異種金屬
關(guān)注創(chuàng)建者：CHENll_1647 創(chuàng)建時(shí)間：2017-02-22
異種金屬的實(shí)例教程
這種顯著的不均勻性使得焊接接頭不同區(qū)域在相同的條件下，表現(xiàn)出來的行為有很大的差異，出現(xiàn)弱化區(qū)域和強(qiáng)化區(qū)域，尤其是在高溫的條件下，異種金屬焊接接頭在服役過程中經(jīng)常出現(xiàn)早期失效。
二、不同焊接方法焊接異種金屬時(shí)的特點(diǎn)
大多數(shù)焊接方法都可用于異種金屬的焊接，但在選擇焊接方法及制定工藝措施時(shí)，仍應(yīng)考慮異種金屬焊接時(shí)的特點(diǎn)。根據(jù)母材和焊接接頭不同的要求，熔焊、壓焊及其他焊接方法在異種金屬焊接中都有所應(yīng)用，但也都各有其優(yōu)缺點(diǎn)。
1.熔焊
異種金屬焊接中應(yīng)用較多的是熔焊方法，常用的熔焊方法有焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)電弧焊、電渣焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊等。為了減少稀釋，降低熔合比或控制不同金屬母材的熔化量，通常可選用熱源能量密度較高的電子束焊、激光焊、等離子弧焊等方法。為了減小熔深，可以采取間接電弧、擺動(dòng)焊絲、帶狀電極、附加不通電焊絲等工藝措施。但無論如何，只要是熔焊，總有部分母材熔入焊縫而引起稀釋，另外，還會(huì)形成諸如金屬間化合物、共晶體等。為了減輕這類不利影響，必須控制和縮短金屬在液態(tài)或高溫固態(tài)下的停留時(shí)間。
然而，盡管熔焊方法和工藝措施不斷改進(jìn)和完善，卻仍然難以解決所有異種金屬焊接時(shí)的問題，因?yàn)?em>金屬種類繁多，性能要求又多種多樣，接頭形式又各不相同，許多情況下還需要采用壓焊或其他的焊接方法來解決特定的異種金屬接頭的焊接問題。
2.壓焊
大多數(shù)壓焊方法都只將被焊金屬加熱至塑性狀態(tài)或甚至不加熱，而以施加一定的壓力為基本特征。與熔焊相比，在焊接異種金屬接頭時(shí)壓焊具有一定的優(yōu)越性，只要接頭形式允許，焊接質(zhì)量又能滿足要求，采用壓焊往往是比較合理的選擇。壓焊時(shí)，異種金屬交界表面可以熔化，也可以不熔化，但由于有壓力的作用，即使表面有熔化金屬存在，也會(huì)被擠壓而排出（如閃光焊和摩擦焊），只有少數(shù)情況下壓焊后還保留了曾經(jīng)熔化的金屬（如點(diǎn)焊）。
展開 為了緩解中國(guó)銅資源緊缺問題，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，采用鋁/銅異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鋁部分代替銅不僅可以滿足使用需求，還具有一定經(jīng)濟(jì)性. 鋁/銅異種金屬廣泛采用焊接方法進(jìn)行連接，現(xiàn)階段主要采用熔化焊、釬焊、壓力焊等方法. 由于鋁與銅物理、化學(xué)性質(zhì)差異較大并且冶金相容性差，采用熔化焊方法難以實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬的可靠連接. 壓力焊和釬焊方法對(duì)接頭的結(jié)構(gòu)尺寸有限制，而且生產(chǎn)效率相對(duì)降低. 近年來，熔釬焊方法成為異種難焊金屬連接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，有望突破傳統(tǒng)方法在結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、接頭質(zhì)量等方面的不足.
熔釬焊利用異種金屬熔點(diǎn)差異大的特點(diǎn)，在低熔點(diǎn)材料側(cè)形成熔化焊接頭，而在高熔點(diǎn)材料側(cè)形成釬焊接頭，焊接過程可以添加或者不添加填充材料. 北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院的董鵬等人采用激光深熔釬焊的方法對(duì)厚度為3 mm的1060鋁合金和T2紫銅進(jìn)行對(duì)接，所得鋁/銅異種金屬焊縫內(nèi)晶粒較為細(xì)小，但焊縫內(nèi)含有脆硬的Cu3Al2和CuAl2金屬間化合物，接頭的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到鋁合金母材的94%. 盧森堡大學(xué)的Solchenbach等人通過控制熱輸入同時(shí)令光斑環(huán)形擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)了鋁/銅異種金屬的激光熔釬焊搭接，在鋁/銅界面處形成了厚度均勻的金屬間化合物層.
文中采用TIG電弧作為熱源，對(duì)鋁/黃銅異種金屬進(jìn)行填絲熔釬焊搭接，并對(duì)接頭的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究.
1 焊接試驗(yàn)與工藝參數(shù)
試驗(yàn)材料為5052-H32鋁合金和H62-Y2黃銅，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1、表2所示，尺寸分別為200 mm×75 mm×2 mm和200 mm×75 mm×1 mm. 填充材料選用Al-12%Si藥芯焊絲，焊前先用鋼絲刷除去試件表面氧化膜，然后再用丙酮洗除打碎的氧化膜殘?jiān)霸嚰砻娴挠臀?
展開 FLOW-3D WELD 應(yīng)用于異種金屬焊接時(shí)，可以觀察下列現(xiàn)象
熔池內(nèi)的金屬混合情況
熔池的穩(wěn)定性
孔隙
異種金屬焊接的挑戰(zhàn)
不是所有的金屬都能應(yīng)用
需要考慮：溶解度、熱膨脹、熔化速率、金屬間化合物、腐蝕性等問題
異種金屬激光焊接示意圖
實(shí)驗(yàn)設(shè)定
鋁與銅金屬以搭接接頭 (lap joint) 的方式擺放
激光功率大小：668, 922, 1170W
掃描速度：0.2, 0.27, 0.35m/s
模型驗(yàn)證
以下列兩個(gè)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬比對(duì)
668W, 0.2m/s
1170W, 0.35m/s
利用 EDS element Mapping 比對(duì)銅化合物與數(shù)值模擬的結(jié)果，呈現(xiàn)相當(dāng)一致的結(jié)果分布。
從數(shù)值模型觀察的結(jié)果
1. 增加熔池?zé)嵬繒r(shí)，蒸氣反沖壓力與馬蘭戈尼對(duì)流增加，銅的擴(kuò)散加劇
蒸氣反沖壓力造成熔融金屬往上移動(dòng)
馬蘭戈尼對(duì)流造成渦流現(xiàn)象
2. 匙孔的波動(dòng)會(huì)造成金屬混合不均勻
3.
展開 在該文中，通過原位SEM拉伸實(shí)驗(yàn)研究了核電站異種金屬焊接接頭不同區(qū)域的斷裂機(jī)制。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 原位拉伸裝置及試樣
（a）室溫原位拉伸裝置示意圖
（b）原位拉伸試樣的尺寸
（c）取樣位置示意圖
圖2 原位拉伸實(shí)驗(yàn)之前的光鏡圖及顯微硬度
（a）母材
（b）焊縫
（c）界面
（d）顯微硬度分布圖
圖3 316L不銹鋼不同應(yīng)變下的同一位置光鏡圖
（a）3%
（b）5%
（c）6.8%
（d）8.3%
（e）9%
（f）9.8%
圖4 Inconel182不銹鋼不同應(yīng)變下的同一位置光鏡圖
（a）3.2%
（b）4.1%
（c）6.2%
（d）7.2%
（e）9.3%
（f）最終斷裂
圖5 不同應(yīng)變下的焊縫原位SEM圖
（a）0%
（b）2.1%
（c）3.9%
（d）6.0%
（e）6.3%
（f）最終斷裂
圖6 不同伸長(zhǎng)率下的原位取向圖和圖像質(zhì)量圖
（a）2.1%
（b）3.9%
（c）6.0%
圖7 不同伸長(zhǎng)率下的施密特因子圖
（a）2.1%
（b）3.9%
（c）6.0%
圖8 圖5（d）中區(qū)域Ⅰ內(nèi)的放大EBSD圖
（a）SEM圖
（b）局部取向圖
（c）施密特因子圖
（d）極射投影圖
圖9 圖5（d）中區(qū)域Ⅱ內(nèi)的放大EBSD圖
（a）SEM圖
（b）極射投影圖
（c）局部取向圖
（d）施密特因子圖
圖10 不同區(qū)域的斷口SEM圖
（a）母材
（b）焊縫
（c）熔合區(qū)
圖11 焊接接頭不同區(qū)域的裂紋擴(kuò)展機(jī)制示意圖
【小結(jié)】
異質(zhì)接頭的裂紋萌生和擴(kuò)展主要取決于顯微組織。由于母材中孿晶數(shù)量較多，所以裂紋易于在孿晶邊界形核。在焊縫和熔合區(qū)處，由于孿晶比較少，所以裂紋易于在滑移帶處萌生。
展開 異種金屬是指不同元素的金屬（如鋁、銅等）或從冶金性質(zhì)，如物理性能、化學(xué)性能等有顯著差異的某些以相同基本金屬形成的合金（如碳鋼、不銹鋼等）。它們可以用作母材、填充金屬或焊縫金屬。
異種材料的焊接，是指兩種或兩種以上的不同材料（指化學(xué)成分、金相組織及性能等不同）在一定工藝條件下進(jìn)行焊接加工的過程。在異種金屬的焊接中，最常見的是異種鋼焊接，其次是異種有色金屬焊接和鋼與有色金屬的焊接。
從接頭形式看來也有三種基本情況，即兩種不同金屬母材的接頭，母材金屬相同而填充金屬不同的接頭（如用奧氏體焊接材料焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼的接頭等），以及復(fù)合金屬板的焊接接頭等。
異種材料的焊接是把不同的兩種金屬焊接在一起時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一層性能和組織與母材不同的過渡層。由于異種金屬在元素性質(zhì)、物理性能、化學(xué)性能等方而有顯著差異，與同種材料的焊接相比，異種材料的焊接無論從焊接機(jī)理和操作技術(shù)上都比同種材料要復(fù)雜得多。
異種材料焊接中存在的主要問題如下：
1、異種材料的熔點(diǎn)相差越大，越難進(jìn)行焊接。
這是因?yàn)槿埸c(diǎn)低的材料達(dá)到熔化狀態(tài)時(shí)，熔點(diǎn)高的材料仍呈固體狀態(tài)，這時(shí)已經(jīng)熔化的材料容易滲入過熱區(qū)的晶界，會(huì)造成低熔點(diǎn)材料的流失、合金元素?zé)龘p或蒸發(fā)，使焊接接頭難以焊合。例如焊接鐵與鉛時(shí)（熔點(diǎn)相差很大），不僅兩種材料在固態(tài)時(shí)不能相互溶解，而且在液態(tài)時(shí)彼此之間也不能相互溶解，液態(tài)金屬呈層狀分布，冷卻后各自單獨(dú)進(jìn)行結(jié)晶。
2、異種材料的線膨脹系數(shù)相差越大，越難進(jìn)行焊接。
線膨脹系數(shù)越大的材料，熱膨脹率越大，冷卻時(shí)收縮也越大，熔池結(jié)晶時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力。這種焊接應(yīng)力不易消除，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的焊接變形。由于焊縫兩側(cè)材料承受的應(yīng)力狀態(tài)不同，容易導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，甚至導(dǎo)致焊縫金屬與母材的剝離。
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然而鈦合金較低的耐磨性能、耐高溫氧化性能及其對(duì)異種金屬的電偶腐蝕等制約了其在船舶中的實(shí)際應(yīng)用。通過微弧氧化在鈦合金表面原位生長(zhǎng)氧化物陶瓷層, 可顯著改善鈦合金的以上性能。
對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件, 常采用化學(xué)鍍鎳進(jìn)行表面處理。
⑶限制稀釋率
對(duì)于一些易于向焊縫轉(zhuǎn)移某些有害雜質(zhì)的母材，焊接時(shí)必須盡量減少稀釋率，如開大坡口、減小熔深、堆焊隔離層等，尤其是中碳鋼、高碳鋼以及異種金屬焊接時(shí)。
2、應(yīng)力控制方面
⑴選擇合理的接頭形式
⑵確定合理的焊接順序
總體原則是盡量使大多數(shù)焊縫在較小的剛度條件下焊接，避免焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的拘束應(yīng)力。
5、超聲波金屬焊接
超聲波金屬焊接是利用超聲頻率的機(jī)械振動(dòng)能量，連接同種金屬或異種金屬的一種特殊方法。金屬在進(jìn)行超聲波焊接時(shí)，既不向工件輸送電流，也不向工件施以高溫?zé)嵩矗皇窃陟o壓力之下，將框框振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鏖g的摩擦功、形變能及有限的溫升。接頭間的冶金結(jié)合是母材不發(fā)生熔化的情況下實(shí)現(xiàn)的一種固態(tài)焊接。
5、超聲波金屬焊接
超聲波金屬焊接是利用超聲頻率的機(jī)械振動(dòng)能量，連接同種金屬或異種金屬的一種特殊方法。
金屬在進(jìn)行超聲波焊接時(shí)，既不向工件輸送電流，也不向工件施以高溫?zé)嵩矗皇窃陟o壓力之下，將框框振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鏖g的摩擦功、形變能及有限的溫升。
防止電偶腐蝕的方法有：
(1)盡量避免電位差懸殊的異種金屬作導(dǎo)電接觸。
(2)避免形成大陰極小陽(yáng)極的不利面積比，面積小的部件宜用腐蝕電位較正的金屬
(3)電位差大的異種金屬組裝在一起時(shí)，中間一般要加絕緣片，墊片緊固不吸濕，避免形成縫隙腐蝕。
此外，激光焊接過程通過添加焊接材料，可以實(shí)現(xiàn)Fe-Al IMCs種類、形貌和分布較為精準(zhǔn)的調(diào)控，將進(jìn)一步拓寬激光焊接技術(shù)在諸如鋁/鋼等異種金屬連接領(lǐng)域的適用范圍，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
SPR是一種穩(wěn)健而且可替換的工藝，但是由于需要很多種鉚釘-鉚模組合，設(shè)備費(fèi)用昂貴；電阻點(diǎn)焊雖然技術(shù)成熟，經(jīng)濟(jì)性高，但是受限于不能連接異種金屬。這2種工藝都要求雙邊可達(dá)，這使設(shè)計(jì)受限嚴(yán)重。
所以，熱融緊固件的技術(shù)是應(yīng)運(yùn)而生。下面這張圖是描述的熱融緊固技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。
