焊接工艺与微合金化对铝青铜堆焊组织及性能的影响学习体会

文献概况与研究意义

本文发表于《铜业工程》2025年第5期，由中国机械总院集团宁波智能机床研究院有限公司与江西铜业技术研究院有限公司联合完成，研究冷金属过渡工艺（CMT）与脉冲工艺两种焊接模式，以及S215和S216两种微合金化铝青铜对钢-铝青铜异质材料堆焊界面组织与结合强度的影响。铝青铜是一种兼具高强度、耐磨性、耐海水腐蚀性的优良材料，广泛应用于船舶螺旋桨、阀门、泵叶轮、海工平台等部件。铝青铜与钢的异质连接在工程机械、船舶制造等领域需求量大，但由于两者物理化学性质差异显著，焊接连接面临界面反应复杂、结合面应力集中等难题。本文的研究对于解决这一工程难题具有重要的指导价值。

异质材料焊接的核心挑战

钢与铝青铜的异质焊接面临以下核心挑战：

1. 热膨胀系数差异：钢的热膨胀系数约为12×10⁻⁶/℃，铝青铜约为17×10⁻⁶/℃，冷却过程中界面处产生较大的热应力。
2. 熔点差异：钢的熔点约为1500℃，铝青铜的熔点约为900~950℃，焊接热输入分配直接影响界面冶金反应。
3. 界面反应：高温下Fe与Cu之间会发生严重的扩散反应，形成Fe-Cu金属间化合物（如FeCu、Fe₂Cu等），这些脆性相是界面开裂的主要诱因。
4. 热导率差异：铝青铜的热导率约为钢的2倍，焊接热量分布不均匀，影响熔池形态和凝固行为。

两种焊接工艺对比分析

CMT工艺与脉冲工艺

CMT工艺通过精确控制送丝速度和焊接电流，实现熔滴的"推-拉"循环，使熔滴以较低的热输入量过渡到熔池中。这种工艺模式的优势在于：热输入小、变形小、稀释率低，特别适合异质材料焊接中需要严格控制界面反应的场景。脉冲焊接则通过周期性的高电流脉冲实现熔滴过渡，热输入量相对较高，熔池尺寸较大，凝固速率较慢。

S215与S216铝青铜的合金化差异

S215和S216是两种微合金化铝青铜，其关键差异在于Mn和Ni元素的含量。

S216中Mn和Ni元素的固溶加入降低了合金熔点，这意味着在相同的焊接参数下，S216铝青铜更容易熔化，焊接热量更多地被钢基体吸收。这一差异直接影响了界面处的Fe元素扩散行为和组织形貌。

结合强度与界面组织的关联分析

S215铝青铜的界面行为

在S215中，CMT模式下焊接热输入量小，熔池尺寸小，凝固速率快，所得到的α相组织更细小、第二相弥散分布。α相（Cu-Al固溶体）的细小化直接提高了结合强度，相较于脉冲模式提升约38 MPa。这一结果可以用以下机制解释：

1. 细小的α相晶粒通过Hall-Petch效应提高了界面区域的强度。
2. 弥散的第二相（如Al₂Cu、Al₂CuMg等）对位错产生钉扎作用，阻碍裂纹扩展。
3. 低热输入减少了界面处Fe向Cu基体的扩散，减少了脆性Fe-Cu金属间化合物的形成。

S216铝青铜的界面行为

S216的结果与S215相反。在脉冲模式下，钢基体中的Fe元素向铜基钎料扩散并占据主导地位，扩散引起的异质形核与晶界处Fe元素富集钉扎作用，使得α相晶粒呈现为细小的柱状晶与等轴晶混合形态，位错钉扎进一步加剧，结合强度相较于CMT模式提升约32 MPa。

这一"反常"现象的机理值得深入思考：在S216中，由于Mn和Ni的加入降低了合金熔点，脉冲焊接的较高热输入反而促进了Fe向铜侧的扩散。Fe元素在铜基体中的异质形核作用促进了α相的细化，而晶界处Fe的富集则产生了钉扎效应。换言之，S216的合金化设计使得较高热输入下的界面扩散反应从"有害"转变为"有益"，这是一个非常有趣的冶金现象。

工程应用建议

基于本文的研究结果，针对钢-铝青铜异质堆焊的工程应用，提出以下建议：

1. 材料选择与工艺匹配：对于S215类铝青铜，优先采用CMT工艺；对于S216类铝青铜，脉冲焊接可能更优。材料-工艺匹配是异质焊接成功的关键。
2. 界面质量控制：结合强度断面均发生在铜侧，说明铜侧界面是薄弱环节。在工程设计中，应适当增加铜侧的堆焊层厚度，或采用多层堆焊工艺。
3. 热输入控制：无论采用何种工艺，热输入量的精确控制都是关键。建议通过焊接参数优化实验，建立热输入量与结合强度的定量关系模型。
4. 界面微观分析：在关键连接部位，应进行界面微观组织分析（如EBSD、EPMA等），评估Fe扩散深度和金属间化合物分布，确保界面质量。

学习心得与启示

本文的研究体现了现代焊接冶金中"材料设计-工艺优化-性能调控"的系统性研究思路。最引人注目的发现是S215与S216在相同焊接工艺下表现出截然相反的界面行为，这一"反常"现象揭示了微合金化对异质焊接界面反应的深刻影响。传统的异质焊接研究往往将"减少界面反应"作为唯一目标，而本文的研究表明，在某些合金化条件下，适度的界面扩散反应反而有利于提高结合强度。这一发现对异质焊接材料设计具有重要的理论指导意义。

对于从事异质材料焊接工程的技术人员而言，本文的启示在于：不要将焊接工艺参数和材料成分视为独立的优化变量，而应从系统论的角度考虑二者的协同作用。焊接工艺的选择必须与材料的具体合金化方案相匹配，才能实现最优的界面结合质量。