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工业生产中有色金属焊接的应用与发展职称论文

工业生产中有色金属焊接的应用与发展

作者：

孙辉作者单位：

河南神火铝业公司永城铝厂

内容提要:

本文综述了工业生产中有色金属焊接材料的发展与应用，主要有工业生产中焊接技术现状、铝合金焊接材料发展、镁合金、钛合金焊接材料发展、铜合金焊接材料发展、新型焊接材料及其应用和发展趋势等方面。

本文提出在工业生产中应重视焊接机器人、数字化焊接电源和激光、搅拌摩擦焊和高效焊接等新工艺技术的发展与应用。

关键词:

工业生产；有色金属；焊接材料

工业生产异种金属结构中最常用的材料是钢，钢具有一系列优良的性能，如力学性能、焊接性、热稳定性等。

近年来，在国内外工业生产中，采用“钢+铝”双金属焊接结构的产品越来越多，例如在船舶建设中，已有不少关于钢质船主体与铝合金上建之间的连接工艺的研究。

另外在汽车行业，为了达到减重的目的，许多配件都采用铝合金结构，这样铝合金与作为汽车主体结构材料的钢之间的连接也引起了普遍的关注。

由于铝及铝合金的密度小、比强度高，且具有良好的导电性、导热性和耐蚀性，为了充分发挥材料的固有性能和节省材料，将钢与铝及铝合金焊接成为异种金属结构，具有独特的优势和良好的经济效益。

一、有色金属与钢连接技术的现状

（一）铝及铝合金与钢的可焊性分析

表1-1为钢与铝及铝合金的物理性能的对比，可以看出它们在熔点、热导率等物理性能方面有着较大的差异。

从Fe-Al二元相图中可以看出，铁与铝既可以形成固溶体、金属间化合物，又可以形成共晶体。

铁在固态铝中的溶解度极小，室温下铁几乎不溶于铝，所以含微量铁的铝合金在冷却过程中会产生金属间化合物FeAl3。

随着含铁量的增加，相继出现Fe2Al、Fe2Al7、Fe2Al5、FeAl2和FeAl等，其中Fe2Al5的脆性最大[1]。

由于在铝合金中的铁总是以金属间化合物的形式存在，其存在会影响铝的力学性能和焊接性能。

铝中加入铁会提高强度和硬度，降低塑性，增大脆性，对焊接影响严重。

并且铝在铁中的溶解度比铁在铝中的溶解度大很多倍，含大量铝的钢，具有某些良好的性能（如抗氧化性），但含铝量超过5%以上时具有较大的脆性，严重地影响焊接性。

钢与铝及铝合金的物理性能相差很远，这给两者之间的焊接造成了困难。

焊接时低熔点的铝先熔化，此时钢件仍处在固态加热状态；钢与铝的线膨胀系数相差悬殊，焊接过程中接头处会产生很大的热应力，增加了裂纹倾向；此外，铝高温时容易氧化，能形成高熔点的氧化膜（Al2O3），Al2O3既能形成焊缝夹渣，又直接影响焊缝的熔合，是铝焊接中的主要问题之一。

钢与铝及铝合金熔焊时，一般采用氩弧焊、电子束焊以及气焊等焊接方法。

要想获得良好的接头，必须保证在接头上不产生金属间化合物。

熔焊时，必须在钢表面镀一层过渡金属，此金属要与铝有很好的结合性，才能形成良好的焊接接头。

为解决钢与铝熔焊时的困难，常采用的工艺措施有以下几种。

（1）在钢表面镀上与铝相匹配的第三种金属，如锌、银等，厚度约30-40μm作为过渡层，钢侧为钎焊，铝侧为熔焊。

（2）对接焊时，使用K形坡口，坡口开在钢材侧。

焊接热源偏在铝材一侧，以使两侧受热情况均衡，防止镀层金属蒸发。

（3）使用气体保护进行焊接，如采用氩弧焊。

（二）国内外铝及铝合金与钢连接技术的研究现状

铝合金和钢由于它们的熔点相差悬殊，线膨胀系数、导热性和热容量相差太大，使焊接过程中应力较大，易产生裂纹；另一方面这两种金属相互作用时，容易形成不可逆的Fe-Al金属间化合物，使其焊接性（尤其是熔化焊）变差。

经过查阅相关资料，目前在铝合金和钢之间的连接方面，主要有激光焊接、电阻点焊、直流脉冲MIG电弧钎焊、爆炸焊接、摩擦焊接、固态压焊、超声波焊接、搅拌摩擦焊以及扩散焊等连接方法。

其中我们可以看出，这么多的焊接方法中，属于熔化焊的却只有激光焊和电阻点焊这两种，当然了，其中的电弧钎焊也偏向于熔化焊技术。

　（三）镁合金焊接技术的现状

镁合金具有密度低、比强度大、易回收等特点，其应用领域日益广泛。

随着镁合金应用的逐步推广，镁合金的成形技术受到越来越大的考验。

现有的镁合金成形技术，主要以铸造为主，其焊接技术发展比较缓慢，这与镁合金自身的物理特性有关，随着镁合金焊接技术研究的深入和市场的需求，镁合金的焊接技术将成为影响镁合金发展的关键所在。

镁合金的焊接技术较镁合金其它成形技术（尤其是压铸）相比发展较缓慢，现正处于起步阶段。

但随着汽车和航空领域强大需求的推动，镁合金焊接技术必将得到迅速发展。

目前国内一些高校、科研院所和企业纷纷开展镁合金焊接技术的研究，这为镁合金焊接技术的推广应用提供了良好的前提条件和理论基础。

如今主要的焊接技术有以下几类：

（1）TIG焊（惰性气体钨极保护焊）；

（2）MIG焊（惰性气体保护金属极电弧焊）；

（3）摩擦焊；

（4）等离子弧焊；

（5）激光焊；

（6）电子束焊；

（7）点焊;

大多数金属材料点焊熔合的凝固组织为柱状晶组织，少数金属材料的熔合组织为柱状晶+等轴晶。

而点焊镁合金得到的熔合组织完全为等轴晶，且大小均匀。

由于镁合金的导热性好，降温速度极快，使得在熔合中心液相中的温度梯度很小，形成成分过冷区，结晶形核速率比长大速度更强烈地依赖于过冷度，再加上焊点在压力状态下结晶，进一步提高了均质形核率和异质形核率，使液态金属中形成大量的晶核，晶粒沿各个方向长大的速率相差不多，就形成了熔合区均匀分布的细小等轴晶组织。

二、工业生产中有色金属焊接材料的发展

　　有色金属因具有良好的耐蚀性、导电性、导热性和高的比强度而广泛应用于工业领域，在产量上是仅次于钢铁的第二类金属材料。

热处理强化变形硬铝合金经淬火加时效强化处理后，具有较高的机械强度，成为有色金属结构的首选材料，在国防工业、高速船舶及车辆结构方面的研究与应用日益广泛。

目前，有色金属材料结构一般采用非热处理强化合金制造，对于热处理强化铝合金，焊接性能研究报道不多。

6061-T6铝合金是AI-Mg-Si系可热处理强化锻铝合金，在高温下具有良好的塑性，虽然强度不高，但有优良的耐蚀性，没有晶间腐蚀倾向，焊接性能良好。

常用于制造中等载荷零件、形状复杂锻件、模锻件。

（一）铝合金焊接的发展

铝合金有密度小、可强化、易加工、塑性好、耐蚀性好、无磁性和耐核辐射等一系列优点，是一种十分重要的军品配套材料例如被用来建造高性能船低效翼船双体船水翼艇高速艇等艇体以及大中型舰船上层建筑等目前铝合金的焊接方法主要有熔焊钎焊电阻焊和固相连接四大类可以说铝合金的MIG焊接比钢材的焊接难度更大铝合金加工工艺在其产品制造中起着非常重要作用，而重要方法之一就是不需任何钎剂的真空钎焊工艺因其具有许多优点：

无需焊前和焊后的复杂清理工作，操作简化，避免了因钎剂造成的夹渣，在结构中不残留钎剂而保证其耐腐蚀性，生产率提高等，从现在和未来的环境保护观念考虑，铝合金真空钎焊的应用将越来越广泛铝及铝合金的钎焊可以采用火焰钎焊炉中钎焊和盐浴钎焊等方法铝钎料主要以Al-Si合金为主铝用钎剂分为软钎剂和硬钎剂，通常钎焊温度高于450所用钎剂为硬钎剂，低于450的钎剂为软钎剂[2]。

铝合金上层建筑与钢主船体的新型焊接过渡接头因其优越性将得到广泛应用新型过渡接头的优越性为：

以焊接取代了铆接及螺栓连接，这样既可大大提高铝-钢接合部的耐蚀性，水密性，对改善施工条件，便于维修因而这种接头的开发成功促进了铝在上层建筑上的应用目前，世界上已有法美英日澳等国家在实船上应用了过渡接头我国用爆炸复合制成的过渡接头也在1992年建成的海鸥3号渡船等几十条船上得到成功应用。

（二）钛合金焊接的发展

从20世纪60年代开始至今，我国已研发了多种牌号的船用钛合金，并初步形成体系，研制的船用钛合金装备性能良好。

钛是发展较晚的一种金属，从20世纪40年代中期工业法生产出海绵钛至今，不过50多年的历史但其发展速度之快，是其他金属所不及的这是因为钛具有比强度高耐海水及其他介质的腐蚀、耐低温、高温下具有高的疲劳强度、低的膨胀系数、良好的可加工性（包括焊接）等优点，用其建造的结构，在任何自然环境中都能充分发挥其作用因而它被广泛用于航空、航天、舰船及海洋工程、石油化工、冶金、轻工机械建筑医疗等许多工程和生活领域在舰船应用中，除利用其耐海水腐蚀和高比强外，还有无磁、透声、冲击震动等，是一种优秀的舰船结构材料。

钛基复合材料的焊接，不产生熔化和结晶的固相焊方法是替代熔化焊连接纤维增强钛基复合材料的一种焊接方法最近，扩散焊用于制造SiC纤维增强Ti-6Al-4V波形板电容储能电阻点焊是一种有潜力连接连续纤维增强钛基复合材料的焊接方法。

用于钛及钛合金钎焊的钎料有很多种，可分为银基，钯基，钛基或钛锆基四大类与普通材料的钎焊不同，钛及钛合金钎焊具有以下特点：

1）表面氧化物层；

2）具有强烈的吸氧倾向；

3）组织和性能变化；

4）形成脆性化合物[9]。

　　（三）铜合金焊接的发展

制造螺旋桨要求材料具有优良的疲劳性能，抗空泡腐蚀性能，耐海水腐蚀、耐磨损性能，优良的防海生物污染的性能，良好的力学性能，优良的铸造成形性能。

铜合金主要用于舰船管路泵阀，螺旋桨及各种冷凝设备中。

二次世界大战前，由于高强度镍铝青铜，高锰铝青铜合金均未问世，所有舰船螺旋桨均用黄铜20世纪六十年代以后所有重要舰船螺旋桨均改用镍铝青铜，高锰铝青铜或其他新研制的其他铜合金。

焊接铜和铜合金常用的方法有氩弧焊、气焊、电弧焊、钎焊等。

采用氩弧焊能更好地保护铜液不被氧化和不溶于气体，焊缝质量较好。

熔化极气体保护焊（GMAW）和钨极氩弧（GTAW）。

采用低熔点的铜基焊丝钎料（如：

硅青铜、铝青铜等），在纯氩气保护下的熔化极气体保护焊叫MIG钎焊，具有焊丝熔化速度快，电弧稳定性好，熔深浅，焊速快等工艺特点。

控制焊接热输入量最低，母材不熔化；焊丝迅速熔化并渗透于焊缝间隙中，形成钎焊接头采用手工钨极氩弧焊，焊接铜及铜合金，可以获得高质量的焊接接头。

这是由于氩气能很好地保护液态熔池金属，不受空气和其它气体的有害影响，可以减少或防止气孔。

另外，氩气具有较低的热传导性，能保持电弧的热量集中，可以减少或防止合金元素的烧损和蒸发，以免降低焊接接头的机械性能新型Cu307焊条的研制。

由于铜镍合金机械性能和耐蚀性好，在工业中广泛应用，同时作为一种高耐蚀性结构材料，广泛应用于化工、海水工程中。

主冷凝器衬里复层和汽封抽气器采用白铜板铜镍合金。

铜镍合金不仅具有较好的综合力学性能，而且由于其导热性接近于碳钢，因而比较容易焊接，不需要预热[10]。

三、新型焊接材料及其应用

新型焊接材料包括氩弧焊丝，药芯焊丝，埋弧焊丝及焊剂，带极堆焊及焊剂等。

主要应用于石油化工，能源工业和航天航空工业[5]。

工业生产中目前已广泛采用药芯焊丝气保焊，药芯焊丝大约近90%的产量用于造船和修船业。

2005年，我国船厂的焊接高效率达到80%以上，其中CO2焊接应用率达到55%，焊接机械化自动化率达到70%左右。

期中造船业经过“八五”、“九五”10年的高效焊接技术推广，已在全行业使用了半自动药芯焊丝。

使用了各种简易方便的焊接设备和工艺，如角焊机及双丝单熔池CO2焊接工艺。

在板缝拼接中使用了三丝、四丝埋弧焊接技术，实现了高速焊接。

随着我国造船业国际化进程的发展，一方面对现有焊材在高效性、工艺性、发尘量方面提出了更高的要求；另一方面随着化学品船、铝合金船建造的增多，未来各类不锈钢双相钢及有色金属焊接材料将会有一定的需求，焊接材料总的发展方向是高质量、高效率、低成本、低技能、低污染[8]。

工业生产中高效焊接材料的发展重要表现在以下几方面：

（1）CO2气体保护焊焊接材料；

（2）铁粉重力焊条；（3）铁粉焊条；（4）埋弧焊焊接材料；上述4大高效焊接材料是工业生产的高效焊接材料系列中的主要焊接材料，其发展将会促进产品结构的调整，从而满足我国工业发展的需要[13]。

绿色焊接是随着清洁生产的推进而提出的，是清洁生产对焊接生产的必然要求对这种符合清洁生产要求的焊接技术和产品，统称为绿色焊接。

在绿色焊接材料方面的研究主要集中在无毒材料的开发上，目前，做得最好的是无毒钎料代替传统的低温钎料、锡铅钎料、中温钎料、银基含镉钎料等[7]。

现有焊接方法易出现焊接缺陷，拓展焊接方法的使用范围，提高焊接结构的强度和使用寿命以及为焊接学科的发展提供极为广阔的发展空间。

四、结束语

随着技术的进步有色金属焊接方向的发展为：

（1）适应焊接自动化和高效焊接的潮流，进行产品结构调整；

（2）气体保护实心焊丝向低飞溅高性能方向发展；（3）药芯焊丝向宽电流幅度低尘低飞溅快速焊的方向发展；（4）埋弧焊用焊丝和焊剂向高效率多品种方向发展。

参考文献:

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[2]肖锋，傅压，李春天，等.TIG焊接热循环对AZ91D镁合金硬度的影响[J].焊接，2005，（6）：

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[3]刘世永，孟德，黄德康.铝合金激光焊接的研究现状[J].机械工程材料，2004（28）：

58.

[4]夏德顺.铝基复合材料焊接研究述评[J].导弹与航天运载技术，1999（6）：

3846.

[5]许如强，邹家生，韩逸生.铝基复合材料的钎焊连接技术[J].造船技术，2002（31）14.

[6]金朝阳，顾晓波，邹家生,等.铝基复合材料连接研究进展[J].造船技术，2000（14）：

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[8]李殿东，刘锋，王建录.钛材料及钛合金保护焊接特点[J].通用机械，2003（10）：

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[9]JunHyunHan,JaePyoungAhn,MyungChulShin.EffectofinterlayerthicknessonsheardeformationbehaviorofAA5083aluminumalloy/SS41steelplatesmanufacturedbyexplosivewelding.JournalofMaterialsScience.

2003,38:

13~18

[10]刘吕直，何朝辉.水主冷凝器焊接材料及焊接工艺试验研究[J].汽轮机技术，2004（46）：

7678.

[11]林尚扬，我国焊接生产现状与焊接技术的发展[J].船舶工程，2005（27）：

1524.

　　[作者简介]孙辉（1970—）男,河南神火铝业公司永城铝厂,职工。