊接的接头，包括焊缝、熔合区和热影响区都比较平整和饱满，没有出现较大的缺陷，更重要的是焊接接头较密实，质量较高。

关键词：异种材料；焊接；有色；应用

1前言

焊接在许多领域都起到非常重要的作用，而焊接必然会形成焊接接头，而焊接接头性能好坏则会影响整个工具或设备的使用，影响焊接接头的因素有焊接材料、焊接方法以及焊接工艺，其中焊接材料是其中最重要的因素，它不是通过其它方法可以弥补的了的，焊接材料有焊丝、焊条、金属粉末、焊剂、气体等，其中焊丝是最常见的焊接材料。焊丝一般是作为填充金属或同时作为电极用的金属丝，常用的有不锈钢焊丝、碳钢焊丝、合金结构钢焊丝和有色金属焊丝等。但是随着社会的发展，这些传统的焊丝已经不能满足人们生产、生活的需要。因此近几年，出现了一种新型的焊丝成分——铝硅焊丝成分，这类焊丝主要用于铜铝异种金属焊接，它拥有耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度等特点。利用铝硅焊丝，使铜铝异种金属焊接接头表面更平整、美观，弥补了传统焊接材料存在的连接不完整、边缘咬边、根部不规则、气孔、裂纹等不足之处，更重要的一点是降低了焊接成本，节约了资源。本文利用铝硅焊丝来对铜铝异种金属进行焊接，然后分析其对焊接接头性能产生的影响。

2试验材料及工艺

文章中所准备的试验材料有：长宽高分别为20厘米、10厘米、0.2厘米的T2和1060Al薄板，组成成分如表1所示。直径为0.1毫米，型号为S302、ER3043和ER3047三种铝硅焊丝作为焊接材料，具体成分如表2所示。采用激光填丝焊接工艺，100A的焊接电流，13mm/s的焊接速度；型号为IPG-YLS4kW的光纤激光器；型号为RIGAKUULTIMA4X的衍射仪；型号为W-3400S的扫描电子显微镜；型号为FN-500的硬度仪。在把两块薄板进行焊接之前需要利用化学试剂对其进行清洗，去除表面的污渍和氧化膜，然后烘干备用。将铝板搭接在铜板上，并把它们一起固定在实验平台上，用型号为TransPulsSynergic4000的CMT焊机进行焊接。此外，试验过程中要注意的一点是需要氢气的辅助，来保护焊缝不被高温破坏。

3试验结果及分析

3.1铝硅焊丝对铜铝异种金属焊缝的影响

铝硅焊丝的稳定性较强，因此利用三种型号焊丝形成的接头，表面都比较平整，没有气孔出现，且无裂纹生成。但是随着焊丝中铝硅成分的增加，影响了焊缝的高度，增加的越多，高度越低。这是因为随着焊丝中硅元素含量的增加，焊丝的熔点就越高，在相同温度的加热下，铝硅焊丝的熔化量就越小。T2的熔点为1000℃，而1060Al的熔点远远低于T2，只有仅仅600℃，所以在电弧热作用下，只有处在焊接上层的铝板和三种型号的焊丝熔化了，而处在焊接下层的铜板却几乎没有发生任何形态上的改变，所以焊丝与铝板是熔化焊的过程，而在铜板上则是表面润湿、铺展、扩散和结合的过程。

3.2对铜铝异种金属焊接接头的硬度影响

利用型号为FN-500的硬度仪对经过三种型号的铝硅焊丝焊接的接头进行硬度测试，结果发现随着铝硅焊丝中硅成分的不断增加，T2和1060Al两块板材之间的焊缝硬度在逐渐提高，且利用型号为W-3400S的扫描电子显微镜观察三种焊接接头组织，发现均靠近铜板结合区的焊缝硬度最高。但存在一些细微的差别，三种焊丝焊接的接头硬度从高到低排列顺序为S302>ER3043>ER3047。由此可见，铝硅焊丝中硅元素含量的逐渐增加，使得铜铝异种金属焊接的结合区厚度不断变小，这有利于提高结合区的焊接质量，改善结合区组织，从而使焊缝的硬度变小，减小了焊接接头断裂的概率。

在目前看来，异种材料的焊接效果良好，其焊接的技术也有了很大的改善。就现阶段而言，国内外焊接异种材料时，主要的方法包括：熔化焊接方式、钎焊接方式、固相压力的焊接方式，还有液相过渡焊接方式等。尽管钢和铜异种材料焊接有很多方式，但是不可避免的钢与铜的焊接仍旧存在下面三个问题1）焊缝易产生热裂纹。由于铜与钢会形成低熔点共晶，以及线膨胀系数相差较大，焊缝容易产生热裂纹和晶界偏析（即低熔点共晶合金或是铜的偏析），因而焊接时，在较大焊接应力作用下，呈现出宏观裂纹。2）热影响区产生铜的渗透裂纹。铜及铜合金与不锈钢焊接时容易出现铜的渗透裂纹。为防止渗透裂纹产生，需要合理选择焊接工艺，选用小的焊接热输入量；同时还要选择合适的填充材料，控制易产生低熔点共晶的元素（S，P，Cu2O，FeS，FeP），向焊缝中加入Al，Si，Mn，Ti，V，Mo，Ni等元素。3）焊接接头力学性能降低下，使接头的塑性、韧性、导电性。此外，金属的表面状态也会产生影响，如金属表面的氧化膜、表面吸附的空气分子、水等，都会给焊接造成很大的影响，焊接过程中也应给予充分重视。实际的焊接工艺过程中，主要应用了激光焊接、电弧焊接，也应用了激光焊接装配的精度要求高，焦点的位置和激光束的偏移量要求限制在很小的范围内；激光器及加工系统结构复杂，成本高，一次性投资大。因此，在不断发展新工艺，新型焊接形式的同时，还要对各个领域不同种类的焊接工艺进行充分了解，铜和钢的异种材料焊接已经成为人们生活的一部分，需要不断改进和完善。

4结束语

综上所述，随着社会的发展，传统的焊接材料显然不能满足人们的需要，因此需要对其进行优化、创新。文章对铝硅焊丝成分对铜铝异种金属焊接接头性能影响进行了研究，结论如下。无论采用哪种型号的铝硅焊丝，都能较好的把T2和1060Al焊接在一起，且焊接缝隙较平整，没有出现较大的质量问题；在靠近铜板结合区的一侧，硬度都较其它部分高，且随着硅成分的增加，硬度越大。

参考文献

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