铜与铝、钢异种金属焊接工艺设计

河南机电高等专科学校毕业论文毕业论文题目：铜与铝/ 钢异种金属焊接工艺设计系 部 材料工程系 专 业 焊接技术及自动化 班 级 焊接 123班 学生姓名 学 号 1213033 指导教师 周慧琳 2015 年 4 月 29 日铜 与 铝 /钢 异 种 金 属 焊 接 工 艺 设 计 摘要近年来,随着生活水平的不断提高,人类生活的各个方面已经越来越离不开电冰箱和空调器等制冷设备的使用。制冷设备中,换热器的性能直接影响设备的制冷性能。国内外制冷设备管路系统中的蒸发器和冷凝器采用铝管代替铜管己成趋势。但铜管在一些制冷管路构件中仍是不可替代的,近年来铜价攀升和铜资源的短缺，然而铝/钢的资源较丰富，可以成为铜的很好的替代材料。因此必然带来铜铝/钢管连接问题。而铜与铝/钢性能差异较大,焊接时存在多种问题。铜铝/钢属于异种金属，焊接过程中易形成脆性相，影响接头性能。因此，焊接问题成为阻碍铜铝/钢管应用的一个很大问题。本文通过分析异种合金的物理、化学性能差异，了解了异种合金焊接性特点以及容易出现的焊接缺陷，列举和介绍了常用的几种铜与铝焊接方法的基本原理和焊接规范。本文对于铜与钢的焊接做出了新的焊接工艺设计，通过用激光对铜钢接头进行焊接，缩短了焊接时间，优化了焊接性能，使焊接热输入量更加容易且精准的控制，能够更易得到较好的接头。关键词： Cu/Al 管；Cu/Fe 管，电阻压焊；钎焊，激光焊铜 与 铝 /钢 异 种 金 属 焊 接 工 艺 设 计 AbstractIn recent years, with the continuous improvement of living standards, every aspect 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 directly influence the equipment.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 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 copper. So it will inevitably bring about the copper and aluminum / steel connection problems.Copper and aluminum / steel performance differences, there are many problems in welding. Aluminum / steel 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.In this paper, 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 used are copper and aluminum introduced welding method and welding specification.In this paper, the welding of copper and steel making process design of new welding, the joint of steel and copper by 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.Keywords: Cu/Al; Cu/Fe pipe, electric resistance pressure welding; brazing, laser welding目录1 绪论 .12 异种金属焊接性 .32.1 异种金属性能差异及影响 .32.1.1 物理性能的差异 .32.1.2 结晶化学性能的差异 .32.1.3 材料的表面状态 .42.2 影响异种金属焊接的主要因素 .53 铜铝焊接性分析及常用焊接方法 .73.1 铜铝性能比较 .73.2 铜与铝焊接时存在的主要问题 .83.2.1 铜铝焊接时的氧化问题 .83.2.2 铜与铝的裂纹问题 .83.2.3 铜与铝的气孔问题 .93.3 铜铝常用焊接方法 .104.铜钢激光焊接 .144.1 激光焊接在异种材料焊接中的应用 .144.2 铜钢激光焊接的特点及激光深熔焊原理 .154.3 深熔焊的主要影响因素 .184.4 铜钢异种材料激光焊接的焊接性分析与工艺设计 .194.5 试验方案及内容 .264.6 试验材料 .274.7 焊接试验 .274.8 焊缝内缺陷产生原因分析 .284.9 铜的熔化量对焊缝拉伸力学性能及组织的影响 .305 结论 .32致谢 .33参考文献 .341 绪论随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，近年来我国制冷行业得到了迅速发展，空调器、冰箱以及其它制冷产品的需求量越来越大，产量逐年增加。这一点河南机电高等专科学校毕业设计论文2从表 1-1 列出的我国近几年来家用电冰箱和空调器的总产量可以看出。目前，从生产能力看，中国已成为世界空调器第一大产出国。各种制冷设备不仅给人们生活带来便利，在化工、医疗、食品及科研等许多方面也离不开它们的身影。表 1-1 我国家用电冰箱和房间用空调器近几年的总产量（单位：万台）年份 电冰箱产量 比上年增加 房间空调器产量 比上年增加2009 5584.9 8153.27 2010 7055.2 26.30% 10287.8 20.70%2011 8699 20.33% 13745 24.59%2012 8427.05 -3.14% 12650 -7.95%2013 9340.6 10.60% 14332.9 11.6制冷设备中比较有代表性的就是电冰箱与空调器，以此为例说明制冷设备的基本结构。电冰箱应具备制冷、保温、控温三项基本功能，因此所有的冰箱在整体结构上都具有与之相应的三个组成部分，即制冷系统、电器控制系统、箱体及隔热保温系统。空调器与电冰箱相似，主要由制冷系统、空气循环系统、电控系统以及箱体组成。制冷系统是制冷设备的最重要组成部分，除了包括压缩机和节流机构外，主要是一些换热设备，如蒸发器、冷凝器和回热器等。这些换热设备统称为制冷换热器。在制冷系统中，换热器的性能直接影响设备的制冷性能。与压缩机相比，制冷换热器的金属消耗量大，体积大，它的重量要占整个设备重量的 50%70%，它所占据的空间直接影响设备的体积大小。所以，设计结构紧凑、传热性能良好的换热器对于减轻整个装置的重量和体积具有现实意义。在性能方面铝的导热率接近铜，实验证明铝代铜作制冷管路可以满足制冷性能的要求。而且铝的导热率比铜小（铝 2.34、铜 3.97，单位：W/cm）,铝代铜可以减少温度的散失，提高保温效果，更易达到节能的目的。从材料性能上看，铝管的韧性高，比铜管更易弯曲，便于安装。而且铝的比重小，可以减轻机械构件的质量，铝的市场价格也比铜低，所以用铝代铜不仅可以明显地降低制冷设备的制造成本，而且不降低冰箱性能，同时还可以减少由于铜管而带来的蚁巢腐蚀问题，因此铝代铜已成为一种趋势。在成本方面，全铝代铜是一个很好的方案，但它本身存在很多的局限性。一方面铜管在一些制冷管路构件中仍是不可替代的，如干燥过滤管、毛细管、压缩机三管等，还是要采用铜管制作；另一方面制冷管路系统由许多部件组成，有许多接头需要连接，而铝管手工钎焊技术难度较大，全部采用铝管，不单是售后维修人员无法完成故障件河南机电高等专科学校毕业设计论文3的维修，即便是冰箱总装生产线，也不容易实现优质高效的焊接生产。另外，一些制冷产品的管接头是靠机械密封完成的，如分体空调器内外机连机管就是螺帽压紧实现密封，显然采用铜管的机械密封性能也优于铝管的机械密封性能。这样，在制冷管路中又有铝管又有铜管，必然带来铜、铝的连接问题。2 异种金属焊接性制冷管路的质量要求很高，而铜铝/钢焊接存在很多困难，导致目前正在采用的铜铝/钢管接头很多不符合制冷系统的致密性和洁净度要求。铜铝/钢焊接属于异种金属焊接，比同种金属焊接要困难得多。所谓焊接性就是指金属材料对焊接加工的适应性和焊后使用时安全可靠运行的能河南机电高等专科学校毕业设计论文4力，也就是指在一定的焊接工艺条件下，金属材料获得优质焊接接头的难易程度。理想的焊接性就是对材料的冷、热裂纹，再热裂纹和氢诱裂纹均不敏感，在热影响区无脆化问题。金属焊接性具体含义包括两个方面内容：第一是接合性能。接合性能是指金属材料在给定的焊接工艺条件下，形成完整焊接接头的能力。焊接生产中，常用接合性能评定焊接接头缺陷的敏感性，以便提出防止焊接缺陷的措施。第二是使用性能。使用性能是指金属材料在焊接以后，接头在长期使用条件下适用使用要求的程度。焊接生产中，常用使用性能评定焊接接头能否满足技术条件的要求，以便提出改进技术条件的方案。2.1 异种金属性能差异及影响异种金属在给定的焊接工艺条件下，能否形成优质焊接接头主要取决于被焊金属的物理性能、结晶化学性能的差异和材料的表面状态。2.1.1 物理性能的差异两种材料物理性能的差异主要是指熔化温度、线膨胀系数、热导率和比电阻等的差异，将影响焊接的热循环过程、结晶条件，降低焊接接头的质量。当异种材料热物理的较大差异会使熔化情况不一致时，就会给焊接造成困难；线膨胀系数相差较大时，会造成接头较大的焊接残余应力和变形，易使焊缝及热影响区产生裂纹。异种材料电磁性相差较大时，则使焊接电弧不稳定，焊缝成形不好甚至形成不了焊缝。2.1.2 结晶化学性能的差异结晶化学性能的差异主要是指晶格的类型、晶格常数、原子半径、原子的外层电子结构等的差异，也就是通常所说的“冶金学上的不相容性” 。两种被焊金属在冶金学上是否相容，取决于它们在液态和固态时的互溶性以及这两种材料在焊接过程中是否产生金属间化合物（脆性相） 。在液态下两种互不相溶的金属或合金一般不能用熔化焊的方法进行焊接，如铁与铅、铅与铜等。因为这类异种材料组合从熔化到冷凝过程中极易分层脱离而使焊接失败。只能在液态和固态下都具有良好互溶性的异种金属或合金，才能在熔焊时形成良好的焊接接头。一般说来，当两种金属的晶格类型相同，晶格常数、原子半径不超过 10%15%,电河南机电高等专科学校毕业设计论文5化学性能的差异不太大时，溶质原子能够连续固溶于溶剂，形成连续固溶体；否则易形成金属间化合物，使焊缝性能大幅度降低。研究表明能够形成连续固溶体的异种材料具有良好的焊接性。焊接互溶性有限的两种金属或合金时，能否防止裂纹的产生主要取决于结晶条件。材料的相变性质以及受力状态。因此，当采用的冶金措施和焊接工艺尚不足以克服因互溶性差造成的焊接困难时，就会影响这两种材料的焊接性。有限的溶解度有时会形成金属间化合物或使过饱和固溶体的剩余成分析出，从而降低接头的性能。为了改善异种材料的焊接性，对不能形成无限固溶体的异种金属和合金，可在两种被焊材料之间加入过渡层合金，所选择的过渡层合金应该满足与两种被焊金属均能形成无限固溶体的要求。2.1.3 材料的表面状态材料的表面状态是很复杂的,表面氧化层(氧化膜)、结晶表面层吸附的氧离子和空气分子水油污杂质等状态，都直接影响异种材料的焊接性，必须给予充分的重视。在生产实践中，往往由于表面氧化膜和其他吸附物的存在给焊接带来极大的困难。此外，焊接异种材料时，必定会产生一层成分组织及性能与母材不同的过渡层，过渡层的性能会给焊接接头的整体性能带来重大的影响，处理好异种材料焊接的过渡层对于获得满意的焊接质量至关重要。过大的熔合比，会增加焊缝金属的稀释率，使过渡层更为明显；焊缝金属与母材的化学成分相差越大，熔池内金属越不容易混合，过渡层越明显；熔池内金属液态存在的时间越长，越容易混合均匀。所以，焊接异种材料时需要采取相应的工艺措施来控制过渡层，以保证接头的性能。2.2 影响异种金属焊接的主要因素（l）异种金属的熔点相差越大，越难进行焊接。焊接熔点相差很大的异种金属，由于熔点低的金属达到熔化状态时，熔点高的金属仍呈固态，因此已熔化的金属容易渗入过热区的晶界，使过热区的组织性能降低。当熔点高的金属熔化时，势必造成熔点低的金属流失，合金元素的烧损和蒸发。因此，焊接接头难以焊合。铝的熔点比铜低 400 多度，易造成铝先熔化，液体铝流溢，铜不熔化。（2）异种金属的线膨胀系数相差越大，越难进行焊接。由于线膨胀系数越大，金属热膨胀率越大，冷却时的收缩率也越大；相反，则反之。因此，在异种金属的熔池结晶时，会产生很大的热应力。焊缝两侧金属承受的应力状态不同，容易使焊缝及热河南机电高等专科学校毕业设计论文6影响区产生裂纹，甚至导致焊缝与母材剥离。目前，在生产中常用焊前将膨胀系数小的金属预热，或者加中间金属过渡接头的措施来克服这一困难。铝的线膨胀系数比铜高约 50，所以焊接冷却时会产生很大的应力，导致上述现象的发生。（3）异种金属的导热率和比热相差越大，越难进行焊接。金属的热导率和比热能改变焊缝的温度场和结晶条件，并影响难熔金属的润湿性能。此外，异种金属的导热率和比热相差越大，越易使焊缝的结晶条件变坏，晶粒粗化严重。因此，对热导率和比热相差大的金属，应采用强力热源进行焊接，焊接时热源的位置应移向导热性好的母材一侧。铝的热容量及熔化潜热大，熔化时所需的热量比铜多，因而要实现其间的焊接难度大。（4）异种金属的电磁性相差越大，越难进行焊接。电磁性相差越大，焊接电弧越不稳定，焊缝成形越容易变坏。（5）异种金属的氧化性越强，越难进行焊接用熔焊法焊接铜与铝时，在熔池中极易形成铜和铝的氧化物（CuO、Cu 2O、Al 2O3） 。冷却结晶时存在于晶粒间晶界的氧化物能使晶间结合力降低。而且，形成的 Al2O3 熔点高达 2030，难以清除，形成 Al2O3夹杂，影响接缝性能。此外，CuO 和 Cu2O 均能与铜形成低熔点共晶（Cu+CuO 和Cu+Cu2O） 。这些低熔点共晶体存在于晶界上，能使焊缝产生夹杂和裂纹，显著降低焊缝强度和塑性。（6）异种金属之间形成金属