异种金属材料物理性质对焊接的影响_方溱.pdf

138管理及其他Management and other异种金属材料物理性质对焊接的影响方溱摘要：在焊接异种金属材料时，由于其物理性质存在差异，进而会不同程度地影响到焊接过程。异种金属的焊接组合十分多样，可以使工程的不同需求得到满足，具体需要结合焊接材料来合理分类，包括钢与有色金属焊接、异种有色金属焊接、异种钢焊接等类型。而当异种金属材料的物理性质有所不同时，将会直接影响到焊接效果。因此，需要针对异种金属材料的物理性质进行深入分析，明确其对焊接所产生的影响。本文针对异种金属材料物理性质对焊接的影响进行分析，介绍了异种金属材料相容性差异的影响，探讨了焊接材料对焊接质量的影响，并提出焊接材料的选用原则，希望能够为相关工作人员起到一些参考和借鉴。关键词：异种金属材料；物理性质；焊接质量伴随着我国实体行业的快速发展，传统制造业工艺水平也得到了显著提升。在金属制造业的生产过程当中，焊接是十分重要的一类制造手段，具有广泛的应用范围。而焊接质量对产品质量的高低具有直接影响，并与其功能的实现有着紧密联系。通过有效提升焊接质量，可以更好地促进实体制造业企业的发展。而想要使焊接质量得到提升，需要合理改善焊接工艺，正确选择焊接方法，同时还需要明确异种金属材料物理性质对焊接所产生的影响，并结合材料物理性质，对相应的焊接工艺和方法加以选择，以此来有效保证焊接质量。1 异种金属材料物理性质对焊接的影响异种金属材料焊接主要是指将两种或两种以上不同金属材质的金属材料进行焊接，具体包括铝与材料、铜与铝合金材料的焊接等。在我国核心材料技术快速发展的背景下，对比单一基础材料，合金材料的物理性质要具有更为显著的优势，因此在相关领域当中也得到了广泛应用，并实现了同种金属的不同材质焊接，同样属于异种金属材料焊接。而在对异种金属材料进行焊接时，其往往又受到材料自身物理性质影响，进而容易出现焊接缺陷问题，降低焊接工作质量。对此，相关研究人员需要深入分析异种金属材料物理性质对其焊接工艺所产生的影响。1.1金属材料熔点的影响在焊接金属材料时，需要有效融化两种或两种以上的金属材料。在此过程当中，当需要焊接的多种金属材料间熔点差异相对较小时，可以较为简易的完成不同金属材料的焊接工作。通常来说，不同金属材料的熔点差，往往不超过100，此时往往能够较为轻松的开展焊接工作，并保证焊接质量。但在具体焊接时，一旦不同金属材料间的熔点差超过100，将会导致较低熔点的金属材料先一步融化，并呈现出液体形态，而较高熔点的金属材料由于还未到达其熔点，没有发生融化，二者的焊接位置处无法有效融合。除此之外，熔点较高的金属材料在实际焊接时会有凝固收缩的现象出现，这使得一部分固结的金属会有压力形成，导致焊接部位产生裂缝，最终对焊接质量产生严重影响。1.2金属材料导热率和比热容的影响通常来说，金属材料的比热容以及导热率都相对较高，而当金属材料不同时，其导热率与比热容也会存在较大差异。在焊接异种金属材料时，当材料的比热容以及导热率没有较大差异时，可以避免热输送不均匀的问题出现，充分保证焊接质量。但目前比较常见的异种金属材料，其比热容与导热率往往存在较大差异，这也使得在对异种金属材料进行焊接时，会出现出热不平衡的现象，无法有效保证焊接过程金属熔化的均匀性，进而有焊接裂缝等相关缺陷问题出现。除此之外，由于受热差异进而导致焊接材料的两侧结晶结构有变化出现，这也使材料的物理性质发生改变。在对具有较高比热容的金属材料进行焊接时，其往往更容易受热，而且在冷却时速度相对较快，进而有脆硬现象出现，对焊接工作质量产生影响。在对较低导热率的金属材料进行焊接时，由于其导热速率相对较低，进而对焊接的受热均匀性产生影响，导致一部分材料出现过热现象。1.3金属材料线膨胀系数的影响针对金属材料的固有性质进行分析，线膨胀系数是十分重要的一项内容，而当基础材料不同时，其线性膨胀系数往往也存在较大差异。所以，在焊接异种金属材料时，由于不同材料的线膨胀系数存在较大差异，进而有收缩现象出现，其冷却时间也有所不同，增大了焊接过程的应力变化，容易有焊接裂缝等相关缺陷问题出现。一般情况下，当不同金属材料的此项系数差异较小时，可以显著降低其焊接难度。而当材料的线性膨胀系数存在较大差异时，会明显增加其焊接难度。除此之外，在焊接过程当中，由于热应力相对较大，进而会出现焊接裂缝等问题，导致焊接接头与母体相脱离。139管理及其他Management and other1.4磁场作用的影响除上述物理性质以外，焊接材料的磁场作用对焊接工艺质量也具有直接影响。具体来说，当异种金属材料的磁性不同时，在焊接过程中所采用的焊接方法也会有所不同。比较常见的焊接方法，主要包括电子束以及直流电弧等，当异种金属材料的磁性具有较大差异时，在焊接过程中由于磁场不同，进而有电子束与金属固定轴线偏离，以及电弧偏吹等现象出现，导致电流会偏离金属磁体的另外一侧，增大了焊接的金属熔化量。而当金属熔化程度有所加剧时，或者由于无法融合较弱磁性的金属材料，最终会导致焊接裂缝等问题出现。2 异种金属相容性问题在焊接两种不同的金属材料时，两种金属材料合金元素间的相互作用，对其是否能够焊接具有决定性影响。当两种不同的金属元素，无需在液态环境下，即在固态条件下能够相互溶解，并有全新状态形成，则这两种金属元素与冶金学概念的相容性定义相符合，在原则上可以针对这两种异种金属开展焊接操作。想要有效溶解合金元素，需要确保满足相关条件，具体如下。首先，两种金属需要具有匹配的金属类型，如在焊接时的两种异性金属，都属于立方晶格样式。其次，两种异性金属，在焊接时其原子半径应相接近。最后，在元素周期表内两种元素的位置应该相互邻近，可以减少异种金属材料的电化学性质。当上述三个条件均满足时，可以针对这两种金属进行无限制溶解，并有固溶体形成，可以将其称为无线固溶体。当两种金属只满足上述部分条件时，在溶解过程当中将会受到相关条件限制，此固溶体被称为有限固溶体。在有限固溶体当中，一旦其溶质金属达到溶解度以上并出现饱和时，则可能会发生相关反应，具体如下。首先，从固溶体当中对其他不同的固溶体析出，在焊接过程当中将会有两种固溶体的混合物形成。其次，两种固溶体的金属会有相关的化合物产生。一般而言，金属间化合物，其物理性质往往表现为坚硬和易脆，可以将这种物理特性称之为脆性相。如果异种金属会有金属化合物产生，则无法开展焊接工作。当固溶体焊接裂缝当中存在金属间化合物时，将会降低焊接接头的韧性和可塑性，极大地影响焊接质量，其影响程度与金属间化合物的数量类型、分布状况以及形态等有关。当焊接缝隙当中存在较多的金属化合物时，在经济上相关化合物会呈现出网状分布形态，极大地降低焊接质量。对此，在实际焊接时应对这种金属间化合物的形成加以控制。通过相关研究可以发现，金属间化合物需要在一段时间后方能形成，而且对温度条件具有相应要求。因此在开展焊接工作时，可以通过对焊接时间以及温度条件等进行控制，以此来有效降低金属间化合物的产生概率。当两种金属在固体和液体等状态下都无溶解现象发生时，则不会有金属间化合物形成。但在液体状态下，会依据其比重的不同，进而有分层现象发生，在完成焊接进行冷却时，会有独立的结晶体形成。一旦出现此情况，则无法直接焊接两种异性金属。在必须焊接这两种异性金属时，需要对中间的过渡层进行使用，具体来说需要挑选与两种金属均具有相容性的其他物理性质金属，利用过渡层来有效开展焊接工作。相关工作人员可根据不同接头组成来合理进行分类，具体包括三种形式。首先，对两种物理性质不同的金属材料进行焊接。例如，在对钢铁与镁进行焊接时，可以纯镍焊条为过渡层有效焊接。其次，当对三种或三种以上都不同金属材料进行焊接时，其有着相应的组合接头。最后，复合钢板结构类型的接头，具体包括以奥氏体不锈钢作为复层的过渡层接头，以及以珠光体结构钢作为过渡层的接头。3 焊接材料对焊接质量的影响3.1焊缝金属的合金化在目前所应用的焊接工艺当中，焊缝金属合金化对焊接质量具有重要影响，所以在对焊接材料进行选择时，应对材料的合金化需求进行充分考虑。焊缝金属合金化是对合金元素与焊接材料有效过度的重要因素，可以使焊接效果得到优化与改善。在合金化处理焊缝金属时，其处理方式往往相对较多，首先可以有效应用合金焊丝，并在焊丝材料当中添加合金元素，为后续焊接过程当中焊缝金属需要的合金元素进行有效过渡，其合金化效果十分理想。在合金化处理焊丝时，具有较高的可靠性，可以使焊接材料的损耗得到减少，但具有比较复杂的操作。其次，需要合理应用合金药皮，并通过药品来有效处理，使焊缝金属能够实现合金化，确保在对药皮材料进行焊接时，能够充分过度合金材料。此种处理方式具有较低成本，操作也十分简单，但合金利用率有待提高，而且还可能会有不均匀现象出现。再次，合理应用药芯焊条。对于焊条表面需要采用外皮合金材料来有效处理，使焊条合金材料的实际过渡效果得到保证。在对此方式进行应用时，应对其配比进行严格把控，而且此方式具有较高的焊接成本。最后，利用合金粉末来落实焊接处理工作，其在焊缝金属合金化当中是十分重要的一类方式。通过应用此方式，可以有效配比焊缝金属需要的相关合金材料，并使其过度效果得到有效提高，使相关焊接材料的实际应用价值得到显著提升。3.2焊接材料对工艺质量的不良影响在焊接材料当中包含着一些不利于焊接质量的元素，这些元素容易导致焊接产品的焊缝会有夹渣与气孔等相关缺陷问题产生。针对常见的焊接材料进行分析，其所包含的元素主要为氮元素、磷元素以及硫元素。当焊接材料中硫元素的含量相对较高时，会导致焊接过程当中有较低熔点的共晶体产生，这些共晶体强度相对较低，因此在完成焊接工作后，一旦焊缝受到外力或拉伸等影响，容易有裂缝等问题出现。与此同时，在进行二次补焊时，所起到的效果也相对较低，会影响到补焊质量。当焊接材料的硫元素含量相对较高时，由于该类元素具有较强的固溶强化140管理及其他Management and other能力，因此在完成焊接操作后可以提升焊缝强度，使焊接基材自身的韧性以及塑性等受到影响，无法有效保证相关焊接产品的实际使用功能。除此之外，当焊接材料当中氮元素含量过多时，同样会对焊接质量产生影响。在具体焊接时，氮元素会导致焊接金属基材的溶解度有所下降，一旦存在焊接电流或者温度变化等情况，将会导致焊接时发生溶解性问题，进而对焊接金属基材具有的金属性能产生严重影响，容易产生相关隐患问题，影响焊接产品的实际使用效果。4 焊接材料和方法的选用原则在金属材料焊接过程当中，焊接方法比较多样，具体包括气体保护焊接、氩弧焊、交直流焊接等，对于不同的焊接方法，其所对应的焊接材料有所不同，例如焊丝、焊条以及焊剂等。在开展焊接工作时，焊接材料对其焊接质量具有重要影响，因此需要对焊接材料进行合理选择，并采用科学合理的焊接方法，从而使焊接效果得到有效提升。在实际选用焊接材料与方法时，应对以下原则进行充分考虑。4.1选用与焊接基材相适应的焊接材料针对焊接过程进行分析，需要对焊条进行引弧，然后输入高热量，使焊接基材与相关材料能够有效融化，并焊接到一起。在对焊接材料进行选择时，需要适应焊接基材，这也是选择焊接材料的一项基本原则。对于焊接基材而言，需要对其化学成分、熔融特点、焊接性能等进行深入分析，以此来为焊接材料的选择提供依据。首先，化学成分所选择的焊接材料需要与焊接基材化学成分相似，以此保证焊接熔熔度，使焊接质量得到有效提高。想要有效实现这一目标，需要准确检测焊接基材的材料性能。其次，力学性能。相关焊接人员需要结合基材的力学性能对焊接材料进行选择，并确保其高于或与基材力学性能相似。此外，在焊接时一旦遇到厚板第一道焊或者点固焊等特殊情况时，需要确保其强度满足相关要求，因此应对高强度等级的相关焊接材料进行选用。4.2满足焊接产品的使用要求相关焊接人员在对焊接材料进行选择时，需要结合焊接产品的使用要求，特别是力学性能方面的要求进行充分考虑。具体来说，当焊接产品的使用要求不同时，应采取不同的焊接方法，例如部分产品有着严格的亲密性要求，或对压力承受具有较高要求，或看重焊接外观等。这需要焊接人员结合产品使用，对焊接材料进行针对性选择。在此过程中需要注意在选取焊接材料时，应对其焊接方式加以选择，确保焊接工艺的相关要求得到满足，避免有工艺与材料相矛盾的情况出现。所以，相关工作人员需要结合产品使用要求，对焊接工艺、方式以及材料进行合理选择，确保实现产品的使用目标，提高使用效果。4.3根据焊接材料自身的性能进行选用在相关焊接工艺当中，对焊接材料进行使用时，一方面需要对木材与焊接设备的要求进行考虑，另一方面还需要结合材料自身性能来合理选用。具体来说，焊接人员应对焊接材料性能进行充分分析与了解，从而防止在焊接过程中由于材料不合理而出现相关质量问题。在选用焊接材料的性能时，需要从焊剂、焊丝以及焊条等方面进行入手，对材料性能加以控制，以此来有效提高焊接效果，使焊接工艺质量得到保证。4.4焊接方法选择针对异种金属材料常见的焊接方法进行分析，其具体包括熔焊、钎焊以及氩焊等方式。其中熔焊对稀释率具有较大影响，一些情况下可以达到30%，而融化与气体保护焊接的浮动范围为10%50%，喷射过度的稀释率最大，短路过渡的稀释率最小。而埋弧焊具有较大容身，其吸水率通常维持在10%75%，可以通过对带状电极进行使用，从而降低其稀释率。在针对异种金属进行熔焊时，堆焊过渡层法可以使稀释得到减小。而氩焊主要加热木材，使其转变成塑性状态。或者可以不对其进行加热，通过施加一定压力来有效进行焊接。针对超声波焊、冷轧焊以及扩散焊等焊接方法进行分析，其特点主要表现为焊接时，接头温度相对较低，不容易产生金属间化合物，可以促进异种金属材料的有效焊接，但压焊对焊接接头的要求十分严格。在异种金属焊接时，钎焊是比较常见的一类方法，具体需要对钎料与母材进行焊接，可以使两种母材得到融化。而熔焊和钎焊的组合焊接方法，可以使异种金属物相容性或金属间化合物生成等相关问题得到有效解决，是一类比较特殊的方法，主要针对焊接难度较大的异种金属采取钎焊的方式，而焊接难度较小的则对熔焊进行采用。通过有效结合这两种焊接技术，可以进一步提升焊接效果，通常先对钎焊进行采用，然后再使用熔焊方法。5 结语综上所述，在对金属材料进行焊接时，往往容易遇到异种金属材料的焊接情况。由于异种金属间的物理性质存在差异，进而会不同程度地影响到焊接质量。对此，相关焊接人员应对异种金属焊接过程中可能出现的问题加大注意，特别需要重视焊接的相容性问题，结合不同的异种金属材料，对适合的焊接工艺进行采用，以此来有效保证焊接效果。（作者单位：中石化巴陵石油化工有限公司己内酰胺搬迁项目部）