浅谈异种金属的焊接

摘 要：随着国民经济的迅速发展和科学技术日新月异的进步，新结构、新设备层出不穷，新材料和新工艺的应用日益广泛。由于异种金属的焊接，不仅能满足耐高温、耐腐蚀和耐磨损的要求，而且还能节省大量的合金材料和稀有贵重金属，从而显著降低制造成本，因而成为现代工程技术中不可缺少的一种重要加工方法。它除了要研究焊接的一般规律外，还要研究许多特殊的规律，如异种金属的物理、化学性能变化，金属间化合物的形成机理、冶金扩散过程，焊接工艺，接头性能的检验等等，涉及面很广。

关键词：异种金属焊接；化学性能变化；金属间化合物的形成机理；冶金扩散过程；焊接工艺；接头性能

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.13.045

1 前言

把异种金属零件连接成一个整体部位，焊接常常是最好的方法。在生产中经常会遇到异种金属的焊接构件。异种金属焊接的特点是能最大限度地利用材料各自优点，收到“物尽其用”的效果。结合我厂FCC-7000型钴60治疗机中的源头组件（铝青铜管QAL10-3-1.5与Q235钢支撑盘），试述异种金属的焊接。

2 与钢的焊接特点

从铜--铁平衡状态图可知，当铁向铜扩散时，形成有限溶解的ε固溶体。室温下处于平衡状态时，在α铁中溶解的铜不超过0.3%，在铜中溶解的铁不超过0.2%，铜与铁不形成脆性金属间化合物。温度从700℃升高到1000℃时，铁在铜中的溶解度从0.3～0.35%直线上升到2.6～2.9%；当铜向α铁扩散时，同样形成有限溶解度的固溶体。在750～835℃时，铜的溶解量达到3.5%。在835℃时，过饱和的α及ε固溶体形成α+ε的共晶体。在835-910℃温度区间，铜在α铁内的溶解度下降，同时铜降低了铁的αγ转变温度。铜溶解于铁内可以有α固溶体和γ固溶体两种形式。铜在γ铁内的极限溶解度大于铜在α铁内的溶解度。如果焊后冷却速度较快，则在扩散过渡区内产生铜、铁的过饱和固溶体，甚至含铁量达到2～2.5%时，也未发现游离状态的铁。熔焊时，铜与钢之间的熔合线十分明显，且含有富铁相。

从以上论述中可知，常温下，铜铁的互溶性很差，但在高温及熔融状态下，这种状况得到极大改善，但也有一定区别，从铁-铜合金状态图中可以看出，铜在铁中的熔解度到10%附近就不再上升，但铁在铜中的熔解度却随温度的上升，不断提高，所以在实际焊接中，在保证两侧基体基本熔化的前提下，焊缝中的基本元素应是铜，而铁可以看作填加元素，并在过渡区和扩散区内能基本溶解于基体铜，这样的溶池近似是单一的金属或铜合金的溶液，凝固过程也倾向于类似纯金属及铜合金的结晶过程。这样的一个异种金属熔池，在高温熔融状态下是稳定的，但在进入结晶状态后，铁的溶解度迅速下降，将造成大量游离状态铁的析出，使凝固状态恶化，但如果凝固时间短，使铁来不及析出，将形成以过饱合的α+ε固溶为主要成份的凝固区域。所以，在较为准确的掌握一定焊接方式的情况下，铜铁间存在一定的可焊性。

3 焊接性

钢与铜及其合金焊接时，主要问题是在焊缝及熔合区容易产生裂纹。产生裂纹有两种形式：焊缝裂纹和热影响区渗透裂纹。

（1）焊缝裂纹。钢与铜及其合金焊接时，焊缝中产生的裂纹属于热裂纹。产生焊缝裂纹的原因有两个方面。

①钢与铜的物理性能差异很大，其热物理性能比较列于表1。

由表1可知，钢与铜的线膨胀系数和热导率相差很大，尤其是线膨胀系数，青铜要比碳素钢高出近45%，因此，焊接时在接头中产生很大应力，导致焊缝产生裂纹。

②由于铜及其合金焊接时，热裂纹倾向较大，而钢与铜及其合金焊接时，焊缝是铁铜的混合物，因此，随着焊缝中含铜量的增加，产生热裂纹的倾向也加大。当焊缝中含铁量较低[如（Fe）为0.2%～1.1%]时，焊缝金属的结晶特点和纯铜焊接时差不多，所以，焊缝的抗热裂纹性能提高。当含铁量（Fe）为10%-43%时，焊缝具有最高的抗热裂纹性能，但是当进一步提高含铁量时，焊缝的抗裂纹性能却急剧下降。

（2）热影响区渗透裂纹。钢与铜及其合金焊接时，在与液体铜及其合金相接触的钢中，容易产生渗透裂纹。渗透裂纹是在高温时形成的，且被铜及其合金所填充，它可以单独存在，或沿晶界呈网状分布，其长度可以从几微米到几十毫米。

热影响区渗透裂纹的产生，是由于液态铜及其合金对钢的渗透和拉应力共同作用的结果。因为从焊缝冷却瞬间开始，在焊接接头中就会产生拉应力，并且这种应力随着溶池的不断冷却而增加。另外，在结晶过程中，金属组织往往是有缺陷的，这样，在钢的结晶表面上就产生了微观裂纹。处于液态下的铜及其合金，浸润着微观裂纹的表面，并且在毛细管效应的作用下，渗透到微观裂纹中去。在整个渗透过程中，也伴随着钢在铜及其合金液体的溶解和沿钢晶界继续渗透。渗透进来的液体对微观裂纹产生一个附加压力，在焊接拉应力的共同作用下，最后发展成为热影响区渗透裂纹。

4 操作实例

通过上面的论述可知，钢与铜的焊接主要缺陷就是热裂纹和热影响区渗透裂纹，要想克服这些缺陷，就需要制定相应的焊接工艺。结合我厂FCC-7000型钴60治疗机中的源头组件，试述铝青铜管（QAL10-3-1.5）与Q235A碳素结构钢的手工电弧焊焊接工艺。

整体图样如图2所示。

源头组件的总体焊接工艺过程为：1、将支撑盘与源头点焊；2、将铜管插入；3、支撑盘与源头整体组焊；4、铜管两头与钢基体焊为一体，要求焊缝致密。上述主要工作结束后，在源头上方开口处用钢板焊出浇口。通过浇口将熔铅浇入源头空腔内，此过程要保证各焊缝致密，不能漏铅。

下面只针对支撑盘与铜管的焊接作出论述：

（1）焊接材料的选用。根据铝青铜的焊接特点，选用铜237（T237）焊条作为添充材料。（前面已提到熔池中的主要金属应为铜，所以焊条选用铜基焊条，而且T237与母材成份也比较接近。）

（2）焊前准备。为了获得满意的焊接质量，施焊前应充分做好准备。

①支撑盘与铜管的坡口均按6×45°加工，采用V型焊缝；将源头组件旋转90°立起，采用平焊。虽然有资料显示，一般采用70°V型焊缝，其中铜件40°，钢件30°，这样的焊道可以自然地保证焊条偏向于铜基体，但为了保证焊道融合充分，我们还是采用90°V型焊缝，零件坡口均按45°加工，只是在实际操作时，有意的使焊条偏向铜基体。②焊前认真清理坡口两侧的油污、锈迹、铜管坡口处不得沾有油污及氧化膜。③焊条（T237）要在烘箱内烘干（150-200℃）2h，焊条直径Φ3.2，Φ4.0，适量。④焊接参数见表2。

（3）焊接。施焊前要对坡口两侧进行预热，预热温度为350℃-450℃。采用较小电流，短弧进行焊接。焊条角度和电弧应稍偏向铜管一侧，焊条一般不做横向摆动，尽量减少熔池的搅拌，以便保持熔池中熔液以铜为主，同时保持铜铁的独立性，尽量以单金属的结晶方式凝固。第一遍焊接速度应稍快，焊完后要把焊缝处药皮、飞溅清理干净、速度一定要快，以免焊缝处温度下降过大。如温度下降过快，可用氧-乙炔焰再进行加热，然后施焊第二层。第二层焊接的速度可稍慢，同时因盖面的熔池加宽，焊条可稍做横向摆动，在焊缝两侧边缘可稍作停留，防止边缘处咬边。

盖面层焊完后，应立即用小锤进行“密点轻击”的锤击，匀速锤击焊缝周围，使焊缝及热影响区的应力得到释放。为防止焊缝处铜管侧冷却速度快，可由一人用氧-乙炔加温，另一人在火焰离开后，立即进行锤击，以防止热裂纹产生，时间为10分钟左右。

焊后应采用保温缓冷的方法，以防裂纹产生。具体方法如下：将焊缝及焊缝周围100mm内用生石灰覆盖，使焊缝缓慢的降温，直到冷却至室温才除去覆盖层，防止产生裂纹。

（4）焊后检查。待焊件完全冷却后，将生石灰去除，焊缝处擦拭干净。外观焊缝表面均匀，无气孔、夹渣、裂纹；待浇铅口焊接完后，浇注铅时，焊缝处未发现有漏铅现象；（由于铅的浇注温度在三、四百度，这么大体积的铅的冷却时间一般在一天以上，相当于对焊缝进行了一次去应力退火，所以这一步生产工序相当于对焊缝增加了一步热处理），支承盘经镗床加工1.5mm去后，可见焊缝处熔合良好，加工表面光整，没有裂纹、气孔、夹渣等缺陷。

因产品对焊缝无特殊要求，只要保证焊缝致密，不产生漏铅即可，故不作内部探伤及机械性能试验。

5 结论

以上实践证明，异种金属的焊接是有一定规律可循的。只要把握住异种金属的物理、化学特性及它们的内在联系，认真做好焊前准备，每个步骤严格要求，焊接材料选择正确，合理运用焊接参数，就能有效避免焊接中存在的各种缺陷，获得令人满意的焊接质量。

参考文献：

[1]何康生，曹雄夫编著.异种金属焊接[J].北京：机械工业出版社，1986.

[2]顾曾迪编著.铜及铜合金的焊接[J].北京：机械工业出版社，1981.

[3]孙景荣，王丽编著.电焊工[J].北京：化学工业出版社，1990.