异种金属焊接

相较于传统的激光焊接,异种金属焊接将两种来自不同合金体系的因化学和机械性能不同而无法焊接在一起的分离金属进行连接。

需要注意的是,两种外观相同甚至名称相同的金属可在异种金属焊接工艺中进行连接。如果它们的核心属性不同但名称相同,它们在本质上仍然不同。

这对如建筑、汽车电子行业等许多不同的行业都有益处,它们需要将不同的零件焊接在一起,以便节省材料成本,或始终尽可能采用优质的金属来生产最终产品。

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在本白皮书中,我们对异种金属焊接进行深入探索、审视工艺、考虑因素和相应行业,以及如何在激光焊接和异种金属焊接中同等高效地使用SPI激光的光纤激光器

异种金属焊接需要考虑哪些因素?

在尝试连接两种不同的金属前,综合考虑各种因素非常重要,它直接决定了焊接能否成功,以及连接的组件是否足够牢固。

溶解度

首先,两种异种金属必须互溶。溶解度是一种物质的化学性质,它决定了物质在溶剂中的溶解能力。如果金属无法溶解在一起,则无法焊接。

金属间化合物

必须对两种金属间的过渡区内形成的金属间化合物进行充分的研究,包括裂纹敏感性、它们对腐蚀的敏感性以及它们的延展性等。这一系列的因素就是为何使用易溶于两种不同金属的“隔离层”的原因。我们在下文将更深入地探索隔离层。

焊接性

包括溶解度和金属间化合物的焊接性指的是两种金属成功焊接,不会导致裂纹或其它任何不良影响的性能。这因金属而各不相同。一旦您确定了异种金属的焊接性,您还可以正确选择其它任何用于平滑过渡的填充金属或隔离层。

计算过程的一部分通过确定异种金属的碳当量(CE)来进行,且可使用以下公式来完成:

  • CE = C + (Mn + Si) / 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (N i+ Cu) / 15

了解CE让您能够在焊接工艺之前、期间和之后测定使用温度,以及您新焊接金属的易开裂性。了解这些后,您可进行适当准备,如在预热和过渡阶段使用较低热量,或选择低氢填充金属。

当然,您还需要知道您所用的两种异种金属的化学成分,因为它们很可能有所不同(尽管并非总是如此)。可以使用以下标准之一来确定

  • ASTM – 美国测试和材料协会
  • ASME – 美国机械工程师协会
  • AISI – 美国钢铁学会
  • SAE – 汽车工程学会

标准各不相同,有些详细说明了化学要求,有些侧重于机械要求,还有一些对两者都有说明。

热膨胀

您还必须考虑两种金属的热膨胀系数,它和金属如何随着温度变化而改变形状相关。如果差异过大,则两种金属内部的残余应力,即所有外力消除后的应力稍大,这会显著降低新焊接金属的使用寿命。

熔化速率

正如两个异种金属的热膨胀速率可能不同,它们的熔化速率也可能不同,这会导致两种金属间直接出现问题。如果是这种情况,只需采用高热输入焊接工艺,则两种金属都可熔化并快速焊接,不会产生问题。

腐蚀

两个异种金属过渡区间可能会发生腐蚀。如果两种金属在电化学方面差异较大,表明它们对腐蚀的敏感性很高,当然,这会对新焊缝带来破坏性问题。

Here we can see corrosion within a plumbing pipe where two dissimilar metals have been welded together

我们在此处可以看到两个异种金属焊接在一起的管道腐蚀情况

最终服务条件

最终,除了正确研究和评估您所用异种金属的不同化学和机械成分和焊接方式以外,考虑异种金属的最终服务条件也至关重要。

我们之前已经说明了无论是在焊接工艺期间或之后,均需考虑不同程度的温度膨胀,但还必须考虑新焊缝在最终应用环境中的磨损性。

建筑业等某些行业通常采用焊接机器耐磨板的方式保护他们的重型设备。但是,相同的工艺有时并不适用于张力较低的金属,因为这会加剧开裂,而且疲劳寿命较短。采用小角焊缝和抗裂纹填充金属可通过减少热输入和耐磨板上的残余应力水平来帮助解决这个问题。

Heavy machinery such as bulldozers can have dissimilar metal plates welded on to protect against abrasion

推土机等重型机械可以通过焊接异种金属板的方式防止磨损

正确考虑异种金属焊缝在其最终服务的热能和磨损性,可让您通过选择合适的填充金属和接头设计进行准备,以便延长新焊缝的使用寿命

异种金属焊接工艺

一旦您彻底研究和考虑了上述因素后,就可以开始进行异种金属焊接工艺。异种金属焊接在很大程度上和两种同类金属的焊接极为相似。从智能手机到潜水艇,各种尺寸、各个行业的物品的制造工艺中都会使用焊接工艺。它通过物理方式熔合两种金属,直至形成一个连接牢固的接头。这种金属熔合通过采用激光束产生的高热量来实现。

异种金属焊接的复杂之处在于,不同于简单地把两个组件连接在一起,它需要将两种截然不同的金属焊接在一起。两种金属间形成金属间化合物的过渡区通常会出现问题。

如先前所述,在母材和焊缝金属间通常使用隔离层让连接工艺更平滑,并有助于轻松过渡,解决上述需要考虑的许多因素。隔离层的成功取决于使用哪种金属涂层、涂层的厚度,以及隔离层和涂层金属粘合的成功程度。以下示例演示了异种金属焊接工艺中隔离层的使用、所用金属的不同质量以及它们对齐的顺序:

组件材料300°C时的屈服强度(兆帕)300°C时的抗拉强度(兆帕)
不锈钢316L213453
焊缝金属308L333441
隔离层309L / 308L333441
碳或低合金钢A508463640

为了成功地进行异种金属焊接,新成形的接头需要与抗拉强度较弱的金属一样坚固,以便您了解接头能够承受的任何应力;上述例子中显示的是不锈钢。铜和钢是另外两种经常被焊接在一起的金属,但它们的性能非常不同,且不能互相溶解。然而,镍与它们均可溶解,因此可用作隔离层,可采用整片镍,或是钢表面上沉积的较少镍镀层。

以下是一个关于不锈钢特性的实用视频:

异种金属焊接的残余应力

同类和异种金属焊接的残余应力均由焊缝金属和相反的受热金属的热收缩导致,即两种不同类型的金属焊接工艺的残余应力分布极其相似。

残余应力水平可好可坏,因为它能积极或消极地影响疲劳强度、疲劳寿命、裂纹扩展和对如腐蚀等环境因素的耐受性。它是好是坏取决于残余应力的水平,建议通过物理测试或计算焊接系统来测定异种金属焊接产生的应力水平。

Residual stress levels from the dissimilar metal welding process can cause shorter fatigue life and cracking in the metals

异种金属焊接工艺产生的残余应力水平会缩短金属的疲劳寿命,并导致裂纹产生

某些新焊缝会进行焊后热处理,以维持两种新加入的异种金属的强度。但是,这可能会形成一组新的残余应力,因为您再次加热两种金属可能导致其热膨胀水平不同。

这些残余应力会:

  • 和焊接方向平行的材料在膨胀水平较高的金属中具有较高的拉伸性能,而在膨胀水平较低的金属中具有较高的压缩性能。连接处的应力水平不能持续
  • 在连接处会产生应力,尤其是在和表面相交处,可能会产生裂纹
  • 在接口附近的表面可能存在局部的横向残余应力

如前文所述,残余应力可以是积极或消极的因素;您应为这些可能性进行充分的准备和研究。值得注意的是,如在焊后热处理期间进行焊缝加热,可以缓解残余应力水平,但需谨记之后可能产生残余应力水平;确保在进行任何预测和模拟时考虑这点。

喷丸处理等其它解决方案尝试借助一连串的金属弹丸轰击金属来管理残余应力水平。这样的工艺旨在产生有益的残余应力水平,从而增加疲劳寿命。

即使是残余应力水平的最小变化,也可能对组件产生巨大的潜在破坏性影响,因此,始终了解残余应力的状态至关重要。

 

焊接不同强度等级的异种金属

此前我们研究了如何将异种金属焊接在一起,尤其是在其热膨胀程度不同时,这可能会产生内部残余应力。然而,残余应力也可能由不同的强度水平造成,因此,我们来看看如何成功地焊接强度水平不同的金属

尽管这两种金属本质上不同,但您必须尽量把它们搭配在一起。这可以通过确保填充金属和强度较低金属的拉伸强度尽可能相似来实现。您无法找到确切匹配,但尽量减小两个数字的差别,可以降低焊接开裂的可能性。

例如,如果您试图焊接最小抗拉强度为110-KSI的A514低合金钢和最小抗拉强度的58-KSI,您需要选择和A36钢的KSI水平相似的填充金属,如70-KSI的金属。

有时,填充金属比高强度和低强度金属的抗拉强度都低。例如,100-KSI和130-KSI强度的金属在理论上可用70-KSI的填充金属进行焊接。但是,每种金属各不相同,您首先需要检查焊接规范。您应该避免过度匹配填充金属,因为这可能导致应力水平较高,缩短新焊缝的使用寿命。

为什么异种金属需要焊接在一起?

正如本文所强调的,所有金属的性能不同,即使两种金属名称相同,如奥氏体钢,也会具有不同的性能。将异种金属焊接在一起,可最大限度地发挥每种金属的优势,并最大程度地减少不良影响。

例如,铝和钢的组合非常流行。钢铁是一种坚固、经济且易于加工的金属,因此经常成为汽车等许多行业的首选。另一方面,铝既不便宜也不结实,而且加工更为复杂,但比钢轻很多。此外,它耐腐蚀且防生锈。因此,将这两种金属相结合可以有效发挥各自的优势。

另一个常用的组合是焊接不锈钢和铜,因为其提供了较高水平的导电性。如果您希望了解更多关于如何将各种金属焊接在一起的信息,请阅读以下章节。

铝和各种金属的焊接

如果您正在研究铝和其它各种金属的焊接方法,请考虑上述因素,并采取如下步骤。

铝和钢的焊接

铝和钢的熔点非常不同,前者熔点约为650°C左右,而后者熔点在1538°C左右。此外,两个异种金属的导热系数和膨胀率差异较大。为了成功地将铝和钢焊接在一起,钢表面可以涂上与铝金属相容的隔离层。锌涂层是最常用的金属。

The welding of the dissimilar metals aluminium and steel is commonly used in the aircraft industry

异种金属铝和钢的焊接常在航空工业中使用

铝和不锈钢的焊接

也可以通过采用隔离层技术来焊接铝和不锈钢,这通常是一种应用于不锈钢的纯铝涂层。它通过将干净的不锈钢浸入熔融铝中来实现。

The welding of the dissimilar metals aluminium and stainless steel

异种金属、铝和不锈钢的焊接

铝和铜的焊接

为了将铝和铜两种异种金属焊接在一起,您需要使用铜铝过渡插入件。

铝合金

铝合金是一种极其流行和有用的金属,由铝和另一种金属混合而成。铝合金通常由85%的铝和铜、硅、锡、镁或锌等金属组成。

合金可代替纯铝,因为使用混合金属可最大化铝合金的效益。该金属自身具有一系列优势,如延展性和耐腐蚀性,以及较高的导电性。但它掺有其它金属,能提供更高强度。

铝合金的这些特性可应用于许多行业,因此人们一直对将铝合金和钢、钛、镁和铜等金属铸成合金很感兴趣。

其它常见的合金形式是:

  • 汞齐,主要金属为汞,通常用于补牙填充物
  • 黄铜,主要金属为铜和锌,通常用于电气插头或铰链
  • 焊料,主要金属为铅和锡,通常用于连接金属

铜和各种金属的焊接

铜和钢及不锈钢的焊接

铜和铜基合金能成功地焊接到低合金钢、中合金钢和不锈钢上。在金属较薄处可采用高铜合金填充材料完成,对于较厚的部分,钢应该有一个高铜合金填充材料的隔离层,然后焊接到铜上。

铜必须进行预热,因为它的熔点约为1085°C。还必须注意的是,钢金属不应被过度渗透,因为铜内的任何铁碎块会产生易碎的插入物,更容易开裂。

另一个方法是采用镍基电极覆盖铜,如果金属特别厚,通常建议使用第二层。为了让较厚的铜完成这个工艺,应预热至540°C。

铜和铝的焊接

在这段YouTube视频中,异种金属焊接的先驱者之一Marshall Jones博士讲述了他如何发现铜铝焊接技术:

它有哪些应用?

尽管您同时使用两个异种金属,但它们在焊接工艺后基本上成为了一体,因此可以承受相当高的应变和应力。因此,异种金属焊接可用于许多行业,并有各种不同的应用。

汽车和航天工业

它常用于如汽车工业或航空业等大批量工业。这些行业中,两个不同的零件会被焊接在一起,并需要承受相当大的压力,以便提供较高的安全和保障水平。例如,它可用于焊接飞机机身上两个独立的零件,在高空中它们需要非常高的强度。

Dissimilar metal welding is commonly used in the automotive industry

异种金属焊接常用于汽车工业

电池和电子行业

电池和电子行业紧密相连,两者缺一即无法运行。据预测,普通家庭至少拥有24种电子产品或装置,而且这个数字还将继续上升。

在电池和电子产品生产中,几乎无法避免异种金属焊接。随着电子产品和电池的使用持续上升,异种金属焊接也将作为一种重要的工艺继续增长。

锂离子电池仅采用激光焊接技术制造一种电池,但被视为迄今为止发明的最重要的电池。它们借助强大的可充电特性,成为我们日常消费电子产品中使用的电池。

它们常由钴、镍、锂和锰的混合物构成:

  • 金属钴和镍提供稳定性
  • 锰为钴提供了一种低成本的替代品,仅在工艺中少量使用,因为大量使用会产生毒性。锰的热阈值也较高

可以看出这些金属的组合为锂离子电池提供了最大优势,没有异种金属焊接不可能实现。

随着电动汽车的兴起,电池和电子行业与汽车行业的联系更加紧密, 这就是对这类激光焊接技术需求增加的另一个关键原因。随着公司寻找越来越多的方式将价格低廉的电动汽车推向市场,可以肯定这种联系只会更加密切。

Electric cars, as made popular by Tesla, continue to be on the rise

特斯拉生产的电动汽车持续增长

除了用于制造电池以外,它还可用于细电线、燃料电池,甚至电子行业的医疗设备。

其它使用

您会发现普通发电厂、化工厂和食品加工应用正在使用异种金属焊接,因为它能连接铁素体低合金钢和在这些应用中常用的奥氏体不锈钢。

Dissimilar metal welding finds uses in food processing plants

异种金属焊接在食品加工厂的使用

最终,它还可用于配件、锻件和管材等 其它许多工业应用,常用于热交换器、液态金属反应器和锅炉。

使用光纤激光器进行异种金属焊接

异种激光焊接有多种不同方式,而光纤激光器是首选方法 之一。光纤激光器采用“安装即忘记技术”,无需维护,是其它许多技术的可靠而高效的解决方案。

无论厚度如何、或两种异种金属的化学和机械性能如何不同,均能使用光纤激光器成功完成焊接。redPOWER系列的激光器 可在焊接工艺中用于电源和控制,能和包括铝、黄铜、铜和各类钢在内的所有关键金属一起使用。激光器的连续波范围强度为200W至1kW,能焊接从薄钢到厚碳钢和不锈钢的任何材料。

无论是用于医疗设备、细线,还是汽车或航天工业中的其它较大工业解决方案,它们都是异种金属焊接的完美解决方案。

司浦爱激光器的redENERGY G4光纤激光器系列是用于异种金属焊接的完美解决方案。

redENERGY G4等脉冲激光器代表了异种焊接的另一个方向,兼具商业和技术优势。如欲了解更多关于采用脉冲光纤激光器进行异种焊接的信息,请参与我们的网络研讨会– 使用纳秒脉冲光纤激光器焊接。

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图片来源: Jacquelyn MM, Timmy Denike, Ramblings From The 4th Concession, Quinn Dombrowski and Little Visuals.

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