鋼鐵材料焊接及接合技術(shù)開發(fā)動向

鄭婷婷

（新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部，新疆 烏魯木齊 830022）

在鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，對金屬的焊接與接合是非常關(guān)鍵的一到生產(chǎn)工序。因此，推動新的鋼鐵材料焊接與結(jié)合技術(shù)的研究開發(fā)是非常重要的。我們可以同過引進(jìn)結(jié)合開發(fā)的形式不斷提高企業(yè)焊接、接合技術(shù)水平，提高產(chǎn)品的安全性，達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。在焊接與結(jié)合技術(shù)的開發(fā)中我們要將高效率，高精度，清潔環(huán)保節(jié)能作為技術(shù)開發(fā)的著重點(diǎn)。下面本文就對當(dāng)前鋼鐵材料焊接與結(jié)合的新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 金屬系的焊接、接合

1.1 電子束焊法

我們一般將金屬系新材料分為以超合金為主的熔融不損害強(qiáng)化機(jī)理材料，以及以復(fù)合材料為主的熔融在根本上損害強(qiáng)化機(jī)理材料。在鋼鐵材料焊接與接合的工作中。如果我們針對哈斯特洛伊鎳基耐蝕耐熱合金X、X等超合金進(jìn)行焊接時，可以采用電子束焊法，除了上文所說的超合金材料，電子束焊法同樣也適用于因沃斯帕洛倍鐐合金與尤迪梅特700，IN-738LC.A-286,燒結(jié)合金等。除此之外，本文還針對鋼鐵材料焊接中焊接裂紋的敏感性進(jìn)行了分析，并探討了氣孔的生成原因，金屬材料的抗腐蝕性、抗蠕變，抗疲勞性能等等。電子束焊法除了適用于各種鋼鐵以及金屬系材料的焊接與接合，同時也適用于氣體渦輪機(jī)的焊接工作，在火箭發(fā)動機(jī)的焊接工作中也受到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 激光焊接法

激光焊接相比于電子束焊法，更實(shí)用與各種剛精度高性能的焊接工作環(huán)境，能夠在大氣中進(jìn)行焊接工作。激光焊接法的有點(diǎn)在于更容易控制，實(shí)現(xiàn)各種高精度的焊接工作，同時能夠支持高性能運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)關(guān)焊接法能夠充分地應(yīng)用在氣體渦輪的焊接工作中。在上世紀(jì)末，隨著燃料電池在汽車上應(yīng)用逐漸廣泛，為了將燃料電池焊接在小汽車上，出現(xiàn)了兩種焊接手法，分別是固相擴(kuò)散焊接與液相擴(kuò)散焊接。在實(shí)際的焊接工作中，激光焊接技術(shù)能夠有效地消除點(diǎn)焊壓痕，同時降低外板波紋狀變形，最后達(dá)到優(yōu)化車輛外觀的目的。在產(chǎn)品的生產(chǎn)中，為了提高焊縫強(qiáng)度，我們可以使用線狀焊接來代替點(diǎn)接合的方法，通過借助高速激光焊接降低產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。在實(shí)際的焊接工作中，激光焊接技術(shù)能夠有效地消除點(diǎn)焊壓痕，同時降低外板波紋狀變形，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的外觀優(yōu)化。在對金屬系復(fù)合材料進(jìn)行接合時激光焊接法是最合適的手法，在工作中可能會需要嵌入金屬。

1.3 HIP散擴(kuò)散焊技術(shù)

隨著對新技術(shù)開發(fā)的進(jìn)步，以美國、歐盟等西方國家為首針對新材料的研發(fā)以及焊接技術(shù)的開發(fā)研究活動非常活躍，固相擴(kuò)散焊主要運(yùn)用在燒結(jié)合金的焊接工作中，同時也適用于對尤迪梅特700等顆粒彌散強(qiáng)化合金的接合工作。HIP擴(kuò)散焊技術(shù)正在日益廣泛的運(yùn)用中收到了行業(yè)內(nèi)部人士的關(guān)注。液相擴(kuò)散焊相比于擴(kuò)散焊技術(shù)，不需要高精度的研磨加工就能夠達(dá)到同母材相似機(jī)械性能與抗腐蝕性能，并且因為優(yōu)秀的性能，作為精密面接合技術(shù)在行業(yè)內(nèi)充分地嶄露頭角。當(dāng)前對這一技術(shù)的研究方向主要有熔融反應(yīng)過程研究、等溫凝固以及均質(zhì)化的過程研究等。除了上文所說的應(yīng)用領(lǐng)域，HIP散擴(kuò)散焊技術(shù)與結(jié)合技術(shù)同樣能夠在其他超合金的焊接中使用。同時，HIP散擴(kuò)散焊技術(shù)的備溫拉伸性能優(yōu)秀，蠕變斷裂性能優(yōu)秀，也被廣泛的使用于噴氣發(fā)動機(jī)的定子葉片接合中，它不僅是定子葉片結(jié)合的優(yōu)秀方法，同時也是修理渦輪葉片的最主要，最優(yōu)方法。

1.4 金屬間化合物的焊接、接合

向Ni3Al內(nèi)添加一定量的B,加強(qiáng)其延性，同時結(jié)合耐熱性結(jié)構(gòu)材料的研究促進(jìn)金屬間化合物的焊接、接合技術(shù)的研究進(jìn)步。在對這些技術(shù)領(lǐng)域研究過程當(dāng)中，以美國為主的發(fā)達(dá)國家，針對 Ni3Al 在電子束焊時熱影響區(qū)的焊接裂紋問題進(jìn)行了重點(diǎn)研究，在實(shí)驗過程中試圖采取添加適量B或Hf的方法，避免Ni3Al在電子束焊時熱影響區(qū)的焊接裂紋的產(chǎn)生。在另一方面，在研究中，還通過采取降低焊接與冷卻速度的方法，視同借此來達(dá)到降低殘余應(yīng)力，從而避免裂紋產(chǎn)生的目的。同時，美國在研究過程中也隊 Ti-14Al-21Nb合金的TIG焊接裂紋問題進(jìn)行了分析。在研究中，工作人員發(fā)現(xiàn)：冷卻速度越高，裂紋出現(xiàn)的幾率越高，其敏感程度越高。不過如果我們繼續(xù)提高冷卻速度時，α2的析岀也歲之間小，裂紋敏感性也逐漸降低。而為了解決TiAl在EBW焊接時出現(xiàn)的低溫裂紋問題，我們可以通將其預(yù)熱300℃以上，同時降低冷卻速度，達(dá)到防治出現(xiàn)焊接裂的現(xiàn)象。

1.5 陶瓷接合

陶瓷的接合冰粉單純的陶瓷之間的接合，同時還包括其與金屬的接合。對于陶瓷與金屬接合的研究主要體現(xiàn)在陶瓷接合的粘結(jié)性以及兩者的反應(yīng)種類、生成物等等方面。陶瓷接合過程中的反應(yīng)生成層成長很快，針對接合界面的 陶瓷和金屬接合的基本研究 課題有粘結(jié)性、反應(yīng)種類、反應(yīng)生成物等。我們在以陶瓷為主要結(jié)構(gòu)材料時，與鋼鐵金屬材料接合的接頭特性，是目前我們在陶瓷接合技術(shù)研究中的最主要的課題。舉個例子來說，在Si3N4與M。接合的 接頭拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大后，反應(yīng)層厚度也會隨之増加，進(jìn)而使得整體的強(qiáng)度的迅速降低。

1.6 摩擦攪拌接合

摩擦攪拌接合法是TWI所研究出的一種固相結(jié)合方法，主要適用于針對于以鋁為主的低熔點(diǎn)的鋼鐵結(jié)束材料的結(jié)合工作中。相比于電弧焊接法，摩擦攪拌結(jié)合由于沒有熔融與凝固這一環(huán)節(jié)，因此能夠避免出現(xiàn)裂紋以及氣孔。同時在結(jié)合過程中由于材料的熱量較低，發(fā)生的變形程度也非常小，焊接的焊縫穩(wěn)定，優(yōu)秀，能夠有效地減少工期，達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本的效果。

當(dāng)前摩擦攪拌接合法主要應(yīng)用于以鐵道車輛車體為主的各種鋁合金產(chǎn)品，一般主要適用于對于側(cè)墻板的焊接工作中。

1.7 摩擦攪拌點(diǎn)接合

摩擦攪拌點(diǎn)接合與摩擦攪拌接合采用的工具一致，但是摩擦攪拌點(diǎn)接合的接合工具是通過將材料壓如弓箭并進(jìn)行攪拌的方式，相比于傳統(tǒng)電阻點(diǎn)電焊其接頭的強(qiáng)度更加優(yōu)秀，并且能夠極大程度的減少熱變形情況，同時還能夠有效的降低耗電量與焊接煙塵。一些企業(yè)將摩擦攪拌點(diǎn)接合法運(yùn)用在高速新干線的鋁合金清涼車體的生產(chǎn)過程中。由于新一代的超高速車體為了實(shí)現(xiàn)輕量化發(fā)展，就需要將車體薄壁化，因此傳統(tǒng)的電弧焊接與電阻點(diǎn)焊無法有限的滿足這一需求，我們就可以將摩擦攪拌點(diǎn)接合法運(yùn)用到新一代車體的生產(chǎn)中。目前正在鋁合金構(gòu)件上推廣 應(yīng)用，而且，為了將摩擦攪拌點(diǎn)接合用于高強(qiáng)度鋼和不銹鋼，已開始進(jìn)行長壽命接合工具的開發(fā)研究。

2 各種焊接的特點(diǎn)以及在生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 激光焊接

激光焊接法的有點(diǎn)在于更容易控制，實(shí)現(xiàn)各種高精度的焊接工作，同時能夠支持高性能運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)關(guān)焊接法能夠充分地應(yīng)用在氣體渦輪的焊接工作中。其最主要的特點(diǎn)在于其高能密度與精密控制性,在汽車產(chǎn)品的生產(chǎn)中，激光焊接主要運(yùn)用在等薄板的高速、低變形焊接工作中。一切汽車生產(chǎn)企業(yè)充分地利用激光焊接的特點(diǎn)來加強(qiáng)不銹鋼通勤車輛的車體外板和構(gòu)架。在實(shí)際的焊接工作中，激光焊接技術(shù)能夠有效地消除點(diǎn)焊壓痕，同時降低外板波紋狀變形，最后達(dá)到優(yōu)化車輛外觀的目的。在產(chǎn)品的生產(chǎn)中，為了提高焊縫強(qiáng)度，我們可以使用線狀焊接來代替點(diǎn)接合的方法，通過借助高速激光焊接降低產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。在西日本鐵道公司和JR東日本的鐵道車體制造中，激光焊接技術(shù)受到了普遍的應(yīng)用，今后也將在車輛制造中起到重要的作用。

2.2 新的電弧焊接

在船舶、橋梁等生產(chǎn)大型機(jī)械構(gòu)件的重工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)中，為了提高焊接效率，促進(jìn)產(chǎn)品生產(chǎn)的自動化，一些重工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)中發(fā)展處了一多關(guān)節(jié)機(jī)器人為中心，借助自動化生產(chǎn)設(shè)備來提高焊接工藝的質(zhì)量的生產(chǎn)工藝。

例如電弧焊接機(jī)器人“FA-10”，這個機(jī)器人主要運(yùn)用在船用柴油機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊接工作中。在長時間的焊接工作中，我們能夠通過機(jī)器人來收集焊接工序,坡口線誤差修正的經(jīng)驗和技巧。

同時，在不斷地研究過程中，研究人員提出的活性氣體保護(hù)弧焊法收到了行業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，這一焊接法的原理是通過每把焊槍送出2根焊絲的形式，實(shí)現(xiàn)控制電弧的同時開展高速大熔敷焊接。這一焊接法能夠能夠有效地降低產(chǎn)品的變形力度，同時能夠滿足高精度的產(chǎn)品生產(chǎn)需求。能夠有效地滿足電機(jī)、摩托車等對于產(chǎn)品的變形程度以及零件的精度有著極高的要求以及生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，活性氣體保護(hù)弧焊法的施工效率非常高，一些企業(yè)將其運(yùn)用在各種厚板產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)用中。

2.3 薄板的地變形焊接工藝

在生產(chǎn)以電機(jī)、摩托車為代表的薄板結(jié)構(gòu)產(chǎn)品過程中，由于這些產(chǎn)品對于產(chǎn)品的變形程度以及零件的精度有著極高的要求以及生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，我們就需要施工高精度的焊接技術(shù)。一般我們主要使用新的電弧焊接法來生產(chǎn)這些低變形與高精度要求的產(chǎn)品生產(chǎn)中。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，我們主要使用活性氣體保護(hù)弧焊法，這種焊法能有有效的消除短路，同時由于焊絲的收縮力，我們能夠用其代替高電流產(chǎn)生的夾緊力。 活性氣體保護(hù)弧焊法的有點(diǎn)在于能極大程度而降低焊接的輸入熱,同時還能夠避免焊接物大量飛濺。在實(shí)際運(yùn)用中，部分企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)的機(jī)器人組合，根據(jù)產(chǎn)品的要求不同確定施焊技術(shù)，同時加大對各種薄板產(chǎn)品的焊接與接合技術(shù)研究。

3 總結(jié)

在近些年來，我國對于新材料的研發(fā)下了很大的力度，誕生了各種金屬復(fù)合材料例如各種超合金、單向凝固合金材料、共晶合金等等。本文主要在這一環(huán)境下對于這些鋼鐵合金材料的焊接技術(shù)開發(fā)應(yīng)用進(jìn)行了探討分析。同時分別介紹了電子束焊法、激光焊接法、HIP散擴(kuò)散焊技術(shù)、陶瓷接合、摩擦攪拌接合、摩擦攪拌點(diǎn)接合等各種傳統(tǒng)與心得鋼鐵材料產(chǎn)品的焊接與接合技術(shù)。同時針對一些新的焊接與結(jié)合技術(shù)的特點(diǎn)以及主要應(yīng)用進(jìn)行了分析。在鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，對金屬的焊接與接合是非常關(guān)鍵的一到生產(chǎn)工序。因此，推動新的鋼鐵材料焊接與結(jié)合技術(shù)的研究開發(fā)是非常重要的。在焊接與結(jié)合技術(shù)的開發(fā)中我們要將高效率，高精度，清潔環(huán)保節(jié)能作為技術(shù)開發(fā)的著重點(diǎn)。推動新的鋼鐵材料焊接與結(jié)合技術(shù)的研究開發(fā)是非常重要的。我們可以同過引進(jìn)結(jié)合開發(fā)的形式不斷提高企業(yè)焊接、接合技術(shù)水平，提高產(chǎn)品的安全性，達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。