銅與鋁、鋼異種金屬焊接工藝設(shè)計(jì)

1、<p>　　河南機(jī)電高等專科學(xué)校</p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　畢業(yè)論文題目：銅與鋁/鋼異種金屬焊接工藝設(shè)計(jì)</p><p>　　系 部 材料工程系 </p><p>　　專 業(yè) 焊接技術(shù)及自動(dòng)化 </p><p

2、>　　班 級(jí) 焊接123班 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　學(xué) 號(hào) 1213033 </p><p>　　指導(dǎo)教師 周慧琳 </p><p>　　2015年4月29日</p&

3、gt;<p>　　銅與鋁/鋼異種金屬焊接工藝設(shè)計(jì) </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　近年來(lái),隨著生活水平的不斷提高,人類生活的各個(gè)方面已經(jīng)越來(lái)越離不開(kāi)電冰箱和空調(diào)器等制冷設(shè)備的使用。制冷設(shè)備中,換熱器的性能直接影響設(shè)備的制冷性能。</p><p>　　國(guó)內(nèi)外制冷設(shè)備管路系統(tǒng)中的蒸發(fā)器和

4、冷凝器采用鋁管代替銅管己成趨勢(shì)。但銅管在一些制冷管路構(gòu)件中仍是不可替代的,近年來(lái)銅價(jià)攀升和銅資源的短缺，然而鋁/鋼的資源較豐富，可以成為銅的很好的替代材料。因此必然帶來(lái)銅鋁/鋼管連接問(wèn)題。</p><p>　　而銅與鋁/鋼性能差異較大,焊接時(shí)存在多種問(wèn)題。銅鋁/鋼屬于異種金屬，焊接過(guò)程中易形成脆性相，影響接頭性能。因此，焊接問(wèn)題成為阻礙銅鋁/鋼管應(yīng)用的一個(gè)很大問(wèn)題。</p><p>　　本

5、文通過(guò)分析異種合金的物理、化學(xué)性能差異，了解了異種合金焊接性特點(diǎn)以及容易出現(xiàn)的焊接缺陷，列舉和介紹了常用的幾種銅與鋁焊接方法的基本原理和焊接規(guī)范。</p><p>　　本文對(duì)于銅與鋼的焊接做出了新的焊接工藝設(shè)計(jì)，通過(guò)用激光對(duì)銅鋼接頭進(jìn)行焊接，縮短了焊接時(shí)間，優(yōu)化了焊接性能，使焊接熱輸入量更加容易且精準(zhǔn)的控制，能夠更易得到較好的接頭。</p><p>　　關(guān)鍵詞： Cu/Al管；Cu/Fe管

6、，電阻壓焊；釬焊，激光焊</p><p>　　 銅與鋁/鋼異種金屬焊接工藝設(shè)計(jì) </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, with the continuous improvement of living standards, every aspect

7、 of human life has been more and more used without refrigeration equipment, refrigerators and air conditioners and other more away. Refrigeration equipment, refrigeration performance of the heat exchanger performance dir

8、ectly influence the equipment.</p><p>　　The evaporator and condenser cooling equipment in the pipeline system at home and abroad by using aluminum instead of copper has become a trend. But the copper in some

9、 refrigeration piping components is still irreplaceable in recent years, the shortage of copper prices rose and copper resources, however, aluminum / steel resources are abundant, can be a good substitute material of cop

10、per. So it will inevitably bring about the copper and aluminum / steel connection problems.</p><p>　　Copper and aluminum / steel performance differences, there are many problems in welding. Aluminum / steel

11、dissimilar metal belongs to, easy to form brittle phases in the process of welding, influence of joint performance. Therefore, the welding problem become a big problem of aluminum / steel.</p><p>　　In this p

12、aper, through physical, chemical properties analysis of the difference of dissimilar alloys, and easy to understand the welding defects dissimilar alloy welding characteristics, the basic principle and several commonly u

13、sed are copper and aluminum introduced welding method and welding specification.</p><p>　　In this paper, the welding of copper and steel making process design of new welding, the joint of steel and copper by

14、 laser welding, shorten the time of welding, the welding performance optimization, the control of welding heat input is more easily and accurately, can more easily get good joint.</p><p>　　Keywords: Cu/Al; C

15、u/Fe pipe, electric resistance pressure welding; brazing, laser welding</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　2異種金屬焊接性3</p><p>　　2.

16、1異種金屬性能差異及影響3</p><p>　　2.1.1物理性能的差異3</p><p>　　2.1.2結(jié)晶化學(xué)性能的差異3</p><p>　　2.1.3材料的表面狀態(tài)4</p><p>　　2.2影響異種金屬焊接的主要因素5</p><p>　　3銅鋁焊接性分析及常用焊接方法7</p>

17、<p>　　3.1銅鋁性能比較7</p><p>　　3.2銅與鋁焊接時(shí)存在的主要問(wèn)題8</p><p>　　3.2.1銅鋁焊接時(shí)的氧化問(wèn)題8</p><p>　　3.2.2銅與鋁的裂紋問(wèn)題8</p><p>　　3.2.3銅與鋁的氣孔問(wèn)題9</p><p>　　3.3銅鋁常用焊接方法10<

18、/p><p>　　4.銅鋼激光焊接14</p><p>　　4.1激光焊接在異種材料焊接中的應(yīng)用14</p><p>　　4.2銅鋼激光焊接的特點(diǎn)及激光深熔焊原理15</p><p>　　4.3深熔焊的主要影響因素18</p><p>　　4.4銅鋼異種材料激光焊接的焊接性分析與工藝設(shè)計(jì)19</p>

19、<p>　　4.5試驗(yàn)方案及內(nèi)容26</p><p>　　4.6試驗(yàn)材料27</p><p>　　4.7焊接試驗(yàn)27</p><p>　　4.8焊縫內(nèi)缺陷產(chǎn)生原因分析28</p><p>　　4.9銅的熔化量對(duì)焊縫拉伸力學(xué)性能及組織的影響30</p><p><b>　　5結(jié)論32&l

20、t;/b></p><p><b>　　致謝33</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)34</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，近年來(lái)我國(guó)制冷行業(yè)得到了迅速發(fā)展，空調(diào)器、冰箱以及其

21、它制冷產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大，產(chǎn)量逐年增加。這一點(diǎn)從表1-1列出的我國(guó)近幾年來(lái)家用電冰箱和空調(diào)器的總產(chǎn)量可以看出。目前，從生產(chǎn)能力看，中國(guó)已成為世界空調(diào)器第一大產(chǎn)出國(guó)。各種制冷設(shè)備不僅給人們生活帶來(lái)便利，在化工、醫(yī)療、食品及科研等許多方面也離不開(kāi)它們的身影。</p><p>　　制冷設(shè)備中比較有代表性的就是電冰箱與空調(diào)器，以此為例說(shuō)明制冷設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)。電冰箱應(yīng)具備制冷、保溫、控溫三項(xiàng)基本功能，因此所有的冰箱在整體

22、結(jié)構(gòu)上都具有與之相應(yīng)的三個(gè)組成部分，即制冷系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、箱體及隔熱保溫系統(tǒng)。空調(diào)器與電冰箱相似，主要由制冷系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)以及箱體組成。</p><p>　　制冷系統(tǒng)是制冷設(shè)備的最重要組成部分，除了包括壓縮機(jī)和節(jié)流機(jī)構(gòu)外，主要是一些換熱設(shè)備，如蒸發(fā)器、冷凝器和回?zé)崞鞯取＿@些換熱設(shè)備統(tǒng)稱為制冷換熱器。在制冷系統(tǒng)中，換熱器的性能直接影響設(shè)備的制冷性能。與壓縮機(jī)相比，制冷換熱器的金屬消耗量大，體積大，

23、它的重量要占整個(gè)設(shè)備重量的50%～70%，它所占據(jù)的空間直接影響設(shè)備的體積大小。所以，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱性能良好的換熱器對(duì)于減輕整個(gè)裝置的重量和體積具有現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　在性能方面鋁的導(dǎo)熱率接近銅，實(shí)驗(yàn)證明鋁代銅作制冷管路可以滿足制冷性能的要求。而且鋁的導(dǎo)熱率比銅?。ㄤX2.34、銅3.97，單位：W/cm℃）,鋁代銅可以減少溫度的散失，提高保溫效果，更易達(dá)到節(jié)能的目的。從材料性能上看，鋁管的韌性高，

24、比銅管更易彎曲，便于安裝。而且鋁的比重小，可以減輕機(jī)械構(gòu)件的質(zhì)量，鋁的市場(chǎng)價(jià)格也比銅低，所以用鋁代銅不僅可以明顯地降低制冷設(shè)備的制造成本，而且不降低冰箱性能，同時(shí)還可以減少由于銅管而帶來(lái)的蟻巢腐蝕問(wèn)題，因此鋁代銅已成為一種趨勢(shì)。</p><p>　　在成本方面，全鋁代銅是一個(gè)很好的方案，但它本身存在很多的局限性。一方面銅管在一些制冷管路構(gòu)件中仍是不可替代的，如干燥過(guò)濾管、毛細(xì)管、壓縮機(jī)三管等，還是要采用銅管制作；

25、另一方面制冷管路系統(tǒng)由許多部件組成，有許多接頭需要連接，而鋁管手工釬焊技術(shù)難度較大，全部采用鋁管，不單是售后維修人員無(wú)法完成故障件的維修，即便是冰箱總裝生產(chǎn)線，也不容易實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的焊接生產(chǎn)。另外，一些制冷產(chǎn)品的管接頭是靠機(jī)械密封完成的，如分體空調(diào)器內(nèi)外機(jī)連機(jī)管就是螺帽壓緊實(shí)現(xiàn)密封，顯然采用銅管的機(jī)械密封性能也優(yōu)于鋁管的機(jī)械密封性能。這樣，在制冷管路中又有鋁管又有銅管，必然帶來(lái)銅、鋁的連接問(wèn)題。</p><p>

26、<b>　　2異種金屬焊接性</b></p><p>　　制冷管路的質(zhì)量要求很高，而銅鋁/鋼焊接存在很多困難，導(dǎo)致目前正在采用的銅鋁/鋼管接頭很多不符合制冷系統(tǒng)的致密性和潔凈度要求。銅鋁/鋼焊接屬于異種金屬焊接，比同種金屬焊接要困難得多。</p><p>　　所謂焊接性就是指金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性和焊后使用時(shí)安全可靠運(yùn)行的能力，也就是指在一定的焊接工藝條件下，金屬

27、材料獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。理想的焊接性就是對(duì)材料的冷、熱裂紋，再熱裂紋和氫誘裂紋均不敏感，在熱影響區(qū)無(wú)脆化問(wèn)題。</p><p>　　金屬焊接性具體含義包括兩個(gè)方面內(nèi)容：第一是接合性能。接合性能是指金屬材料在給定的焊接工藝條件下，形成完整焊接接頭的能力。焊接生產(chǎn)中，常用接合性能評(píng)定焊接接頭缺陷的敏感性，以便提出防止焊接缺陷的措施。</p><p>　　第二是使用性能。使用性能是指金屬

28、材料在焊接以后，接頭在長(zhǎng)期使用條件下適用使用要求的程度。焊接生產(chǎn)中，常用使用性能評(píng)定焊接接頭能否滿足技術(shù)條件的要求，以便提出改進(jìn)技術(shù)條件的方案。</p><p>　　2.1異種金屬性能差異及影響</p><p>　　異種金屬在給定的焊接工藝條件下，能否形成優(yōu)質(zhì)焊接接頭主要取決于被焊金屬的物理性能、結(jié)晶化學(xué)性能的差異和材料的表面狀態(tài)。</p><p>　　2.1.1物

29、理性能的差異</p><p>　　兩種材料物理性能的差異主要是指熔化溫度、線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和比電阻等的差異，將影響焊接的熱循環(huán)過(guò)程、結(jié)晶條件，降低焊接接頭的質(zhì)量。當(dāng)異種材料熱物理的較大差異會(huì)使熔化情況不一致時(shí)，就會(huì)給焊接造成困難；線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，會(huì)造成接頭較大的焊接殘余應(yīng)力和變形，易使焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。異種材料電磁性相差較大時(shí)，則使焊接電弧不穩(wěn)定，焊縫成形不好甚至形成不了焊縫。</p>

30、<p>　　2.1.2結(jié)晶化學(xué)性能的差異</p><p>　　結(jié)晶化學(xué)性能的差異主要是指晶格的類型、晶格常數(shù)、原子半徑、原子的外層電子結(jié)構(gòu)等的差異，也就是通常所說(shuō)的“冶金學(xué)上的不相容性”。兩種被焊金屬在冶金學(xué)上是否相容，取決于它們?cè)谝簯B(tài)和固態(tài)時(shí)的互溶性以及這兩種材料在焊接過(guò)程中是否產(chǎn)生金屬間化合物（脆性相）。</p><p>　　在液態(tài)下兩種互不相溶的金屬或合金一般不能用熔化焊

31、的方法進(jìn)行焊接，如鐵與鉛、鉛與銅等。因?yàn)檫@類異種材料組合從熔化到冷凝過(guò)程中極易分層脫離而使焊接失敗。只能在液態(tài)和固態(tài)下都具有良好互溶性的異種金屬或合金，才能在熔焊時(shí)形成良好的焊接接頭。</p><p>　　一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)兩種金屬的晶格類型相同，晶格常數(shù)、原子半徑不超過(guò)10%～15%,電化學(xué)性能的差異不太大時(shí)，溶質(zhì)原子能夠連續(xù)固溶于溶劑，形成連續(xù)固溶體；否則易形成金屬間化合物，使焊縫性能大幅度降低。研究表明能夠形成連

32、續(xù)固溶體的異種材料具有良好的焊接性。</p><p>　　焊接互溶性有限的兩種金屬或合金時(shí)，能否防止裂紋的產(chǎn)生主要取決于結(jié)晶條件。材料的相變性質(zhì)以及受力狀態(tài)。因此，當(dāng)采用的冶金措施和焊接工藝尚不足以克服因互溶性差造成的焊接困難時(shí)，就會(huì)影響這兩種材料的焊接性。有限的溶解度有時(shí)會(huì)形成金屬間化合物或使過(guò)飽和固溶體的剩余成分析出，從而降低接頭的性能。</p><p>　　為了改善異種材料的焊接性，

33、對(duì)不能形成無(wú)限固溶體的異種金屬和合金，可在兩種被焊材料之間加入過(guò)渡層合金，所選擇的過(guò)渡層合金應(yīng)該滿足與兩種被焊金屬均能形成無(wú)限固溶體的要求。</p><p>　　2.1.3材料的表面狀態(tài)</p><p>　　材料的表面狀態(tài)是很復(fù)雜的,表面氧化層(氧化膜)、結(jié)晶表面層吸附的氧離子和空氣分子水油污雜質(zhì)等狀態(tài)，都直接影響異種材料的焊接性，必須給予充分的重視。在生產(chǎn)實(shí)踐中，往往由于表面氧化膜和其他

34、吸附物的存在給焊接帶來(lái)極大的困難。</p><p>　　此外，焊接異種材料時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一層成分組織及性能與母材不同的過(guò)渡層，過(guò)渡層的性能會(huì)給焊接接頭的整體性能帶來(lái)重大的影響，處理好異種材料焊接的過(guò)渡層對(duì)于獲得滿意的焊接質(zhì)量至關(guān)重要。過(guò)大的熔合比，會(huì)增加焊縫金屬的稀釋率，使過(guò)渡層更為明顯；焊縫金屬與母材的化學(xué)成分相差越大，熔池內(nèi)金屬越不容易混合，過(guò)渡層越明顯；熔池內(nèi)金屬液態(tài)存在的時(shí)間越長(zhǎng)，越容易混合均勻。所以，焊

35、接異種材料時(shí)需要采取相應(yīng)的工藝措施來(lái)控制過(guò)渡層，以保證接頭的性能。</p><p>　　2.2影響異種金屬焊接的主要因素</p><p>　?。╨）異種金屬的熔點(diǎn)相差越大，越難進(jìn)行焊接。焊接熔點(diǎn)相差很大的異種金屬，由于熔點(diǎn)低的金屬達(dá)到熔化狀態(tài)時(shí)，熔點(diǎn)高的金屬仍呈固態(tài)，因此已熔化的金屬容易滲入過(guò)熱區(qū)的晶界，使過(guò)熱區(qū)的組織性能降低。當(dāng)熔點(diǎn)高的金屬熔化時(shí)，勢(shì)必造成熔點(diǎn)低的金屬流失，合金元素的燒損

36、和蒸發(fā)。因此，焊接接頭難以焊合。鋁的熔點(diǎn)比銅低400多度，易造成鋁先熔化，液體鋁流溢，銅不熔化。</p><p>　　（2）異種金屬的線膨脹系數(shù)相差越大，越難進(jìn)行焊接。由于線膨脹系數(shù)越大，金屬熱膨脹率越大，冷卻時(shí)的收縮率也越大；相反，則反之。因此，在異種金屬的熔池結(jié)晶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。焊縫兩側(cè)金屬承受的應(yīng)力狀態(tài)不同，容易使焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，甚至導(dǎo)致焊縫與母材剝離。目前，在生產(chǎn)中常用焊前將膨脹系數(shù)小的金

37、屬預(yù)熱，或者加中間金屬過(guò)渡接頭的措施來(lái)克服這一困難。鋁的線膨脹系數(shù)比銅高約50％，所以焊接冷卻時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，導(dǎo)致上述現(xiàn)象的發(fā)生。</p><p>　　（3）異種金屬的導(dǎo)熱率和比熱相差越大，越難進(jìn)行焊接。金屬的熱導(dǎo)率和比熱能改變焊縫的溫度場(chǎng)和結(jié)晶條件，并影響難熔金屬的潤(rùn)濕性能。此外，異種金屬的導(dǎo)熱率和比熱相差越大，越易使焊縫的結(jié)晶條件變壞，晶粒粗化嚴(yán)重。因此，對(duì)熱導(dǎo)率和比熱相差大的金屬，應(yīng)采用強(qiáng)力熱源進(jìn)行焊接

38、，焊接時(shí)熱源的位置應(yīng)移向?qū)嵝院玫哪覆囊粋?cè)。鋁的熱容量及熔化潛熱大，熔化時(shí)所需的熱量比銅多，因而要實(shí)現(xiàn)其間的焊接難度大。</p><p>　?。?）異種金屬的電磁性相差越大，越難進(jìn)行焊接。電磁性相差越大，焊接電弧越不穩(wěn)定，焊縫成形越容易變壞。</p><p>　?。?）異種金屬的氧化性越強(qiáng)，越難進(jìn)行焊接用熔焊法焊接銅與鋁時(shí)，在熔池中極易形成銅和鋁的氧化物（CuO、Cu2O、Al2O3）。冷

39、卻結(jié)晶時(shí)存在于晶粒間晶界的氧化物能使晶間結(jié)合力降低。而且，形成的Al2O3熔點(diǎn)高達(dá)2030℃，難以清除，形成Al2O3夾雜，影響接縫性能。此外，CuO和Cu2O均能與銅形成低熔點(diǎn)共晶（Cu+CuO和Cu+Cu2O）。這些低熔點(diǎn)共晶體存在于晶界上，能使焊縫產(chǎn)生夾雜和裂紋，顯著降低焊縫強(qiáng)度和塑性。</p><p>　?。?）異種金屬之間形成金屬間化合物越多，越難進(jìn)行焊接。銅和鋁在液態(tài)下可以無(wú)限互溶，而在固態(tài)下互溶度十

40、分小。銅與鋁在高溫下能形成多種金屬間化合物，主要有Cu9Al4、Cu4Al3、Cu3Al2、CuAl2、CuAl等。銅－鋁二元系狀態(tài)圖見(jiàn)圖3-1。脆性的金屬間化合物在中低溫下具有高強(qiáng)度、低的延展性、室溫塑性和易斷裂性能，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的應(yīng)力集中傾向，其脆性斷裂具有突變性和不可預(yù)測(cè)性，會(huì)導(dǎo)致迅速脆性斷裂，尤其當(dāng)化合物表現(xiàn)為連續(xù)性和層狀時(shí)，這種脆性體現(xiàn)的尤為明顯。由于金屬間化合物具有很大的脆性，因而金屬間化合物的數(shù)量、形狀和在焊縫中的分布狀態(tài)，

41、對(duì)焊接接頭的性能均有很大影響。金屬間化合物越多，焊縫越容易產(chǎn)生裂紋，甚至?xí)斐纱鄶唷?lt;/p><p>　?。?）異種金屬焊接時(shí)，焊縫和母材不易達(dá)到等強(qiáng)。焊接異種金屬時(shí)，通常采用強(qiáng)力熱源，因此造成合金元素的燒損和蒸發(fā)，從而使焊縫的化學(xué)成分發(fā)生很大變化，組織性能顯著降低，焊縫與母材達(dá)不到等強(qiáng)度。尤其是焊接異種有色金屬時(shí)更為明顯。此外，焊接時(shí)產(chǎn)生的燒穿、夾雜和焊縫形狀尺寸不符合要求等缺陷也會(huì)影響焊縫與母材達(dá)到等強(qiáng)度。&

42、lt;/p><p>　　3銅鋁焊接性分析及常用焊接方法</p><p><b>　　3.1銅鋁性能比較</b></p><p>　　在給定的焊接工藝條件下，能否形成優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。這主要取決于被焊金屬的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、化學(xué)成分和工藝措施。而各種金屬的物理、化學(xué)性質(zhì)均有差異，這就決定了異種金屬的焊接性。金屬的物理性能指標(biāo)主要有密度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、熱

43、導(dǎo)率及線膨脹系數(shù)等。</p><p>　　表3-1給出了銅鋁異種金屬的物理性能，從中可以看出銅鋁各自的熔點(diǎn)、密度、線膨脹系數(shù)等物理性能相差很大。金屬的化學(xué)性能指標(biāo)主要有金屬的相對(duì)原子質(zhì)量、原子半徑、原子外層的電子數(shù)目、晶格類型、晶格常數(shù)等。化學(xué)性能是判定兩種材料能否穩(wěn)定結(jié)合的重要依據(jù)。</p><p>　　表3-2所示為銅和鋁的主要化學(xué)性能指標(biāo)。金屬的力學(xué)性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)計(jì)算、材料選用、工藝

44、評(píng)定的主要依據(jù)。異種材料焊接接頭所形成的復(fù)合零部件能否滿足工程上的使用要求，很大程度上也依賴于對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的評(píng)定。</p><p>　　3.2銅與鋁焊接時(shí)存在的主要問(wèn)題</p><p>　　3.2.1銅鋁焊接時(shí)的氧化問(wèn)題</p><p>　　銅和鋁都是極易被氧化的活潑金屬元素，在焊接過(guò)程中氧化十分激烈，能生成高熔點(diǎn)的氧化物，焊接時(shí)接頭表面和熔池中都會(huì)發(fā)生如式（

45、1-1），（1-2），（1-3）的反應(yīng)，形成的氧化物難以去除。在熔池結(jié)晶時(shí)，靠近銅一側(cè)金屬容易產(chǎn)生CuO和Cu2O，靠近鋁一側(cè)產(chǎn)生Al2O3，這些氧化物使銅與鋁及填充材料不能很好地熔合，同時(shí)會(huì)形成很多共晶體分布于晶界，引起焊縫裂紋或脆斷。</p><p>　　2Cu+O2=2CuO（1-1）</p><p>　　4Cu+O2=2Cu2O（1-2）</p><p>　

46、　4Al+3O2=2Al2O3（1-3）</p><p>　　圖3-1銅鋁二元相圖</p><p>　　3.2.2銅與鋁的裂紋問(wèn)題</p><p>　　由于氧化原因，在靠近銅母材的一側(cè)焊縫金屬中，很容易形成Cu+Cu2O共晶體，分布于晶界附近，使焊縫金屬的脆性傾向增大，并易產(chǎn)生裂紋。</p><p>　　由于填充材料以及Cu、Al母材的影響，

47、也可能產(chǎn)生三元共晶組織，易產(chǎn)生晶間裂紋；</p><p>　　銅的線膨脹系數(shù)比鋁大0.5倍，故銅與鋁的焊接接頭很容易產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值大于接頭強(qiáng)度極限時(shí)就發(fā)生裂紋；</p><p>　　由于高溫冶金反應(yīng)，熔池中容易產(chǎn)生CO2、CO和H2等氣體，結(jié)晶過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，尤其是氫的析集產(chǎn)生的壓力更大，使得焊縫產(chǎn)生裂紋。</p><p>　　3.2.3銅與鋁的氣孔問(wèn)

48、題</p><p>　　由于兩種金屬的導(dǎo)熱性都比較好，焊接時(shí)熔池金屬結(jié)晶快，高溫時(shí)的冶金反應(yīng)氣體來(lái)不及逸出，進(jìn)而產(chǎn)生氣孔；</p><p>　　銅與鋁在液態(tài)時(shí)，能強(qiáng)烈地溶解和吸收氣體，如氫隨著溫度的上升而溶解度顯著增大，當(dāng)冷卻時(shí)，氫的溶解度又顯著下降，在700℃和1000℃會(huì)發(fā)生突變，過(guò)飽和的氫析出形成氣泡外逸，而熔池結(jié)晶速度很快，氣泡來(lái)不及全部浮出熔池表面，而在焊縫中形成氣孔；</

49、p><p>　　由于兩種母材金屬表面的氧化膜有吸附水，被焊接頭清理不干凈，存有油脂或雜質(zhì)，填充材料潮濕，保護(hù)氣體不純及空氣侵入焊接區(qū)等，也能使焊縫產(chǎn)生內(nèi)部氣孔和表面氣孔。氣孔對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度以及耐蝕性影響都很大，所以焊前對(duì)焊接部位必須進(jìn)行嚴(yán)格的清理，并且應(yīng)該嚴(yán)格控制焊接線能量。</p><p>　?。?）銅與鋁的合金元素?zé)龘p問(wèn)題</p><p>　　在銅與鋁的母材金屬中

50、，Al、Sn、Zn、及Pb等元素的熔點(diǎn)金屬元素的熔點(diǎn)低于Cu。而Mg、Zn和Mn等元素的熔點(diǎn)低于Al。當(dāng)焊接溫度達(dá)到時(shí)兩種母材金屬都融化時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生低熔點(diǎn)合金元素的蒸發(fā)和燒損。</p><p>　　另外Zn極易蒸發(fā)，在空氣中容易氧化成白色煙霧狀的氧化鋅（ZnO），Zn的蒸發(fā)不僅能使異質(zhì)焊縫的力學(xué)性能和抗蝕性能降低，而且氧化鋅煙霧能使焊接操作者產(chǎn)生嚴(yán)重的慢性中毒，所以焊接銅與鋁時(shí)，必須制定特殊的焊接工藝，選擇合適

51、的填充材料和焊接方法，采取車間整體排風(fēng)除塵和局部抽風(fēng)等防護(hù)措施。</p><p><b>　　（5）雜質(zhì)元素影響</b></p><p>　　如表3-4所示[16]，在純銅和純鋁中含有一些雜質(zhì)元素。在銅與鋁的母材金屬中，Al、Sn、Zn及Pb等元素的熔點(diǎn)低于Cu。當(dāng)焊接溫度達(dá)到使Cu熔化時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生銅與氧以及Pb、Bi、S等雜質(zhì)形成多種低熔點(diǎn)共晶組織，使異質(zhì)焊縫的力

52、學(xué)性能和抗蝕性能降低。</p><p>　　3.3銅鋁常用焊接方法</p><p><b>　　1．銅與鋁的釬焊。</b></p><p>　?。?）釬焊的主要特點(diǎn)</p><p>　　1）釬焊只是釬料融化，母材金屬不熔化，所以焊接變形很小，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。</p><p>　　2）釬焊設(shè)備簡(jiǎn)單

53、，成本較低，維修容易。</p><p>　　3）釬焊工藝容易掌握，要求焊工技術(shù)等級(jí)不高。</p><p>　　4）前漢操作方便，生產(chǎn)效率高</p><p>　　5）釬焊應(yīng)用廣，適用于同種金屬或異種金屬的焊接，也適用于金屬與非金屬的焊接</p><p>　?。?）釬焊的操作過(guò)程</p><p>　　1）焊前將銅與鋁的接頭

54、表面清洗干凈，徹底去除油污和雜質(zhì)。</p><p>　　2）將清理好的接頭裝在夾具內(nèi)裝配，裝配間隙和接頭形式根據(jù)技術(shù)條件要求確定。</p><p>　　3）再將裝配好的浸焊釬劑，釬劑成分及熔點(diǎn)見(jiàn)表3-2.浸焊釬劑的溫度為450℃～480℃。</p><p>　　4）然后用釬料進(jìn)行焊接，選用釬料的成分見(jiàn)表3-5。</p><p>　　5）為防止

55、接頭氧化，釬焊在惰性氣氛爐中進(jìn)行，可采用電阻加熱或火焰加熱。</p><p>　　6）焊好后及時(shí)把接頭殘留物清洗干凈，防止剩余釬劑對(duì)焊接接頭的腐蝕作用。</p><p><b>　　2．銅與鋁的冷壓焊</b></p><p>　?。?）冷壓焊的基本原理</p><p>　　冷壓焊即在室溫下對(duì)接合區(qū)加壓，使之產(chǎn)生顯著變形而

56、焊接的固態(tài)焊接方法。銅與鋁的冷壓焊是在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的，所以也稱常溫壓接法。</p><p>　　銅與鋁的冷壓焊，是使銅和鋁承受巨大的壓力而產(chǎn)生相當(dāng)大的塑性變形，在銅與鋁接頭的結(jié)合面上原子相互靠攏(達(dá)0.3nm～0.5nm)而產(chǎn)生強(qiáng)大的原于間吸引力，從而使結(jié)合面在固態(tài)下形成牢固的接頭，如圖3-2所示。</p><p>　　(2)冷壓焊會(huì)屬的壓縮率</p><p>

57、;　　冷壓焊金屬的焊接性除與被焊金屬表面狀態(tài)有關(guān)外，還與兩種母材金屬在壓力作用下的壓縮率有關(guān)，兩種金屬只要達(dá)到一定壓縮率就能實(shí)現(xiàn)冷壓焊。如銅的壓縮率為80%-90%，鋁的壓縮率為60%～80%。</p><p>　　異種金屬冷壓焊的壓縮率可用下式計(jì)算：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中δ——異種金屬冷壓焊

58、壓縮后的厚度(mm)；</p><p>　　δ1、δ2——兩種母材金屬冷壓焊壓縮前的厚度(mm)。</p><p>　　異種金屬冷堆焊的壓縮率如圖3-2所示。</p><p>　　(3)異種金屬冷壓焊具備的條件異種金屬冷壓焊必須具備如下條件：</p><p>　　1)母材金屬本身的塑性變形大．</p><p>　　2)

59、母材金屬的氧化膜薄而脆，在塑性變形時(shí)容易被壓碎。</p><p>　　3)母材金屬在望性變形過(guò)程中，接觸面部位的彈性能小，有利于原子相互結(jié)合。</p><p>　　圖3-2異種金屬冷壓揮的壓縮率</p><p>　　1-銅2壓力3-異質(zhì)結(jié)合面4-鋁</p><p>　　(4)銅與鋁的冷壓焊操作過(guò)程</p><p>　　

60、采用冷壓焊焊接銅與鋁的操作過(guò)程如下：</p><p>　　1)焊前將銅和鋁母材金屬進(jìn)行退火處理，使之軟化增加塑性變形量。</p><p>　　2)將遇火后的兩種母材金屬清理氧化膜及油污，并使接頭的接合表面具有一定的粗糙度。</p><p>　　3)銅與鋁的管材采用套接接頭，如圖3-3，薄板采用搭接接頭，而棒料、厚板可采用對(duì)接接頭。</p><p&

61、gt;　　4)選用合適的冷壓焊設(shè)備和壓接工具。</p><p>　　銅與鋁搭接時(shí)，壓力為980MPa～l500MPa．對(duì)接時(shí)，由形變過(guò)程中同外部擴(kuò)展的飛邊也需一起加壓，因此壓力比搭接高3-4倍。</p><p>　　5)冷壓焊后，應(yīng)清理焊接接頭，并進(jìn)行焊接質(zhì)量檢驗(yàn)。</p><p>　　圖3-3銅鋁管擴(kuò)口套接接頭</p><p>　　3．銅與

62、鋁的電容儲(chǔ)能焊</p><p>　　目前，應(yīng)用電容儲(chǔ)能焊焊接銅與鋁較好。電容儲(chǔ)能焊是利用電容儲(chǔ)存的電能，通過(guò)瞬時(shí)放電，使銅與鋁接頭在極短時(shí)間內(nèi)通過(guò)強(qiáng)大的電流，而使接觸面局部熔化，在頂鍛力的作用下，擠出有害雜質(zhì)而實(shí)現(xiàn)焊接。</p><p>　　電容儲(chǔ)能焊，由于電流密度大、放電時(shí)間極短(小于0.0005s)、焊接變形小、節(jié)省電能、生產(chǎn)率高，所以非常適于銅與鋁的焊接。</p>&l

63、t;p>　　4.銅與鋁的低溫摩擦焊</p><p>　　銅與鋁的低溫摩擦焊，就是在摩擦加熱焊接表面的溫度低于銅與鋁的共晶溫度(548℃)以下，即在460℃～480℃實(shí)現(xiàn)焊接的。</p><p>　　采用低溫摩擦焊方法焊接的銅與鋁典型產(chǎn)品時(shí)，為提高塑性，焊前兩種母材金屑均應(yīng)進(jìn)行退火處理。銅棒加熱溫度為650℃，保溫40min；鋁棒加熱溫度為450℃，保溫40min。退火后要清除接頭表面

64、的油污及氧化膜。</p><p><b>　　4.銅鋼激光焊接</b></p><p>　　4.1激光焊接在異種材料焊接中的應(yīng)用</p><p>　　相比傳統(tǒng)焊接方法，由于激光焊接可以精確控制熱輸入、加工效率高、極高的冷卻速度、很小的熱影響區(qū)等，為許多不同金屬焊接熔化后有不同結(jié)構(gòu)的材料相容創(chuàng)造了有利條件。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些研究單位相繼開(kāi)展了一些

65、激光焊接異種材料的研究，取得了很多有價(jià)值的成果?？偨Y(jié)目前激光焊接技術(shù)在異種金屬焊接中應(yīng)用實(shí)例，大致上可以歸結(jié)為三種方法：激光熔焊、激光釬焊、激光熔-釬焊。</p><p><b>　?。?）激光熔焊</b></p><p>　　采用激光熔焊的方式連接異種金屬，大都需要添加填充焊絲，通過(guò)調(diào)節(jié)焊絲的成分，控制焊縫區(qū)組織性能，可改善異種材料冶金上的相溶性。新加坡萬(wàn)度力實(shí)驗(yàn)室

66、Z.Sun等人采用激光填絲焊將直徑43.5mm，厚度4.5mm的13CrMo44的鐵素體低合金鋼和AlSi347奧氏體不銹鋼管材焊接在一起[25]，選用Ф1.2mm的EniCrMo-3鎳基焊絲。焊接時(shí)，當(dāng)激光束偏向奧氏體不銹鋼，偏置量為0.25mm時(shí)，焊縫的組織和性能沒(méi)有明顯的變化，都能得到全部奧氏體組織。但如果偏向鐵素體鋼，當(dāng)偏置量為超過(guò)0.1mm時(shí)，就會(huì)得到馬氏體奧氏體的雙相組織。</p><p><b

67、>　?。?）激光釬焊</b></p><p>　　20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著高功率固體和半導(dǎo)體激光器的商品化，激光硬釬焊技術(shù)得到快速發(fā)展，激光釬焊異種金屬與傳統(tǒng)釬焊方法類似，都是通過(guò)釬料的熔化來(lái)實(shí)現(xiàn)異種材料的釬接。與其它熱源釬焊、固相連接相比，待焊工件尺寸及接頭形式不受限制，激光釬焊工藝參數(shù)高度靈活可調(diào)，可精確控制加熱區(qū)域及加熱時(shí)間，限制釬料與金屬之間的有害界面反應(yīng)；激光能量分布可調(diào)（單光束、雙

68、光束以及矩形光斑），可控制加熱區(qū)域的溫度場(chǎng)分布，不僅能改善釬料的潤(rùn)濕鋪展，還能控制界面反應(yīng)。</p><p>　　（3）激光熔焊-釬焊</p><p>　　最近，采用激光熔焊-釬焊技術(shù)連接異種金屬的方法得到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)廣泛的關(guān)注。德國(guó)不萊梅應(yīng)用射線技術(shù)研究采用激光熔釬焊接方法，實(shí)現(xiàn)了鋁合金—鈦合金、鋁合金—低碳鋼薄板搭接接頭的連接。哈爾濱工業(yè)大學(xué)封小松等人采用激光熔釬焊方法，通過(guò)熔化填充

69、釬料實(shí)現(xiàn)了Al/Ti薄板對(duì)接接頭的連接。但焊接過(guò)程對(duì)工藝參數(shù)要求嚴(yán)格，接頭厚度不同位置的截面金屬間化合物的厚度和形態(tài)各不相同。上海交通大學(xué)丁健軍等人對(duì)AA6056鋁合金和XC18低碳鋼板的激光熔釬焊進(jìn)行了研究。他們的研究結(jié)果表明，適當(dāng)增加焊接溫度，可以提高鋁合金的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，但溫度高于鋼的熔化溫度是有裂紋傾向。</p><p>　　4.2銅鋼激光焊接的特點(diǎn)及激光深熔焊原理</p><p&g

70、t;<b>　　1、激光焊接的特點(diǎn)</b></p><p>　　與傳統(tǒng)焊接方法相比，激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是</p><p>　?。?）激光束能量密度極高，焊接速度快、效率高，工件熱影響區(qū)、變形小，深寬比大（最高可達(dá)12:1），焊接質(zhì)量好；</p><p>　?。?）可以通過(guò)透明介質(zhì)對(duì)密閉容器中的材料進(jìn)行焊接；</p><p&g

71、t;　?。?）可焊接難熔材料如：鈦、石英、金剛石等，并能對(duì)異性材料進(jìn)行焊接，效果良好；</p><p>　?。?）焊接方位極為靈活，可進(jìn)行全方位的焊接；</p><p>　?。?）可進(jìn)行微型焊接。激光束聚焦后可獲得很小的光斑，且精密定位，可應(yīng)用于大量自動(dòng)化生產(chǎn)的微、小型組件中；</p><p>　?。?）光纖的利用可對(duì)激光束實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，光束能按時(shí)間與空間分布，能

72、進(jìn)行分光束多工位加工，并且加工柔性好,自動(dòng)化程度高；</p><p>　?。?）與電子束焊接相比，焊接質(zhì)量相差不大，但激光焊不需要真空環(huán)境，保護(hù)氣成分、壓力可選擇，焊接不受電磁影響，不產(chǎn)生X射線</p><p>　　當(dāng)然，激光焊接也存在一些局限性：</p><p>　　（1）焊接裝配的精度要求高，焦點(diǎn)的位置和激光束的偏移量要求限制在很小的范圍內(nèi)；</p>

73、<p>　?。?）激光器及加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，一次性投資大。</p><p>　　2、激光深熔焊小孔的形成</p><p>　　如圖4-1所示，高功率CO2激光深熔焊接的基本特征是小孔形成和光致等離子體產(chǎn)生，當(dāng)激光功率密度達(dá)到106時(shí)，功率輸入遠(yuǎn)大于材料熱傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射散熱速率，材料表面發(fā)生氣化生成小孔，孔內(nèi)金屬蒸汽壓力與四周液體的重力、表面張力形成動(dòng)態(tài)平衡，激光可以

74、通過(guò)孔中折射傳到孔底，稱為“小孔效應(yīng)”。</p><p>　　在激光焊接過(guò)程中形成的等離子體實(shí)際上是一種羽團(tuán)狀閃光的高溫氣體物質(zhì)，它是由金屬蒸汽原子和原子簇、電子和正離子組成。工件表面低密度等離子體的存在有利于增加材料對(duì)激光的吸收，使激光能量傳輸效率提高；但是在高功率激光深熔焊接過(guò)程中，致密的等離子有時(shí)也會(huì)對(duì)入射激光產(chǎn)生強(qiáng)烈的屏蔽作用，嚴(yán)重影響深熔焊的進(jìn)行。</p><p>　　圖4-1激

75、光深熔焊接過(guò)程示意圖</p><p>　　如圖4-2所示，低功率密度激光作用在金屬工件表面時(shí)，材料對(duì)激光的吸收率很低，絕大多數(shù)激光能量反射。這一階段金屬材料對(duì)激光的吸收僅僅局限在表面。隨著激光作用時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬表面溫度逐漸升高，金屬表面逐漸熔化同時(shí)焊接深度也緩慢增長(zhǎng)。隨著激光功率密度的增加，表面金屬蒸汽蒸發(fā)量增加，這樣由于金屬蒸汽的蒸發(fā)而形成的對(duì)熔池壓力也增加，熔池下陷增加；同時(shí)下凹熔池表面的曲率半徑將減小。當(dāng)

76、功率增大到某一臨界值，材料的蒸發(fā)壓力將在在熔池中形成小孔，焊接深度將突變式的增長(zhǎng)，形成激光深熔焊接。汽化的金屬蒸汽在激光的作用下電離，電離的金屬以離子及電子蒸汽極大的促進(jìn)了激光能量的吸收。小孔內(nèi)部充滿了高密度的金屬蒸汽離子以及自由電子。小孔的存在極大的促進(jìn)了激光能量的吸收，小孔像一個(gè)黑體，幾乎吸收了全部的激光能量。</p><p>　　圖4-2激光與金屬材料作用的主要物理過(guò)程</p><p&g

77、t;　　（a）固態(tài)加熱（b）金屬表面熔化（c）稀薄的等離子體（d）深熔小孔和致密等離子體</p><p>　　3、深熔焊過(guò)程中的光致等離子體現(xiàn)象</p><p>　　等離子是指氣體粒子中至少有一部分離子化，從而由中性粒子、陽(yáng)離子、電子等聚合在一起所組成的氣體或蒸汽狀態(tài)。焊接過(guò)程中由于激光輻照金屬材料汽化而產(chǎn)生的光致等離子，稱為光致等離子體。激光深熔焊過(guò)程中，入射光束的能量密度較大，可以使得

78、熔化的金屬汽化，并在熔池中形成匙孔。在這一過(guò)程中，金屬表面和小孔內(nèi)噴出的金屬蒸氣及少量保護(hù)氣體中的起始自由電子通過(guò)吸收光子能量而被加速，直至有足夠的能量來(lái)碰撞蒸汽離子使其電離，此時(shí)電子密度便雪崩式增長(zhǎng)形成致密等離子體。</p><p>　　激光能量密度較低時(shí)，等離子體僅由金屬離子蒸汽組成，自由電子動(dòng)能不足，還不足以使金屬蒸汽原子產(chǎn)生雪崩式地電離，此時(shí)電子密度較低，停留在小孔的內(nèi)部或緊貼在熔池表面。這種穩(wěn)定的稀薄等

79、離子層的存在有助于激光與金屬材料的能量耦合。對(duì)于CO2激光與鋼的相互作用而言，稀薄的等離子體可以使工件對(duì)激光的吸收率由10%達(dá)到30%~50%。在高功率密度激光深熔焊接條件下，產(chǎn)生的等離子體的電子密度很高，形態(tài)為高亮的羽團(tuán)狀，它的存在和變化行為對(duì)于激光深熔焊接過(guò)程有著非常重要的影響。光致等離子體位于熔池和小孔的上方的光路上，其本身的物理特性使其對(duì)激光束有折射、散射和吸收作用。</p><p>　　（1）光致等離子

80、對(duì)激光束的吸收</p><p>　　等離子體通過(guò)多種機(jī)制吸收在其中傳播的激光束的能量，使其本身的溫度升高、電離度增大。吸收機(jī)制可分為正常吸收和反常吸收兩大類。正常吸收即為逆韌致吸收，是由電子—離子碰撞引起的，處在激光電場(chǎng)中的電子被激勵(lì)發(fā)生高頻振蕩，并且以一定的概率與粒子碰撞，把能量交給較重的粒子（離子、原子），從而使等離子體升溫的過(guò)程。反常吸收是指通過(guò)多種非碰撞機(jī)制，使激光能量轉(zhuǎn)化為等離子體波能量的過(guò)程。這些波能

81、量通過(guò)各種耗散機(jī)制轉(zhuǎn)化為等離子體的內(nèi)能，也會(huì)使等離子體升溫。</p><p>　　（2）光致等離子體對(duì)激光束的折射</p><p>　　由于電子密度的不均勻性，等離子體具有異常折射率性質(zhì)，使得入射激光束發(fā)散，使得激光束的實(shí)際焦點(diǎn)位置下移，如圖2-3所示。通過(guò)光譜分析和理論估算，在激光深熔焊中，等離子對(duì)激光的折射作用大大降低了作用在工件表面的激光能量密度。有研究人員將等離子體描述為一個(gè)負(fù)透鏡

82、，而等離子體對(duì)激光的折射作用則被稱為負(fù)透鏡效應(yīng)。</p><p>　　4.3深熔焊的主要影響因素</p><p><b>　?。?）激光功率密度</b></p><p>　　進(jìn)行深熔焊接的前提是聚焦激光光斑有足夠高的功率密度（＞106W/cm2），因而激光功率密度對(duì)焊縫成形有決定性影響。激光功率同時(shí)控制熔透深度與焊接速度，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)一定直徑的

83、激光束，熔深隨著激光功率的增加而增加，焊接速度隨著激光功率的增加而加快。由于功率高、焊接速度快，可以有效防止焊縫中氣體的聚集，有利于防止焊接區(qū)域形成和聚集氣體的不穩(wěn)定焊接截面。</p><p>　　對(duì)產(chǎn)生一定焊接熔深的激光功率似乎存在一個(gè)臨界值，達(dá)不到這個(gè)值時(shí)熔深會(huì)急劇減小。由于焊接速度不同，這個(gè)功率臨界值在0.8KW左右，一旦達(dá)到這一臨界值，熔池激烈沸騰。另外，由于金屬蒸汽的作用力，熔池內(nèi)形成小孔，正是這個(gè)小孔

84、導(dǎo)致深熔焊。</p><p><b>　　（2）材料本性</b></p><p>　　材料對(duì)光能量的吸收決定了激光深熔焊的效率，影響材料對(duì)激光的吸收率的因素有兩個(gè)方面：一是材料電阻系數(shù)，經(jīng)過(guò)對(duì)不同材料拋光表面的吸收率測(cè)量發(fā)現(xiàn)，材料對(duì)激光的吸收率與電阻系數(shù)的平方根成正比，而電阻系數(shù)又隨溫度的變化而變化；材料吸收光束能量后的效應(yīng)取決于材料的熱特性，包括熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、熔

85、點(diǎn)、汽化溫度、比熱和潛熱。例如，熔點(diǎn)高的金屬由于消耗的熱能大，遠(yuǎn)不如熔點(diǎn)低且熱導(dǎo)率也低的金屬容易焊接。二是材料的表面狀態(tài)對(duì)光束吸收率有較重要的影響，因而對(duì)焊接效果產(chǎn)生明顯作用。材料一旦熔化乃至汽化，它對(duì)光束的吸收將急劇增加。材料經(jīng)過(guò)不同的表面處理（如表面涂層或生成氧化膜），材料表面性能有了變化，從而影響對(duì)激光的吸收率。上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p><b>　?。?）保護(hù)氣體</b>

86、;</p><p>　　激光焊接中采用保護(hù)氣體的作用有兩點(diǎn)：一方面排除空氣，保護(hù)工件表面不受氧化；另一方面抑制高功率激光焊產(chǎn)生的等離子云。</p><p>　　通過(guò)增加電子與離子和中性原子三體碰撞來(lái)增加電子的復(fù)合速度，以降低等離子體中的電子密度。中性原子越輕，碰撞頻率越高，復(fù)合速度越高。氦氣最輕且電離能量高，作為保護(hù)氣體有最好的抑制等離子體效果，但氦氣很貴，通常采用氬氣或氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。

87、</p><p>　　利用保護(hù)氣體的流動(dòng)，將金屬蒸氣和光致等離子體從激光光路中吹出。保護(hù)氣體通過(guò)焊炬噴嘴以一定壓力射出到達(dá)工件表面，只要側(cè)吹的保護(hù)氣體可驅(qū)使金屬蒸汽從光束聚焦區(qū)強(qiáng)制移開(kāi)，不管使用什么類型的保護(hù)氣體，都可增加熔深。</p><p><b>　?。?）焊接速度</b></p><p>　　深熔焊時(shí)，焊接熔深與焊接速度成反比，在一定激

88、光功率下，提高焊接速度，線能量（單位長(zhǎng)度焊縫輸入能量）下降，熔深減少，因而適當(dāng)降低焊速可加大熔深。但速度過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)度熔化、工件焊穿的現(xiàn)象。所以，對(duì)一定激光功率和一定厚度的特定材料都有一個(gè)合適的焊接速度范圍，并在速度范圍內(nèi)獲得最大的熔深。</p><p><b>　?。?）焦點(diǎn)位置</b></p><p>　　深熔焊時(shí)，為了保持足夠功率密度，焦點(diǎn)位置至關(guān)重要。焦

89、點(diǎn)與工件表面相對(duì)位置的變化直接影響焊縫寬度和深度。只有焦點(diǎn)位于工件表面內(nèi)合適的位置，所得焊縫才能成平行斷面并獲得最大熔深。</p><p>　?。?）工件接頭裝配間隙</p><p>　　在深熔焊時(shí)，如果接頭間隙超過(guò)光斑尺寸，則無(wú)法焊接。但接頭間隙過(guò)小，有時(shí)在工藝上會(huì)產(chǎn)生對(duì)接板重疊，熔合困難等不良效果。接頭裝配間隙對(duì)薄板焊接尤為重要，間隙過(guò)大極易焊穿。慢速焊接可彌補(bǔ)一些因間隙過(guò)大而帶來(lái)的焊

90、縫缺陷，而告訴焊接使焊縫變窄，對(duì)裝配間隙的要求更為嚴(yán)格。</p><p>　　4.4銅鋼異種材料激光焊接的焊接性分析與工藝設(shè)計(jì)</p><p>　　銅和鋼因?yàn)樵谖锢硇阅芎突瘜W(xué)性質(zhì)上存在著差異，其焊接性不同于同種材料。對(duì)銅鋼異種材料焊接性的分析有利于焊接工藝的制定，從而獲得優(yōu)質(zhì)的銅鋼異種材料焊接接頭。</p><p>　　1、銅和鋼的焊接冶金反應(yīng)</p>

91、<p>　　對(duì)比銅與鐵元素的各種性能參數(shù)（表4-1和表4-2）可以看出，在高溫下，它們的原子半徑、晶體類型、晶格常數(shù)、原子外層電子屬等比較接近，這些都是實(shí)現(xiàn)鋼與銅及銅合金之間焊接的有利因素。但是這兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)等又存在較大的差異，容易在焊接接頭中產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致各種焊接裂紋，這又對(duì)獲得優(yōu)質(zhì)接頭非常不利，造成焊接困難。</p><p>　　表4-1 Fe和Cu的物理性能</

92、p><p>　　表4-2 Fe和Cu的化學(xué)性能</p><p>　　鐵與銅在液相中能夠相互無(wú)限固溶，在固態(tài)下為有限固溶。圖4-3是Fe-Cu二元合金相圖。由圖可知，銅在 鐵中的最大溶解度為6.5%，在 鐵中為8%，溫度為850℃時(shí)，在 鐵中的溶解度1.4%。在室溫平衡條件下，銅在鐵中的溶解度小于0.3%。在溫度為1094℃時(shí)，鐵在銅中的溶解度為4%，在760℃是為0.46%，在650℃時(shí)為0.

93、2%。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時(shí)，鐵在銅中的溶解度無(wú)明顯變化。應(yīng)該指出，鋼中的碳能略微減少銅在鐵中的溶解度，而硅和錳能提高銅在鐵中的溶解度。</p><p>　　圖4-3 Fe-Cu二元合金相圖</p><p>　　由鐵與銅二元相圖還可以看出，在室溫平衡條件下，銅的含量小于0.3%時(shí)，其組織為銅在鐵中的固溶體 ；鐵的含量小于0.2%時(shí)，其組織為鐵在銅中的固溶體 ；在所有其他鐵和銅含量的情況下，組織

94、為 的混合物。由此可見(jiàn)，在鋼與銅或與銅合金的焊縫中，不存在不熔合的間層，其組織主要是由 組成，所以鋼與銅或與銅合金可采用各種焊接方法進(jìn)行焊接。</p><p>　　2、銅和鋼異種材料的焊接性分析</p><p>　　銅與鋼的焊接主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：</p><p>　?。?）焊縫容易產(chǎn)生熱裂紋</p><p>　　熱裂紋是指在較高溫度下產(chǎn)生

95、的裂紋。大部分熱裂紋是在固、液相線溫度區(qū)間產(chǎn)生的結(jié)晶裂紋，也有少量是在稍低于固相線溫度時(shí)產(chǎn)生的。焊接鋼與銅或銅合金時(shí)，焊縫區(qū)容易產(chǎn)生熱裂紋。熱裂紋主要是由焊縫中的低熔點(diǎn)共晶體、組織狀態(tài)以及焊接應(yīng)力造成的。</p><p>　　由于在碳鋼、高強(qiáng)鋼、不銹鋼和銅以及各種銅合金中，含有合金元素（如Ni，Si，V等）和雜質(zhì)（如O，S，P等），因此在焊接過(guò)程中能形成各種低熔點(diǎn)共晶體和脆性化合物，容易產(chǎn)生偏析。氧在銅中的溶解度

96、比在鋼中小，高溫時(shí)主要是以CuO，Cu2O和FeO的形式存在。在溫度為1200-1065℃冷卻時(shí)，能從銅液中析出Cu2O，并與銅形成（Cu+Cu2O）共晶體（共晶點(diǎn)為1065℃），分布于脆性溫度范圍。當(dāng)含P量大于0.6%時(shí)，焊縫中會(huì)出現(xiàn)Cu3P脆性化合物。如銅或銅合金中含有鉛和鉍時(shí)，焊縫中能形成（Cu+Bi）共晶體（共晶點(diǎn)為270℃）和（Cu+Pb）共晶體（共晶點(diǎn)為326℃）。</p><p>　　焊接碳鋼與銅或

97、與銅合金時(shí)，焊縫中易形成FeS（熔點(diǎn)為1189℃），F(xiàn)eP（熔點(diǎn)為1050℃）和（Fe+FeS）共晶體（共晶點(diǎn)為985℃）。高強(qiáng)鋼與不銹鋼與銅或與銅合金焊接時(shí)，焊縫中容易形成Ni3S2（熔點(diǎn)為644℃），NiP（熔點(diǎn)為880℃）和（Ni+Ni3S2）共晶體（共晶點(diǎn)為625℃）。這些化合物和低熔點(diǎn)共晶體，嚴(yán)重地削弱了金屬在高溫時(shí)的晶間結(jié)合力，焊縫區(qū)容易產(chǎn)生熱裂紋。</p><p>　　另外，銅及銅合金無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

98、，焊縫中易生成大量的柱狀晶，且銅及銅合金的線膨脹系數(shù)比鐵大，而且導(dǎo)熱性能好，所以焊接鋼與銅或銅合金時(shí)，常采用較大的焊接熱功率，因此熱影響區(qū)增寬，使焊接接頭承受較大的拉應(yīng)力。</p><p>　　綜上所述，低熔點(diǎn)共晶體在焊縫晶粒間形成液態(tài)薄膜，是產(chǎn)生熱裂紋的根本原因；焊縫中存在拉應(yīng)力，則是產(chǎn)生熱裂紋的必要條件。</p><p>　　（2）近縫區(qū)產(chǎn)生滲透裂紋</p><p&

99、gt;　　焊接鋼與銅或與銅合金是，近縫區(qū)產(chǎn)生滲透裂紋的主要原因是由液態(tài)銅或銅合金對(duì)鋼有滲透作用和拉應(yīng)力作用造成的。當(dāng)焊縫開(kāi)始冷卻時(shí)，會(huì)在焊接接頭中產(chǎn)生拉伸塑性變形，并隨著不斷冷卻而增大。另外，在結(jié)晶過(guò)程中，金屬組織往往存在缺陷，因此在鋼的結(jié)晶表面上，就會(huì)產(chǎn)生微觀裂口。這時(shí)處于液態(tài)的銅或銅合金，容易浸潤(rùn)微觀裂口的表面，并在毛細(xì)管效應(yīng)的作用下，滲入微觀裂口中。</p><p>　　在整個(gè)滲透過(guò)程總，還伴隨有鋼在銅或銅

100、合金液體中的溶解和銅或銅合金沿鋼的晶界進(jìn)行擴(kuò)散的過(guò)程。進(jìn)入微觀裂口中的銅或銅合金沿晶界繼續(xù)滲透，使晶界的表面能降低，如Fe -Cu液晶界上的表面能大約比Fe -Fe 晶界上的表面能低兩倍。因此與銅或銅合金液體相接觸的晶界強(qiáng)度降低。另外，滲入鋼中的銅或銅合金液體，對(duì)微觀裂紋壁能產(chǎn)生一個(gè)附加壓力，其壓力值可到24.5Mpa。這樣，在拉應(yīng)力的共同作用下，近縫區(qū)很容易產(chǎn)生滲透裂紋。</p><p><b>　　

101、（3）氣孔傾向嚴(yán)重</b></p><p>　　按照產(chǎn)生氣孔的氣體來(lái)源，焊縫中的氣孔可以分為析出型氣孔和反應(yīng)型氣孔</p><p><b>　　1）析出型氣孔</b></p><p>　　因溶解度差而造成過(guò)飽和狀態(tài)的氣體析出所形成的氣孔，稱為析出型氣孔。熔化焊接銅及銅合金時(shí)，出現(xiàn)氣孔的傾向比低碳鋼要大得多，所形成的氣孔幾乎分布在焊縫

102、的各個(gè)部位。氣孔的形成主要與氫、氧和氮在銅中的熔接有關(guān)，而且熔池凝固時(shí)間短也加劇了氣孔的形成傾向。</p><p>　　氫在銅中的溶解度隨溫度升高而增大，且在銅的液-固轉(zhuǎn)變時(shí)有一突變。在高溫熔池中，氫在液態(tài)銅中的極限溶解度（銅被加熱到2130℃蒸發(fā)前的最高溶解度）與熔點(diǎn)時(shí)的最大溶解度之比為3.7，而鐵僅為1.4，因而銅焊縫結(jié)晶時(shí)氫的過(guò)飽和氣體來(lái)不及逸出，從而殘留在焊縫中形成氣孔。</p><p

103、><b>　　2）反應(yīng)型氣孔</b></p><p>　　熔池中除外部入侵而熔入的氣體氫之外，還會(huì)由于冶金反應(yīng)而生成所謂反應(yīng)性氣體，這類氣體主要是一氧化碳、水蒸氣，均為根本不溶于金屬的氣體。由這類反應(yīng)性氣體所造成的氣孔，稱為反應(yīng)型氣孔。</p><p>　　當(dāng)銅中含有氧時(shí)，在高溫下能形成溶于液態(tài)銅的Cu2O，但熔池從高溫降到1200℃時(shí)，Cu2O開(kāi)始從液態(tài)銅中析

104、出，并與溶解在液態(tài)銅中的氫發(fā)生如下反應(yīng)</p><p>　　Cu2O+H2=2Cu+H2O↑(2-1)</p><p>　　生成不溶于銅的水蒸氣，由于熔池結(jié)晶速度快來(lái)不及逸出而形成水氣孔。</p><p>　?。?）難以熔化及成形</p><p>　　焊接銅及銅合金時(shí)，當(dāng)采用與同厚度低碳鋼一樣的焊接參數(shù)時(shí)，母材就很難熔化，這與銅及銅合金的熱物

105、理性能有關(guān)。由表2-1可見(jiàn)，銅的導(dǎo)熱系數(shù)比鐵大7-11倍，厚度越大，散熱越快，越難達(dá)到熔化溫度，熱影響區(qū)也寬。采用能量密度低的焊接熱源進(jìn)行焊接時(shí)，需要進(jìn)行高溫預(yù)熱。采用氬弧焊接，必須采用強(qiáng)規(guī)范才能熔化母材，否則需要高溫預(yù)熱后才能進(jìn)行焊接。然而，銅在達(dá)到熔化溫度時(shí)，其表面張力比鐵小1/3，流動(dòng)性比鐵大1~1.5倍，因此采用大電流的強(qiáng)規(guī)范焊接時(shí)，焊縫成形難以控制。銅的線膨脹系數(shù)也較大，收縮率約比鐵大一倍以上，因此焊接變形大。</p&g

106、t;<p><b>　?。?）接頭性能下降</b></p><p>　　銅及銅合金在熔焊過(guò)程中，由于晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，雜質(zhì)及有害元素的摻入，有益合金元素的氧化、蒸發(fā)等，使接頭性能發(fā)生很大變化。</p><p>　　塑性嚴(yán)重變壞——焊縫與熱影響區(qū)晶粒變粗、各種脆性的易熔共晶出現(xiàn)于晶界，使接頭的塑性和韌性顯著下降。</p><p>　　導(dǎo)

107、電性下降——銅中任何元素的摻入都會(huì)使其導(dǎo)電性下降。因此，焊接過(guò)程中雜質(zhì)和合金元素的熔入都會(huì)不同程度地降低接頭的導(dǎo)電性能。</p><p>　　耐蝕性能下降——銅合金的耐蝕性能是依靠鋅、錫、錳、鎳、鋁等元素的合金化而獲得的，熔焊過(guò)程中這些元素的蒸發(fā)和氧化燒損都會(huì)不同程度地使接頭耐蝕性下降。焊接應(yīng)力的存在則使對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感的高鋅黃銅、鋁青銅和鎳錳青銅的焊接接頭在腐蝕環(huán)境中過(guò)早地破壞。</p><p

108、><b>　　3、焊接工藝設(shè)計(jì)</b></p><p>　　通過(guò)對(duì)銅鋼異種材料焊接冶金和焊接性的分析，焊接工藝的設(shè)計(jì)從控制銅的熔化量、坡口設(shè)計(jì)和母材預(yù)熱三個(gè)方面入手。</p><p>　　（1）銅的熔化量的確定</p><p>　　純銅－碳鋼異種材料激光對(duì)接焊接時(shí)，如果采用通常的焊接方法，即激光束在紫銅和碳鋼的對(duì)接縫上，兩種母材金屬同時(shí)熔