异种金属的焊接研究进展
    摘要:本文对异种金属(铝-钢、铜-钢、钛-钢、Mg/Al、Ti/Al、Cu/Al)的焊接研究现状、异种金属的焊接应用、异种金属的焊接发展等方面进行了分析,希望对异种金属的焊接研究有所裨益

焊接在现代的工业生产中,已成为一种重要的金属加工工艺方法,广泛地应用于造船、航空、航天、汽车工业及机械制造等许多现代工业部门,随着科学技术的发展,异种金属的焊接技术发展越来越快,并且质量要求也越来越高。为适应焊接技术发展的需要,研究异种金属的焊接工艺技术已成为焊接领域的一种发展趋势[1]。

1异种金属的焊接研究现状

1.1铝钢异种金属焊接研究现状

近年来,环保问题越来越受到重视,汽车工业为了节约燃料、保护环境、不断努力减轻汽车重量,因此对汽车用材料提出了更高的要求。增加铝材的使用量是其中的重要措施之一,所以在汽车工业生产中,采用“钢+铝”双金属焊接结构成为汽车轻量化的首选方案,这必然涉及到铝和钢两种材料之间的连接。

目前,应用于铝和钢连接的焊接方法主要有:压焊(滚焊与爆炸焊、摩擦焊、搅拌摩擦焊)、钎焊、熔焊、扩散焊、电弧焊、激光焊和磁脉冲焊等[2]。

铝钢之间的焊接,一直是焊接领域的难点和热点问题,其中脆性金属间化合物的生成是影响接头性能的主要因素。压力焊和钎焊由于基体可以在焊接过程中保持固态,同时焊接热输入容易控制,因此接头的性能一般不受限于金属间化合物的厚度,比较适于铝钢之间的焊接,但是这种焊接方法效率较低,对工件的尺寸和形状有特殊的要求,不适于大批量生产。而熔焊方法比较灵活,效率较高,但是金属间化合物又成为不可避免的附加产物。虽然采用熔钎结合的方法已经获得了很好的效果,但是对于金属间化合物的生长动力学以及如何促进铝合金熔体润湿钢板表面等方面还没有系统研究,因此,解决上述问题对于促进高效的焊接方法在铝钢焊接中的应用具有重要的意义[3]。

1.2铜钢异种金属焊接研究现状

随着经济的迅速发展和科学技术的不断进步,新材料、新工艺、新设备不断涌现,对零部件的性能提出了更高的要求。采用钢和铜复合零部件,因在性能与经济上优势互补,具有广阔的应用前景。

世界各国的研究者对铜和钢的焊接进行了实验和理论分析,目前常用的焊接方法有熔焊、压焊、钎焊和熔焊-钎焊[4]等。

每种方法都具有各自的特点和应用范围。其中冷金属过渡焊接是一种比较新的焊接方法,应用前景广阔。在铜-钢焊接接头结合机理方面的研究,多集中于对青铜和钢焊接后的接头组织方面,对于紫铜与钢的焊接还需要进行进一步探讨[5]。

1.3钛钢异种金属焊接研究现状

用熔焊焊接钢与钛及钛合金,焊缝产生TiFe、TiFe2及TiC脆性化合物,焊后容易产生裂纹,因此一般不采用熔焊方法(指焊条电弧焊、埋弧自动焊及CO2气体保护焊)。在焊接生产中,多采用真空扩散焊、真空电子束焊、钎焊及氩弧焊等方法可获得优良的钢与钛及钛合金的焊接接头[6]。

钛合金与高强钢是广泛地用于航空航天、空间技术、核能、船舶等武器装备领域的重要材料,钛合金与不锈钢的连接可以采用真空钎焊、扩散焊、摩擦焊等方法,能够获得性能良好的接头。航空某部件中存在TC4钛合金与42CrMo钢之间的连接,采用扩散焊和钎焊的方法获得优质的接头。

航天器推进系统中的异种金属导管结构大量采用了钛合金与不锈钢,它们之间至今还采用机械连接加密封胶脂的组合方法进行连接,密封程度低、接头性能差,并且密封物质一旦侵入导管结构内部,将会造成严重的后果。采用高频感应钎焊的方法,能够获得高密封性能、高力学性能的钎焊接头,杜绝了杂质侵入导管结构中的可能性,并且能够大大提高一次连接的成功性和生产效率[7]。

1.4Mg/Al异种金属的焊接研究现状

目前镁合金的研究和开发应围绕提高材料的强度、塑性、韧性、抗腐蚀以及抗疲劳等综合性能来开展,新型合金的开发可通过采用新的合金元素、新的抗腐蚀处理工艺等途径实现。除了镁合金的设备开发、合金系研发、熔炼外,镁合金研究的一个关键问题是镁合金与其他金属的焊接问题。Mg和Al的表面容易形成氧化膜(MgO、Al2O3),采用一般的焊接工艺难以得到良好的焊接接头,并在焊缝中极易形成大量的Mg-Al系脆性金属间化合物。因此,采用先进的连接方法对Mg/Al异种金属进行焊接是目前非铁金属材料焊接领域的前沿课题。

Mg/Al异种金属的焊接研究目前主要集中在焊接方法选择、焊接参数、填充材料以及焊接接头组织性能等几个方面。目前采用的焊接方法主要是熔焊和固相焊,例如,钨极氩弧焊、电子束焊、搅拌摩擦焊、电阻点焊以及扩散焊等。

Mg、Al均属于轻质非铁金属材料,被广泛应用于航空航天、汽车、电子等高新领域,Mg和Al的焊接问题则是其作为实用工程材料必然涉及的一个问题。目前的研究中接头结合区易形成高硬度的Mg-Al系脆性相,会严重降低接头组织的塑性,因此母材及焊接方法的选用将成为今后Mg和Al焊接的重点。进一步开展Mg和Al的焊接工艺和基础理论研究,对推动Mg/Al异种金属焊接接头应用有重要的意义[8]。

1.5Ti/Al异种金属的焊接研究现状

铝合金和钛合金可采用熔钎焊、真空钎焊、高频感应钎焊、摩擦焊、扩散焊和超塑成型/扩散连接等方法来连接,铝合金与钛合金都是易氧化的金属、相互溶解度非常小、高温吸气性很大、易形成脆性化合物等问题,因此连接时还是存在一定的困难。熔钎焊的方法与铝合金和钢之间的连接相似,受接头型式的限制。摩擦焊铝合金与钛合金需要添加纯铝作为中间层,能获得塑形相当好的焊接接头。扩散焊方法的应用需要铝合金与钛合金之间形成楔形的沟槽,通过铝合金的变形与扩散而形成接头。与铝合金和不锈钢之间的钎焊相同,采用真空钎焊方法由于焊接时间较长,容易产生金属间化合物,而影响接头性能,最好能够在钛合金表面镀Ni然后焊接,能够获得良好的接头性能。采用高频感应钎焊方法,加热时间非常短,金属间化合物还来不及产生,因而获得了力学性能和密封性能都非常好的接头。

1.6Cu/Al异种金属的焊接研究现状

工业纯铜的熔点为1083℃,密度为8.9g/cm3,是一种逆磁性物质,导电、导热性非常好,极易氧化。纯铝的熔点为660℃,密度为2.7g/cm3,导热导电性仅次于铜、银。铜和铝都容易氧化,但抗腐蚀性能好。

铜与铝可以采用钎焊、熔焊和压焊的方法进行焊接,生产中常用的方法有:钎焊、摩擦焊、冷压焊。冷压焊是一种很有发展前途的焊接方法,尤其是焊接塑性变形量较大的异种金属更为合适。

铝合金与其它材料的连接还有铝铜双金属片、铝铜导管结构、铝铜散热器、铝铜热管结构等。

2异种金属的焊接应用

随着镁合金在汽车、电子、航空航天等高新技术领域的逐渐推广应用,镁合金与其他金属的连接问题将是今后镁合金焊接的前沿课题[9]。例如在汽车制造方面,将会遇到镁合金与钢、镁合金与铝合金的熔焊问题;在自行车制造中,还需要解决镁合金和铝合金管接头的钎焊问题等。由于镁合金密度低、熔点低、热导率和电导率大,并且热膨胀系数大、易氧化,且氧化物的熔点很高,使镁合金和铝合金异种金属的焊接过程中会产生一系列的困难,因此,解决Mg/Al异种金属的焊接难题已经成为国内外众多研究者关注的焦点。

进入21世纪以来,随着各种金属材料在航空航天、民用领域的拓展,钢铁材料已经逐步被非铁金属所取代,而其中非铁金属与钢铁以及异种非铁金属的焊接将成为今后金属材料焊接领域的前沿。并且随着新的异种金属连接方法的不断出现和改进以及金属的加工技术的提高,Mg/Al异种金属接头在工业中的应用将会达到2.9%,因此采用不同的焊接工艺对Mg/Al异种金属进行焊接,以及深入地研究Mg/Al异种非铁金属焊接工艺以及接头的组织结构性能的研究,将会对Mg/Al异种金属接头的推广使用具有十分重要的现实意义。

爆炸焊的异种金属用来制作连接异种金属过渡接头。过渡接头通常用于两个方面:

2.1用于电力、电子和电化学工业中。如铜-铝、铜-钛、铜-钢、铜-不锈钢、铝-钢、铝-钛-钢、铝-钛-不锈钢和银-铜等的过渡接头,以连接相应的异种导电材料。例如,连接输电线路的铜-铝接头,电解铝工业中的铝-钢接头,电解铜、镍和锌工业中的铜-钛过渡接头等。

2.2用于工程结构中。例如锆合金-不锈钢、因科镍和钼-不锈钢的管接头的两端,在与相应的管材连接之后用于工程中。钛-不锈钢管接头在阿波罗宇宙飞船上,一头连接钛制作的登月仓和燃料箱,另一头连接不锈钢制作的燃料管道。电冰箱用的铜-铝过渡管接头。造船工业中连接铝质上层建筑和船体钢质甲板的铝-钢板接头。连接低温真空设备的铝-钢管接头。另外,用同种或异种材料的管接头现场爆炸焊,连接了5000km长的通讯电缆、数千千米长的石油管道(接头达数十万个)和1090km的天然气管道等。

大量异种金属材料的爆炸焊有许多卓有成效的应用。因此,爆炸焊作为一种焊接新工艺和新技术,在焊接异种金属材料方面有得天独厚和无可替代的优势。爆炸焊是异种金属焊接的最佳工艺和焊接技术的一大发展,而具有重要的技术和经济价值。在我国这种焊接技术应引起更多的重视和获得更大的发展[10]。

3异种金属的焊接发展

随着异种材料连接结构的应用前景不断扩大,其连接技术也会越来越受到重视。连接方法的选择要根据不同的异种材料组合、不同的结构形状以及不同的应用环境来确定。钎焊技术是目前异种材料连接的最重要的方法,其他方法都存在各自的局限性。熔钎焊、电子束钎焊、激光钎焊、活性软钎焊和搅拌摩擦焊等都是近年发展起来的新方法,在异种材料的连接方面还处于研究阶段。在新技术不断发展的今天,适用于异种材料组合的连接技术越来越多,新技术的不断发展为异种材料的连接提供着新的技术保障[11]。

影响异种金属焊接的主要因素:

3.1异种金属的熔点相差愈大,愈难进行焊接;
3.2异种金属的线膨胀系数相差愈大,愈难进行焊接;
3.3异种金属的导热率和比热相差愈大,愈难进行焊接;
3.4异种金属的电磁性相差愈大,愈难进行焊接;
3.5异种金属的氧化性愈强,愈难进行焊接;
3.6异种金属之间形成金属间化合物愈多,愈难进行焊接;
3.7异种金属焊接时,焊缝和母材不易达到等强。

综上所述,焊接异种金属及其合金时,只有合理选用焊接方法和填充材料,并合理地制定焊接工艺和采取特殊的措施,才能获得优质的焊接接头[12]。

4结束语

异种材料连接结构具有两种材料综合的优良性能,在国防和国民生产领域得到了广泛的应用,由于异种材料的物理、化学及力学性能方面存在着巨大的差异,对连接方法要求比较苛刻,最适用的方法是钎焊,此外扩散焊、扩散钎焊和摩擦焊也有重要的应用,熔钎焊、电子束钎焊、激光钎焊、活性软钎焊和搅拌摩擦焊等方法都是近年来发展的新方法,在异种材料的连接方面将逐渐扩大应用范围。随着异种材料连接结构的应用前景不断扩大,其焊接工艺技术也会越来越受到重视。

参考文献
[1]李松山,周游.不锈钢与铜-异种金属的焊接.经济技术协作信息,2002(8):35.
[2]雷振,秦国梁,林尚扬等.铝与钢异种金属焊接的研究与发展概况,焊接,2006(4):16~20.
[3]张洪涛,何鹏,孔庆伟等.铝钢异材料焊接研究现状与发展,焊接,2006(12):7~12.
[4]JergenB.Coldmetaltransferhasafuturejoiningsteeltoaluminum[J].WeldingJournal,2005(6):38~40.
[5]高禄,栗卓新,李国栋等.铜-钢异种金属焊接的研究现状和进展,焊接,2006(12):16~19.
[6]刘中青.异种金属的焊接.机械工人:热加工,1994(8):25~26
[7]曲文卿,董峰,齐志刚等.异种材料的连接,航空制造技术,2006(3):44~49.
[8]刘鹏,李亚江,耿浩然等.Mg/Al异种金属的焊接研究现状,焊接技术,2006,Vol.35(2):1~3
[9]MordikeBLEbertT.Magnesiumpropertiesapplicationspotential[J],MaterialsScienceandEngineering,2001,A302(1):37~45.
[10]郑远谋.爆炸焊与异种金属的焊接,焊接技术,2001,Vol.30(5):25~26.
[11]曲文卿,董峰,齐志刚等.异种材料的先进连接技术,航空制造技术,2006(12):32~34.
[12]王保华.影响异种金属焊接的主要因素,特钢技术,1996(2):19~22.
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    收录时间:2013年07月30日 22:12:01 来源:佳工机电网 作者:张文毓
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