异种金属焊接接头的微观结构演变与性能调控

一、引言

在当今制造业不断发展的背景下，异种金属焊接技术愈发重要。不同金属材料各具独特性能，如铝合金质轻、导热性好，钢强度高、韧性佳。将它们焊接在一起，能综合发挥优势，满足复杂工程需求，像航空航天中钛合金与铝合金焊接实现部件轻量化，汽车制造里铝与钢焊接降低车身重量提高燃油经济性。然而，异种金属因原子结构、晶体类型、热物理性能等不同，焊接时会产生诸多问题。焊接过程中，接头区域温度场复杂，不同金属热膨胀系数差异导致热应力，影响焊接质量。且在熔合区，原子相互扩散形成金属间化合物，其性能脆硬，严重降低接头力学性能。所以，深入研究异种金属焊接接头微观结构演变及性能调控意义重大。

二、异种金属焊接接头微观结构演变机制

2.1 熔合区微观结构形成

焊接时，热源使母材局部熔化形成熔池，异种金属在熔池内混合。由于不同金属熔点不同，熔点低的先熔化，高的后熔化。在熔池凝固过程中，原子开始扩散与重新排列。以铝 / 钢焊接为例，铝熔点约 660℃，钢熔点1300 - 1500℃，焊接时铝先熔化，钢部分熔化。在熔合区，铝原子向钢侧扩散，钢原子向铝侧扩散，形成成分梯度变化区域。随着温度降低，熔池开始凝固，先形成的晶体作为形核核心，周围原子不断聚集长大。因熔合区成分不均匀，晶体生长方向和形态受影响，形成树枝晶、柱状晶等不同形态。

2.2 热影响区微观结构变化

热影响区是母材因焊接热作用发生组织和性能变化的区域。根据受热程度不同，热影响区可分为过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。在过热区，温度高于母材固相线，晶粒急剧长大，组织粗大，导致材料韧性和塑性降低。正火区温度在母材 以上，冷却后组织均匀细化，性能有所改善。部分相变区温度在 之间，部分组织发生相变，存在未转变的原始组织和新形成的相变组织，性能不均匀。再结晶区温度在母材再结晶温度以上， 以下，冷变形组织发生再结晶，消除加工硬化，性能恢复。不同金属热影响区范围和微观结构变化程度不同，取决于热物理性能和焊接工艺参数。如热导率高的金属，热影响区范围相对较窄；焊接热输入大，热影响区范围宽，微观结构变化更明显。

2.3 金属间化合物的形成与生长

金属间化合物是异种金属焊接接头中常见且关键的微观结构。在熔合区，由于原子扩散，不同金属原子相互作用形成金属间化合物。其形成与生长受多种因素影响，如焊接温度、时间、金属成分等。温度越高、时间越长，原子扩散越充分，金属间化合物生长越快、越厚。以钛 / 铝焊接为例，易形成 TiAl、TiAl3 等金属间化合物。这些金属间化合物通常具有复杂晶体结构，原子间结合力强，导致其硬度高、脆性大。在接头受力时，金属间化合物层易成为裂纹源，降低接头强度和韧性。研究表明，金属间化合物层厚度与接头力学性能呈反比关系，当金属间化合物层厚度超过一定值，接头性能急剧下降。

三、微观结构对焊接接头性能的影响

3.1 力学性能

微观结构显著影响焊接接头力学性能。熔合区和热影响区组织不均匀，存在应力集中，降低接头强度。金属间化合物硬脆，是裂纹敏感区域，严重降低接头韧性和塑性。如在铝 / 镁焊接接头中，若金属间化合物层连续且厚，接头抗拉强度和延伸率大幅下降。热影响区不同区域微观结构变化也影响力学性能，过热区晶粒粗大导致韧性降低，正火区组织细化使强度和韧性综合性能较好。通过调控微观结构，如细化晶粒、减少金属间化合物形成，可提高接头力学性能。

3.2 耐蚀性能

焊接接头微观结构也影响耐蚀性能。熔合区和热影响区成分和组织不均匀，形成腐蚀微电池，加速腐蚀。金属间化合物电位与母材不同，在腐蚀介质中易形成腐蚀原电池，成为阳极优先腐蚀。例如，在不锈钢与碳钢焊接接头中，若熔合区存在大量金属间化合物，在含氯离子介质中易发生点蚀和缝隙腐蚀。热影响区组织变化也影响耐蚀性，如过热区晶粒粗大，晶界面积减小，降低晶间腐蚀抗力。

3.3 物理性能

微观结构还对接头物理性能有影响。在一些对导电性、导热性有要求的应用中，微观结构变化会改变接头物理性能。例如，金属间化合物导电性和导热性与母材不同，在铜 / 铝焊接接头中，若形成大量金属间化合物，会增加接头电阻，降低导电性能，影响输电效率。在热交换器等对导热性要求高的设备中，焊接接头微观结构影响导热性能，进而影响设备热交换效率。所以，在涉及物理性能要求的异种金属焊接中，需考虑微观结构对物理性能的影响并进行调控。

四、异种金属焊接接头性能调控方法

4.1 焊接工艺参数优化

焊接工艺参数对微观结构和性能起关键作用。调整焊接电流、电压、焊接速度、热输入等参数，可改变焊接过程温度场和熔池凝固过程，进而调控微观结构。提高焊接速度，可减少热输入，使熔池冷却速度加快，细化晶粒，减少金属间化合物形成。降低焊接电流和电压，也能减少热输入。但参数调整需综合考虑，焊接速度过快可能导致未焊透等缺陷，焊接电流和电压过低可能使电弧不稳定。所以，需通过试验和模拟，找到适合异种金属焊接的最佳工艺参数组合。

4.2 填充材料选择

选择合适填充材料是调控接头性能的重要手段。填充材料可降低异种金属间物理化学性能差异，减少焊接缺陷，改善微观结构。在铝 / 钢焊接中，选用含 Si 的铝合金填充材料，Si 可降低铝钢界面金属间化合物生长速率，改善接头性能。填充材料还可调整熔池成分，抑制有害相形成，促进有益相生成。

4.3 辅助技术应用

采用辅助技术可有效调控异种金属焊接接头微观结构和性能。超声辅助焊接中，超声波在熔池中产生空化效应、声流效应等，促进熔池内物质混合，细化晶粒，破碎金属间化合物，提高接头性能。在铝 / 镁半固态搅拌摩擦焊中，超声引入可破碎金属间化合物使其弥散分布，提高接头力学性能。磁场辅助焊接中，磁场可改变熔池内液态金属流动和凝固过程，影响晶体生长方向和形态，细化晶粒，改善微观结构。如在电弧焊中施加纵向磁场，可使电弧收缩，熔池搅拌增强，细化晶粒。此外，激光冲击强化、喷丸处理等表面处理技术，可在接头表面引入残余压应力，提高接头疲劳性能和耐蚀性能。

五、结论

异种金属焊接接头微观结构演变复杂，受多种因素影响，对焊接接头力学性能、耐蚀性能、物理性能等有重要影响。通过优化焊接工艺参数、合理选择填充材料、应用辅助技术等方法，可有效调控微观结构，提高焊接接头性能。深入研究异种金属焊接接头微观结构演变与性能调控，对推动现代制造业发展具有重要意义。随着研究不断深入和技术创新，异种金属焊接技术将在更多领域发挥更大作用。

参考文献：

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