不同金属材料的焊接工艺

不同金属材料的焊接工艺

李伟

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摘要：随着我国科学的不断进步，金属材料的焊接性与材料成分、焊接方法、构件类型及使用要求等因素密切相关，不是金属材料的固有特性，是综合作用的结果，不能用单一指标来评价。常用的金属材料有非合金钢、合金钢、铸铁和非铁金属等几大类，掌握不同材料的焊接工艺对焊接技术的发展至关重要。

关键词：金属材料；焊接工艺；应用分析

引言

随着经济的迅速发展，增材制造技术已广泛应用于许多领域，在现代工业中，大型部件的制造是一块难以攻克的技术高地，长久以来，传统的制造工艺一直受困于多重难题，如工艺复杂性高、材料利用率低、生产周期长，这些问题严重制约了现代工业制造的效率和质量。然而，焊接增材制造技术则为这一领域带来革命性的变革，以独特性的逐层堆积工艺，颠覆了传统制造的思维模式。不再受制于固定的模具和繁琐的加工流程，而是通过精确的焊接技术，将材料一层一层地叠加起来，逐渐构筑成型。同时在减少材料浪费、压缩生产周期等方面取得全新的突破。

1大型部件焊接增材制造技术的优势

1.1材料利用率高

传统制造工艺通常需要从原始大块材料中切割或削减出所需形状，这导致了材料浪费高达３０％以上，在这个过程中，切割损耗、固定尺寸的原始材料需求以及产生的余料和废料都成为浪费的主要来源。这不仅会增加大约20％的制造成本，而且会导致大量废弃物对环境造成压力。相比之下，焊接增材制造技术通过精确控制材料沉积，能提升材料的利用率至90％以上。经过相关的研究数据显示，采用增材制造方法，每个大型部件的材料浪费可减少约50ｋｇ，相当于每年节约数吨材料。

1.2制造比较灵活

在大型部件制造领域，传统制造方法因固有的局限性，难以满足日益复杂的生产需求。然而，焊接增材制造技术的出现，以独特的逐层堆积材料方式，彻底打破传统制造的束缚，轻松应对各种复杂几何形状和内部结构的制造挑战，并可以在制造过程中进行实时的调整和优化。生产人员可以根据实际需求，随时对部件的形状、尺寸、材料等进行微调，以此来满足特定的应用需求。而这种灵活性，能让焊接增材制造技术在大型部件的定制化生产、原型制造以及小批量生产等领域展现出独特的优势。

2金属焊接接头腐蚀形式

金属材料的腐蚀通常分为局部腐蚀和全面腐蚀，局部腐蚀又可以分为应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等。局部腐蚀是金属构件腐蚀的主要形式，虽然这种腐蚀金属损失量不大，但是严重的局部腐蚀往往导致设备的突发性破坏，从而造成巨大的经济损失，甚至引发灾难性事故.相比于局部腐蚀来说，全面腐蚀的腐蚀作用更均匀地发生在整个金属表面上，并逐步地使表层金属溶解并降低其各项性能，无明显的腐蚀深度，带来的危害较小。在铝/钢异种金属焊接接头中，由于两种母材之间的理化性能差异、接头形式、焊接热输入以及服役环境等各种因素的影响，焊接接头的腐蚀形式是多样的，对接头整体性能的影响程度也不同。在盐雾腐蚀试验中，盐雾中的Cl−、Na+和水滴在两种母材之间的缝隙中形成电解质溶液，形成小尺度的电偶腐蚀，造成铝合金内表面腐蚀氧化形成点蚀。总的来说，接头形式对于腐蚀的影响是相对比较明显的，它会影响腐蚀介质的聚集程度，从而引起接头不同部位发生不同程度的腐蚀，而这些区域的腐蚀则根据其合金表面的组织以及相的分布呈现出点蚀等腐蚀形式，同时在焊接工艺的影响下，接头中的残余应力会与腐蚀协同作用促进SCC的发生。因此靠近界面的铝基体在与304SS以及钢碎片之间的电偶效应的共同作用下，发生严重的腐蚀溶解，形成较大且较深的腐蚀坑.由此可以看出焊接工艺影响下的基体碎片分布对于接头界面的腐蚀同样具有较大的影响。

3不同金属材料焊接工艺的应用

3.1合理选择材料

在大型部件的焊接增材制造过程中，材料的选择绝非简单的步骤，而是和产品的质量和性能密切相关，鉴于部件将在各种复杂和苛刻的环境中使用，企业在选择材料时必须慎之又慎。为了打造高品质的产品，要优先选用那些经过验证、适用于焊接增材制造的高性能材料，如具有卓越强度和耐久性的钢材、轻盈而坚固的铝合金以及能在极端环境下保持稳定的钛合金，这些材料能为部件提供坚实的物质基础，并在各种应用场景中表现出实际作用。然而，仅仅依赖现有材料远远不够，企业还应该积极对现有材料进行改进和优化，通过调整化学成分、微观结构等手段，进一步提高焊接性和综合性能，确保部件在制造过程中展现出优异的成形性、力学性能、耐腐蚀性，从而轻松应对各种复杂和具有挑战性的应用场景。

3.2热轧及正火钢

1）焊接方法：热轧及正火钢中碳及合金元素的含量都较低，焊接性较好。热轧及正火钢可以选择各种焊接方法，如焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、电渣焊和窄间隙埋弧焊等。2）焊接材料：一般情况下遵循等强匹配原则，如需焊后热处理，选择强度比母材高一些的焊接材料。有特殊使用性能要求（如耐腐蚀）时，焊接材料应含铜元素。考虑热影响区的脆化和冷裂两个因素，需控制焊接热输入量。根据实际情况确定预热温度（多为100～150℃）。对要求比较高的焊接结构（如抗应力腐蚀、低温使用和厚壁高压容器等），焊后需进行高温回火（回火温度为550～650℃）。

3.3异种金属焊接技术的应用

化工设备的制造与修复往往涉及不同材质的异种金属焊接，如碳钢与不锈钢、铜与铝等。异种金属焊接时，由于材料的物理、化学性质差异较大，在焊缝区易形成脆性金属间化合物和产生显著的组织偏析与热裂纹等缺陷，导致焊接接头的力学性能与耐蚀性能远低于母材。针对这一问题，可采用喷焊、钎焊、扩散焊等特种焊接工艺，利用镍基、银基、钛基等中间材料，实现异种金属的冶金连接。同时，在堆焊过程中，采用预热温度为150～200℃、层间温度为200～250℃、焊后热处理温度为600～650℃的工艺参数，可进一步降低焊接残余应力，细化焊缝组织，使焊缝的拉伸强度达到550MPa以上，冲击韧性达到120J以上。

3.4属间化合物

在焊接接头中，由于焊接工艺以及母材的影响，接头中经常出现各种各样的第二相.关于第二相通常是指不同于基体相的所有其他相，具有不同于基体相的成分和晶体结构.焊接接头中的第二相主要包括金属间化合物相(IMC)、夹杂物及其他析出相等，这些相直接影响着接头的腐蚀行为。例如不锈钢中的MnS夹杂增加了材料的点蚀敏感性。；IMC大多属于硬脆相，一般可提高材料的机械强度和耐冲刷腐蚀性能，如高强铜镍合金中的Ni3Al、镍铝青铜中的к相，但另一方面也增加材料腐蚀的敏感性.这些第二相的存在造成接头组织较为复杂，不同相之间因腐蚀电位差异很容易形成微电偶效应，容易引起局部腐蚀的发生.

结语

焊接技术水平的高低已经成为衡量一个国家工业发展的重要标志之一，现代社会使用材料越来越新颖，只有掌握各种材料的焊接工艺，不断提升焊接智能化水平，并进行自动化技术革新，才能促进国家经济转型快速发展。在这一变革中，期待焊接增材制造技术继续为制造业的发展带来更大价值。未来，随着新型焊接材料和先进连接技术的不断发展，金属焊接材料必将在化工设备的可靠性保障中发挥越来越重要的作用。

参考文献

[1]姚佳，李荣雪.金属材料焊接工艺[M].北京：机械工业出版社，2021.

[2]张国政.低碳钢的焊接性与焊接缺陷分析[J].科技经济市场，2012（3）：14-15.

[3]乌日根.金属材料焊接工艺[M].北京：机械工业出版社，2019.

[4]漆卫国，谢红霞，付战波.大型水轮机低碳调质高强钢蜗壳电站现场焊接技术[J].电焊机，2008（10）：1-5.