（光学工程专业论文）黄铜与紫铜及黄铜与低碳钢异种金属的激光焊接.pdf

摘要 摘要 本论文采用高功率激光加工系统，针对两个具体的- 程应用实例，对黄铜与紫铜、黄铜 与低碳钢异种金属的激光焊接进行了全面系统的研究。首先，对黄铜的激光焊接性进行了深 入的研究。测定了黄铜的激光深熔焊接阈值。通过改变焊接速度、离焦量和保护气氛，研究 了各种不同- 【艺参数对焊缝成型的影响以及各工艺参数与熔深、熔宽的关系。其次，对黄铜 与紫铜异种金属的激光搭接焊接工艺进行研究。最后，采用激光深熔钎焊新方法，对黄铜与 低碳钢异种金属对接接头的连接进行实验研究。 黄铜与紫铜异种金属组合，采用激光搭界焊的连接方法，聚焦激光作用在接头外侧( 黄 铜一侧) 形成深熔焊接熔池，激光能量穿透黄铜管与紫铜管相互作用形成搭接头。为满足黄 铜与紫铜组合= 程应用在保证焊接接头强度基础上尽可能的提高加- 效率的前提下，详细分 析了不同的焊接速度，不同厚度组合等 艺参数对焊缝成型，焊缝组织和接头力学性能的影 响。研究结果表明：在合适的工艺参数下，可以得到外观成型均匀一致、焊缝与母材形成了 良好的冶金结合的焊缝。当焊接速度为2 0 咖s ，黄铜管壁厚1 1 m 时，焊后式样经爆破实 验强度测试，断裂强度达2 6 4 b ”。 黄铜与低碳钢异种金属组合，提出了激光深熔钎焊的连接方法。即聚焦激光作用在接头 黄铜一侧形成深熔焊接熔池，熔化的黄铜浸润碳钢界面形成接头。因此，黄铜一侧为深熔焊， 碳钢一侧为钎焊。采用光学显微镜、扫描电镜、x 射线能谱分析对焊缝成形和接头界面进行 观察，碳钢母材与焊缝的界面形成了良好的冶金结合，相互作用区的宽度约为3 岫。显微硬 度结果表明焊缝硬度值高于黄铜母材。经爆破实验测试，断裂发生在黄铜母材一侧，表明黄 铜与钢的激光深熔钎焊接头力学性能满足工业使用要求。 关键词：激光焊接：激光深熔钎焊：黄铜：紫铜：低碳钢 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i 挪料b mw e l d i n go fd i s s i m i l 缸m c t a l s 咖咖c o p p 盯锄db 糟辩勰w e n 嬲b 碍s s 锄dl o w c a r b s t 1w 雒s m d j e d 璐i n gah i g hp o 哪n d ：y a gl a s 贯i nm i st l e s i 8 f 缸t l y ，山el a s e f 、e l d a b i l 时鳓d 吐地n l i 弓s h o i df o f1 a s e rd 唧p e i i e 魄蛔、阳l d i n go f b r a s 8h p b 5 9 w e r ee x p l 删i i i t h e 麟p e f i 咖忸t h ei l l n u 锄湍o f m ep a m m e i e r 3 ，、c l d i i l gs p e 。d d c f b c 瑚i l l gm s t a n 柚d s h i e l d i i i gg 赫，t oi h ew e l df b r n l a l i ，t h ed 印ma n dm e 谢d t l i w 髓em v 嚣t i g a t e dt 。日s e c o n d l y m e 1 a s c fw e l d 协g p 埘黼s “n l e l a p j o 缸tb c 懈锄lc o 坤廿卸d b | a s sw a s s n l d j 。d ，f h a l l y ，幽eb c h a 惦o r o ft h eb u n j o i n tb t ：t v 唧b r a s sa n d l o wc 牡b o ns t c db yl 硒e rp 咖t i o nh a z i n gw 都c 髑t e d 。km e l a s 霄w e l d i n g 懿p e r i m 朗to fc o p p 口柚db f 瑚，t h ep f 0 c l e 龉o ft l i el 印j o i i i tw a sa d o p t e d t h e f b c 删l 黔盯b 糊w 鲢i 姐湎a t e da t l h eb r 晒ss i d e t o f b n n m e w c l d w i m t h ed c e p 弘m 髓r a t i o n c i i a r a c 旭r 蚰dm e 印l p l 衲gi n t e 岫晦o f 璩j o 毗 f o rs 撕s f y i n gt l l ee n g i n 。e r i n g q u i 删锄协，“w 嬲d o l l ei l it h es m d i 岱l h a tm ee f f 酏协o f d i 伍枷tw e 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n i 删c o p 岛s e m 锄de d s 1 1 1 e 他铋l 担s h o wm a tm c e l e 【n 肌cd i m 画o na d 1 u 廿o na tt h ei n 椭c c0 j c 叫柏dt h em 删l u 堤j c a lb d i n gb 时i 嘲ib r 豁s w e l da n ds t l i sg o t c 衄t h ew i d mo f 山ei i l t e m c t i o nl a y 凹i sa b o u t3 p m 1 1 圮h a r d n 鼯so f m eb r a 龉 w e l d i sh i g l i 盯t l i 柚曲to f t h eb r i 璐鲫b s 仃a t c 1 1 l e f a i l u o c c i 璐a t m e p a no f t h e 雠琊b s t r a t e i nf h eb u 话石n gc e s t o 。n s 姐u 曲虹a l l 舅c h cw d d j o i n to fb r a 韶粕ds 鼬li s 跚i 纽b l ef 缸e n g i l l r i n g a p p i i c a t i o n k e y w o r d s ：i 嚣盯b 明mw e l d i l l g ；l 嬲e rp c l l e h 毽t i 彻b m z j n g ；b f a s s ；c o p p e cl o wc a r b 她l i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名乏坟孔 签名：f 垒丝丑二日期：堂：! ! 。巧 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：缝垦墨导师签名：咂鱼至日期：尘! 二玎 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 铜是人类祖先最早应用的金属。它具有许多优异的特性和奇妙的功能，不但 为人类社会的进步作出了不可磨灭的贡献；而且随着人类文明的发展不断开发出 新的用途。铜既是一个古老的金属，又是一个充满生机和活力的现代工程材料。 当前人类步入了丰富多彩的、以电气化和电子信息为特征的、高度文明的社会， 为铜的应用开辟了更为广阔的天地。铜以品种繁多的金属、合金和化合物的形式 被人们利用，业已深深地渗入到生产和生活的各个方面，成为人类2 1 世纪取得 飞速发展的一个不可缺少的重要金属。 具体说来，铜及铜合金具有以下性能特点【l l ： 优异的物理化学性能。纯铜导电性、导热性极佳，许多铜合金的导电、 导热性也很好；铜及铜合金对大气和水的抗腐蚀能力也很高；铜是抗磁性物质。 良好的加工性能。铜及某些铜合金塑性很好，容易冷、热成型；铸造铜 合金有很好的铸造性能。 特殊的机械性能。例如优良的减摩性和耐磨性( 如青铜及部分黄铜) ；高 的弹性极限及疲劳极限( 铍青铜等) 。 以铜为基加入一定量的其他元素组成的合金可提高合金的强度，并保持良好 的加工性能。传统上根据金属的颜色和成分，铜及铜合金可分为纯铜、黄铜( 铜 - 锌合金) 、青铜( 铜一锡合金、铜铝合金等) 、白铜( 铜镍合金) 四大判2 】。 黄铜是铜锌二元合金1 3 ，4 】。a 相是锌溶于铜中的固溶体，其溶解度随温度的下 降而增大。a 相具有面心立方晶格，塑性好，适于进行冷、热加工，并有优良的 铸造、焊接和镀锡能力。b7 相是以电子化合物c l 】z n 为基的有序固溶体，具有 体心立方晶格，性能硬而脆。黄铜的含锌量对其机械性能有很大的影响。当z n 3 0 3 2 时，随着含锌量的增加，强度和延伸率都升高，当z n 3 2 后，组 北京工业大学工学硕士学位论文 织中出现口相，塑性开始下降，而强度在z n = 4 5 附近达到最大值。含z n 更 高时，黄铜的组织全部为b 相，强度与塑性急剧下降。 黄铜分为单相黄铜和双相黄铜两种类型，从变形特征来看，单相黄铜适宜于 冷加工，而双相黄铜只能热加工。常用的单相黄铜牌号有h 8 0 、h 7 0 、h 6 8 等， “h ”为黄铜的汉语拼音字首，数字表示平均含铜量。它们的组织为a ，塑性很 好，可进行冷、热压力加工，适于制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的 深冲零件。而常用双相黄铜的牌号有h 6 2 、h 5 9 等，退火状态组织为a + b 。 由于室温b 相很脆，冷变形性能差，而高温b 相塑性好，因此它们可以进行热 加工变形。通常双相黄铜热轧成棒材、板材，再经机加工制造各种零件。图1 一l 所示为单相黄铜与双相黄铜的金相组织。 单相黄铜h 6 8双相黄铜h 5 9 图1 1 黄铜金相图 f i g 1 1m i c r o g r a p ho f b r a 表1 1 给出了常用黄铜的牌号、成分、性能和用途。可见黄铜以其独特而 优越的综合性能在现代工程制造业中正得到广泛的应用。近年来，随着结构轻型 化，结构功能一体化和低成本设计与制造的发展，综合利用不同材料的性能优势， 将具有不同特性的材料组合在一起使用已经越来越受到重视。黄铜紫铜异种金 属支撑的结构，一方面兼顾了黄铜易于熔铸加工和优良的机械性能，一方面又兼 顾了紫铜良好的塑性和导热性；而黄铜低碳钢异种金属支撑的结构，一方面兼 顾了黄铜优良的导热性和机械性能，一方面又兼顾了低碳钢良好的塑性和韧性。 连接是材料制成零部件和结构时的一种必不可少的重要加工手段。但是，由于黄 铜与紫铜、黄铜与低碳钢在物理、冶金、化学性质等方面存在较大的差异，传统 一2 一 第1 章绪论 的焊接方法不能适应越来越多的黄铜与紫铜、黄铜与低碳钢组合的要求。因此， 为满足现代社会和科学技术发展不断增长的对黄铜与紫铜、黄铜与低碳钢异种材 料连接的需要，必须研究和开发一些相应的特殊连接方法。 表1 1 常用黄铜的牌号、成分、性能和用途 t a b l e l lt h ec h 咖i c a lc o m p o s i 石。雌p m p e n i 髓锄du 鞠g 瞄o f t h et y p i c a lb r 髓s 表中符号的意义：卜退火状态：l 一冷变形状态；s 一砂型铸造：卜金属型铸造 化学成分机械性能 类 牌号状态ob6用途 别c u其它h b s ( m p a ) ( ) h 9 69 5o 坤7 0z n ：会量 t2 柏卯4 5冷凝管，教热嚣管及导 黄 l4 5 021 2 0 电零件 铜 t3 3 0 4 9 5 6铆钉，螺帽、垫圈散热 h 6 2酏5 弗5纽余量 l 6 0 031 6 4 器零件 p b ：08 加9 t4 2 0 4 57 5用于热冲压和切削加工 h p b 5 9 15 7 0 枷0 特 z n ：余量l5 5 0 51 4 9 制作的各种零件 赡m n ：1o t0 t枷 4 09 0腐蚀条件下工作的重要 h m i l 5 s 25 z o 瑚o 黄 z n ：余量l7 0 01 01 7 8 零件和弱电流工业零件 铜s n ：o2 5 柚7 5 t2 4 05 8汽车，拖拉机桃形套管 h s n 蚺i8 8 0 胡lo z i i ：余量l5 2 0 4 1 4 8 及其他耐蚀减摩零件 s2 鳄如5 9般结构及耐蚀零件， z 曲z n 3 8肛西3 0血：余量 j2 9 5如6 9 如法兰，阔座、支架等 制作电机，仪表等压铸 s2 9 51 27 9 z 叫z t l 3 1 a 也6 6 0 6 80a l ：件及船舶借些中的耐 祷 j3 9 01 58 9 蚀件 遗 般用途结构件船舶 黄 b ：1 ”5 s2 4 51 06 9仪表等实用的外形筒单 锕z c u z n 3 8 p b 2 5 7 0 删o p b ：1 5 屯5 j 1 47 9 的铸件，如套筒，瓦轴 z n ：余量 等 s i ：2 5 q5 s撕 1 58 9船舶零件。内燃机零件， z c u z 口1 6 s i 47 9 0 8 i o z n ：余量j3 帅2 09 8 在气，承，油中的铸件 1 2 异种材料的焊接性影响因数及焊接方法 1 2 1 异种材料的焊接性影响因数【5 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 北京工业大学工学硕士学位论文 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。 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1 0 1 5 。电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。 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 一4 第1 章绪论 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。 1 2 2 异种材料的焊接方法【6 】 熔焊 异种材料熔焊时往往会产生粗大铸态组织、相变以及再结晶应力等问题， 使接头性能变差。对于相互溶解度有限物理、化学性能差别很大的异种材料，由 于熔焊时的相互扩散作用会导致接头部位的化学和金相组织的不均匀或生成金 属间化合物，所以异种材料熔焊时应降低熔合比，尽量采用小电流，高焊速。常 采用的措施是在坡口一侧或两侧堆焊一层中间金属过度层。 异种材料焊接采用的熔焊方法很多，焊接生产中主要采用的熔焊方法有电弧 焊、埋弧焊，钨极氩弧焊( t i g ) 、熔化极氩弧焊( m i g ) 、c 0 2 气体保护焊、激 光焊、电子束焊等。 压焊 压焊时基体金属通常不熔化，焊接温度低于金属的熔点，有的也加热至熔化 状态，然后加压将液态金属挤出，仍以固相结合而形成接头，所以可以减小高温 对金属的有害影响，大大提高了异种金属的焊接质量，扩大了应用范围。它包括 了电阻焊、超声波焊、爆炸焊、摩擦焊、冷压焊、扩散焊、贮能焊等。 钎焊 采用比异种材料中熔点较低母材一侧熔点更低的金属材料作钎料，将焊接件 北京工业大学工学硕士学位论文 和钎料加热高于钎料熔点、低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接 头间隙并与母材相互扩散，实现异种材料的焊接。异种材料焊接的特点是：钎焊 过程中被焊金属不熔化，只是钎料熔化，在焊接接头中不能形成熔池；焊接过程 需要外加钎料；对焊接接头不施加压力；通过钎料和母材金属之间进行相互扩散 作用，焊缝可以实现晶粒之间的结合；适用与塑性脆性的异种材料的焊接。 焊接时一种材料受热熔化，而另一种材料却处于固态下，即对一种材料是熔 焊，而对另一种材料是钎焊，这种方法称为熔焊钎焊。采用熔焊钎焊获得质量 优良接头的关键是要求熔化材料对固态材料具有良好润湿性，其次是合理选择加 热热源，以保证焊接温度控制在所需要的范围内。 其他焊接方法 液相过渡焊接法( t l p ) 是介于熔焊和压焊之间的焊接方法，液相过渡焊接 法一般有液相过渡扩散焊和共晶扩散钎焊。 液相过渡扩散焊时，在焊缝之间加入可熔化的中间夹层。中间夹层的熔点低 于基体金属的熔点，但不同于钎焊。液相过渡扩散焊需要在很小的压力下 ( o o ，l m p a ) 加热，使中间夹层熔化形成少量的液相漫流，让微量的液相通过扩 散和等温凝固而形成焊接接头。但此时的成分和组织与基体金属差别很大，需要 经过一段时间的扩散处理，才能达到与基体金属完全均匀化，彻底消除铸造组织， 从而得到和基体金属性能相同的焊接接头。 共晶扩散钎焊的实质是将异种金属加热到某一给定温度，使接触区内形成低 熔点共晶体。其与不同之处在于不需要对零件施加压力。 1 3 黄铜与紫铜、黄铜与低碳钢异种金属焊接的发展现状 1 3 1 黄铜与紫铜异种金属焊接的发展现状 近年来，我国一些科研单位相继开展了黄铜紫铜异种金属的焊接研究工 作，取得了很多有价值的成果：核工业二三建设公司郑日水网从接头的结构因素、 异种铜的物理特性及加热时等因素进行分析，探索了制冷设备端口的黄铜法兰 一6 一 第1 章绪论 ( h 6 2 ) 与紫铜管t 2 的插套件火焰钎焊工艺及裂纹防止措施；天津焊接研究所 柳英利等降】采用丙烷气与压缩空气混合的火焰替代传统氧乙炔的加热方法，成功 实现了紫铜管与黄铜视镜体黄铜与紫铜件的自动火焰钎焊。钎焊后接头耐压 4 m p a ，无泄漏：哈尔滨工业大学李卓然f 9 j 等重点对黄铜法兰( h 6 8 ) 和紫铜管钎 焊接头组织特征进行了研究；西北工业大学刘小文【1 0 1 等人利用自行改造的搅拌摩 擦焊机，通过优化了搅拌头的材料、形状及尺寸，通过s n r ( 信噪比) 试验设计计 算焊接工艺参数显著性顺序，成功实现了3 n l i i l 黄铜( h 6 2 ) 和紫铜t 2 板材的对接。 接头断裂强度为2 4 8 2 5 m p a 。所有的这些研究工作对于推动黄铜紫铜异种金属 焊接结构的发展和应用必将产生积极的影响。 无论是钎焊，还是搅拌摩擦焊，都是实现黄铜紫铜异种金属有效连接的方 法。然而，对于实际的工程应用都有其自身的局限性。具体的，钎焊存在工作效 率低、加热时间长、钎缝金属晶粒粗大以及钎焊接头疲劳强度低等缺点【1 1 ，1 2 】；搅 拌摩擦焊对于接头的形式要求苛亥，一般仅适合板材的焊接，另外，需要严格控制 焊接速度，焊接速度过快时，搅拌头的摩擦产热不足，不能使焊缝金属达到焊接所 需的热塑性状态，无法发挥搅拌头的搅拌作用，成形较差，无法焊合。当焊接速度过 慢时，由于摩擦生热过多，有时甚至于使得焊合区金属温度接近熔点，焊缝表面凸凹 不平，内部容易出现空洞，焊缝表面金属严重氧化，热力影响区晶粒严重粗化。 1 3 2 黄铜与低碳钢异种金属焊接的发展状况 铜与铁高温时的原子半径、晶格类型、晶格常数等比较接近，在液相中能无 限固溶，在固态下，虽为有限固溶，但不易形成脆性金属间化合物，对焊接是有 利的。但钢和铜合金两种材料物理性质( 熔化温度、热导率、线膨胀系数、流动 性等) 存在较大差异，增加了焊接的难度【1 3 】。 气焊、埋弧焊、惰性气体保护焊等熔焊方法都可以用来焊接钢与铜合金异种 接头。t i g 焊接适于焊接薄件，但很难控制电弧热量对两种金属的分配。气焊时 由于液态金属与钢的接触时间长，近缝区渗透裂纹严重【1 4 1 。 另外可以采用真空钎焊【”1 和氧乙炔火焰钎焊16 1 等钎焊方法来进行铜钢接头 的连接，但接头容易出现气孔、夹渣、自裂等焊接缺陷，钎焊后对钎溶剂要进行 严格清洗，否则制品容易腐蚀。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4 激光焊接技术的优势及在异种金属焊接中的应用与发展状况 1 4 1 激光焊接技术的优势【1 7 】 2 0 世纪8 0 年代，随着大功率激光器的出现，激光焊接得到了深入的研究。 与传统焊接方法相比，激光焊接的主要优点是： 激光束能量密度极高，焊接速度快、效率高，工件热影响区、变形小， 深宽比大( 最高可达1 2 ：1 ) ，焊接质量好； 可以通过透明介质对密闭容器中的材料进行焊接； 可焊接难熔材料如：钛、石英、金刚石等，并能对异性材料进行焊接， 效果良好； 焊接方位极为灵活，可进行全方位的焊接； 可进行微型焊接。激光束聚焦后可获得很小的光斑，且精密定位，可应 用于大量自动化生产的微、小型组件中； 光纤的利用可对激光束实现远距离传输，光束能按时间与空间分布，能 进行分光束多工位加工，并且加工柔性好，自动化程度高； 与电子束焊接相比，焊接质量相差不大，但激光焊不需要真空环境，保 护气成分、压力可选择，焊接不受电磁影响，不产生x 射线 当然，激光焊接也存在一些局限性： 焊接装配精度要求高，焦点位置和激光束偏移量要求限制在很小的范围 内； 激光器及加工系统结构复杂，成本高，一次性投资大。 1 4 2 激光焊接技术在异种金属焊接中的应用与发展现状 相比传统焊接方法，由于激光焊接可以精确控制热输入、加工效率高、极高 的冷却速度、很小的热影响区等，为许多不同金属焊接熔化后有不同结构的材料 相容创造了有利条件。近年来，国内外一些研究单位相继开展了一些激光焊接异 一8 一 第l 章绪论 种材料的研究【1 8 1 9 2 0 。1 丑1 ，取得了很多有价值的成果。总结目前激光焊接技术在 异种金属焊接中应用实例，大致上可以归结为三种方法：激光熔焊、激光钎焊、激 光熔钎焊。 激光熔焊 采用激光熔焊的方式连接异种金属，大都需要添加填充焊丝，通过调节焊丝 的成分，控制焊缝区组织性能，可改善异种材料冶金上的相溶性。新加坡万度力 实验室z s u n l 2 3 】等人采用激光填丝焊将直径4 3 5 n 蛐，厚度4 5 n u n 的1 3 c r m 0 4 4 的铁素体低合金钢和a l s i 3 4 7 奥氏体不锈钢管材焊接在一起，选用c1 2 咖的 e i l i c r m o 3 镍基焊丝。焊接时，当激光束偏向奥氏体不锈钢，偏置量为o 2 5 姗 时，焊缝的组织和性能没有明显的变化，都能得到全部奥氏体组织。但如果偏向 铁素体钢，当偏置量为超过o 1 n u n 时，就会得到马氏体奥氏体的双相组织f 2 4 】。 激光钎焊 2 0 世纪8 0 年代以来，随着高功率固体和半导体激光器的商品化，激光硬钎 焊技术得到快速发展，激光钎焊异种金属与传统钎焊方法类似，都是通过钎料的 熔化来实现异种材料的钎接。与其它热源钎焊、固相连接相比，待焊工件尺寸及 接头形式不受限制，激光钎焊工艺参数高度灵活可调，可精确控制加热区域及加 热时间，限制钎料与金属之间的有害界面反应；激光能量分布可调( 单光束、双 光束以及矩形光斑) ，可控制加热区域的温度场分布，不仅能改善钎料的润湿铺 展，还能控制界面反应。 l il 【2 5 】对高功率半导体激光在钎焊中的应用进行了 总结，与c 0 2 激光、n d ：y a g 激光和准分子激光比较了其优缺点。采用1 4 k w 的半导体激光对铝和钢进行连接( 钎焊) ，填充焊丝灿s i l 2 ，可以防止裂纹。 a l e x a l l d r em a t l l i e i l a 等人【2 6 1 通过锌基焊丝，采用激光钎焊的方法成功的连接了 a a - 6 0 1 6 铝合金和g x e s 钢，通过局部少量的金属熔化，有效的避免了金属间化 合物( 脆性相) 的生长。 激光熔焊钎焊 最近，采用激光熔焊钎焊技术连接异种金属的方法得到国内外研究机构广 泛的关注。德国不莱梅应用射线技术研究采用激光熔钎焊接方法，实现了铝合金 北京工业大学工学硕士学位论文 钛合金、铝合金一低碳钢薄板搭接接头的连接【2 7 1 。哈尔滨工业大学封小松【2 8 】 等人采用激光熔钎焊方法，通过熔化填充钎料实现了a l 爪薄板对接接头的连接。 但焊接过程对工艺参数要求严格，接头厚度不同位置的截面金属间化合物的厚度 和形态各不相同。上海交通大学丁健军2 9 1 等人对a a 6 0 5 6 铝合金和x c l 8 低碳 钢板的激光熔钎焊进行了研究。采用了n d ：y a g 激光进行加热，采用了搭接接 头，他们的研究结果表明，适当增加焊接温度，可以提高铝合金的流动性和润湿 性，但温度高于钢的熔化温度是有裂纹倾向。 另外，德国爱尔兰根大学mg e i g c r l 3 0 墩授，在对镀锌板激光钎焊研究的基础 上，提出了铝与镀锌板的双光束钎熔焊，采用了z r a g l 2 钎料，采用双光束无钎 剂钎熔焊镀锌板和铝合金是一种创新。德国h l a u k 矾p 1 】等人，对铝和镀锌钢板 的连接进行了大量的研究，采用了单光束及双光束钎熔焊工艺。此工艺分为铝板 的焊接及填充材料和熔化的铝板在镀锌钢板上的钎焊，这可避免出现液态的铁。 采用单光束可以实现这种连接，然而采用两个激光束，熔化流动可以被更 有效的控制，通过预热镀锌钢板表面提高润湿性能。由于不需要任何钎剂，此 过程是有优势的。采用这种技术，润湿长度增加，获得了超过母材拉伸强度的 接头。 1 5 黄铜与紫铜、黄铜与低碳钢异种金属激光焊接发展现状况 在黄铜与紫铜组合的异种金属连接上，火焰钎焊和感应钎焊接是工程应用普 遍采用的方法，但传统钎焊方法加工效率低，接头强度低，钎焊后对钎溶剂要进 行严格清洗等缺陷，工程应用上存在许多局限性，随现代工程制造业的发展，迫 切要求引入激光技术来连接黄铜与紫铜异种金属。但由于黄铜与紫铜都属于高反 射、导热性性材料，黄铜与紫铜组合的异种金属激光焊接存在很大的难度，国内 外研究机构尚处于摸摸索阶段，还未见成熟的连接工艺及相关文献报道。 在黄铜与钢这一组合的异种金属连接上，国外已有学者利用激光熔焊方法对 黄铜与钢的连接进行了实验研究。l 锄p a 【3 2 l 等采用1 3 0 0 wc 0 2 激光熔焊铜合金 和不锈钢，在焊接过程中，液态铜向近缝区钢表层渗透，易出现渗透裂纹。 t a m a i 等采用3 5 0 w 脉冲n d ：y a g 激光器以热导焊接方式熔焊铜合金和工具 第1 章绪论 钢精密薄件，发现当激光束作用在钢一侧o 2 锄，且限制钢中铜含量小于2 时。 熔合区无裂纹。 1 6 本课题的主要研究内容 某制冷企业两个工程应用实例( 黄铜与紫铜、铜与低碳钢异种金属连接) 提出 了如下要求：黄铜与紫铜的连接，在满足焊后接头强度( 渗漏试验 2 2 5 b 盯) 的基础上，尽可能的提高焊接速度；黄铜与低碳钢的连接， 玻璃观察窗烧结在低碳钢上，低碳钢与黄铜须焊接在一起，焊接过程中要求严格 限制热输入，焊后接头强度( 爆破试验 2 2 5 b a r ) 。本课题针对具体工程实例，进 行了系统的实验研究： 黄铜激光焊接性及工艺研究，测定黄铜深熔焊功率密度阈值，对比各种 工艺参数( 不同速度、不同保护气类型、不同离焦量) 对焊缝成型的影响以及各 工艺参数与熔深、熔宽的关系； 黄铜与紫铜异种金属激光搭接焊工艺研究，对比研究不同焊接速度、不 同厚度对焊缝成型、焊缝及界面处组织和接头力学性能的影响； 黄铜与低碳钢激光深熔钎焊工艺研究，对焊缝成型和接头界面处的结合 情况进行研究。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章黄铜激光焊接性实验研究 激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能密度焊接方法。由于黄铜对激 光的反射很强，黄铜激光焊接首先遇到的问题就是如何有效的提高材料对激光的 吸收，需采用高能量功率密度的深熔焊接机制以提高材料对激光吸收率其次， 激光焊接时锌元素的蒸发烧损，易造成气孔、焊缝凹陷及焊缝焊接过程不稳定等 缺陷( 如图2 1 、2 2 、2 3 所示) 。 图2 一l 焊缝凹陷 f i g 2 1w d dd 印r e i o n 图2 - 2 气孔 f i g 2 2w d dp o 图2 3 焊缝外观成型差 f i g 2 - 3p 0 0 ra p p 锄n c c 本章主要进行了黄铜激光焊接的工艺实验研究，探讨了黄铜的激光焊接性。 首先测定了黄铜的激光深熔焊接阈值，另外通过改变焊接速度、离焦量和保护气 氛，研究了各种不同工艺参数对焊缝成型的影响以及各工艺参数与熔深、熔宽的 关系。 第2 章黄铜激光焊接性实验研究 2 2 试验条件和方法 1 试验设备： 德国r o f i ns i n a r 公司生产的c w 2 5 0 0y a g 激光器和首钢r o t o m a n 公司生产 的六轴机械手，采用0 6 m 光纤传输，聚焦镜焦距1 2 0 哪，聚焦光斑直径0 3 6 嗍。 图2 4 激光束焦点功率密度分布图 f i g 2 - 4 n e l 珊p o w c r d 伽酊d i s m u n a i n l e 妣峭 2 试验材料及焊前处理 试样材料：h p b 5 9 1 黄铜 c u p b l 5 3 一z n 3 9 9 一f e 0 1 1 一s n o 1 5 试样规格：为口4 0 1 0 哪 焊前处理：试验前采用超声波清洗仪清洗待焊件，并用丙酮清洗表面，去除油渍 和污物。 3 实验方案 对砧4 0 1 0 啪的h p b 5 9 黄铜进行激光扫描焊接，保护气喷嘴倾斜4 5 。，喷嘴 与工件表面的垂直距离为5 哪，送气方向与焊接方向相同，功率值为激光器的输 出功率。为提高实验结果的准确性，在测定某一参数的影响时，严格保证其它参 数不变。实验项目及焊接工艺参数见表2 一l 。 北京工业大学工学硕士学位论文 表2 1 实验项目及焊接工艺参数 1 a b l e 2 - le x p e 蛐t e di t 3 dp 蚰e t e f s 辅助气体类 实验激光功率焊接速度离焦量 型及流量 项目( w ) ( n l m i n ) ( m ) ( 1 ，m i n ) 测定功率 l6 0 0 屹0 0 0l0a r 1 5 密度阈值 不同焊 2接速度与焊2 0 0 0o 6 _ 一l 。60a r 1 5 缝成型 a r5 _ 一1 7 5 不同保 护气与焊 2 0 0 010 n 2 5 _ 一1 7 5 3 缝成型 h e5 _ 4 0 不同离 3 、2 4焦量与焊2 0 0 0la r 1 5 l 、o 缝成型 4 数据统计 对每条焊缝取4 个截面，计算焊缝熔深、熔宽的平均值。 2 3 实验结果及讨论 2 3 1 黄铜激光深熔焊的阈值试验 激光焊接作为一种高效率和高质量的加工手段，激光加工的前提是激光能量 为被加工材料充分吸收。金属对于c 0 2 和y a g 激光的吸收率通常很低，而具有高 导电性能的金、银、铜、铝的吸收率则更低。在这种情况下，不仅激光的加工效 一1 4 第2 章黄铜激光焊接性实验研究 率极低，而且也极不经济。同时，反射的激光对人员和设备的安全也构成了严重 的威胁。但是，一旦激光功率密度达到某一临界值后，激光辐射引起金属强烈蒸 发并形成蒸发沟槽，激光束通过蒸发沟槽深入到材料内部，此时金属材料对激光 的吸收可以高达8 0 以上。同时，激光能量向材料内部的传递不在受热传导的限 制，焊接速度和加工效率也急剧增大。这一过程就是激光深熔焊接过程，材料性 质表面状态激光的光束特性以及环境气氛都将影响这一过程的实现( 见图2 5 ) 。 纛蠢藏 图2 5 激光深熔焊原理 f i g 2 - 5s c h 锄a t i cd i a 鲫mo f l a 晰p 即e 嘧6 0 nw d d i l i g 图2 6 为y a g 激光焊接h p b 5 9 黄铜时焊接深度与激光功率密度的关系。由图 可知h p b 5 9 黄铜的激光深熔焊焊阈值约为o 9 1 0 6 w c i n 2 。相比于铝合金2 0 2 4 ， 黄铜可在较低的功率密度下实现深熔，这主要是由于黄铜中含有大量的低熔、沸 点锌元素( 见图2 7 ) ，锌元素蒸发后产生的蒸汽压力有利于深熔小孔的形成， 金属材料蒸发作用在材料表面的压力正比于激光强度和材料对激光的吸收率，材 料蒸发产生的压力达到一定的临界值，克服表面张力、静压力和液体的流动阻力， 使熔池表面下陷而形成小孔，焊缝熔深跳跃式增长，形成激光深熔焊【3 6 l 。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 。 15 e 毒仲 竣 。5 图2 6 黄铜y a g 激光焊接熔深与功率密度的关系 f i g 2 - 61 1 i ed 唧哪d 衄c co f n 地w e l dd 印m 彻i h ep a w 盯 o n m e p o w 盯d e n s 时i i l y a g l a s e r 、v e l d i n g o f b m 韶 图2 7 元素的熔点和沸点 f i g 2 - 7m e l t i n g 粕db o i l i i l gt e m p m n l r e so fd i 丘柏l te l 锄肋姆 2 3 2 焊接速度对焊缝成型的影响 在激光功率p = 2 0 0 0 w ，其他参数不变，只改变激光扫描焊接速度的情况下 进行试验。表2 - 2 给出的不同焊接速度与焊缝外观成型图可知：大焊速下的黄铜 激光深熔焊外观成型较低焊速差，焊缝表面飞溅严重，凹陷加剧，焊缝两侧有焊 瘤出现。图2 - 8 给出了不同焊接速度时的焊缝的熔深、熔宽。在激光功率 一1 6 一 第2 章黄铜激光焊接性实验研究 p = 2 0 0 0 w ，焊接速度为o 6 i i l m i n 下，焊缝的熔深接近4 m m 。随着焊接速度的增 加焊缝的熔深呈下降趋势，而熔宽无明显变化。 表2 2 不同焊接速度时焊缝外观成型 t 曲l e 2 - 2w d d a p p e r a n 嘲a td i 伍；r ts p c e d s 北京工业大学工学硕士学位论文 e 5 懈 竣 鼹 竣 o 0b0b 01214161b2022 焊接速度( m ，m h ) 图2 8 熔深、熔宽与焊接速度的关系 f i g 2 - 8n ed 删d e n o f w e l d d c p i l i 蛐dw i d mo nm ew e i d i n gs p c c d 2 3 3 保护气类型对焊缝成型的影响 表2 3 、2 - 4 给出了相同工艺参数下不同保护气的焊缝外观成型。保护气体 种类和流量分别为n 2 ：5 4 0 ( i m i n ) 、a r ：5 一1 7 5 ( i 1 1 ) 、h e ：5 一1 7 5 ( 1 m i l l ) 。 从三种气体保护的激光扫描焊缝外观图知，深熔焊机制下的焊缝成型较差，表面 飞溅严重，焊缝凹陷，不连续并有小坑洞出现。三种不同气体保护的焊缝都是随 着流量的增大，飞溅和焊缝凹陷情况加剧；就单纯的保护效果来说，三种气体都 可以作为黄铜的保护气体，保护的焊缝表面都可以出现完全亮黄色的焊缝。综合 考察三种不同气体焊接时出现的飞溅程度以及焊缝成型看，保护效果由好到差的 顺序为：时 h e n 2 。从图2 9 、2 1 0 、2 1 l 测定的不同保护气的焊缝熔深、 熔宽可知：不同保护气类型及不同流量对焊缝的熔深、熔宽没有明显影响。 一1 8 一 拈 如 = s 如 ” 伸 第2 章黄铜激光焊接性实验研究 表2 - 3 不同氨气、氮气流量时焊缝外观成型 1 曲l e 2 - 3w e l da p p 删i c 嚣龇d i f 融锄tg 解n o w so f a 曙0 n 鲫dn i 仃0 9 表2 _ 4 不同氦气流量时焊缝外观成型 t a b l c 2 - 4w e l d a p p 啪n 嘲a t 砌融咖tg a s l o w s o f h e h 哪 1 9 北京工业大学工学硕士学位论文 8壕 l 慑妒气藏量 l l #1 8 u ，哺冉 图2 9 熔深、熔宽与氩气流量的关系 f i g 2 - 9 n e d 删d e n o f w c l d d 印m 触d w i d m m eg a s n o w o f a r g f i j i = = 揸型 40 8 l a ，21 4l b 1 9 保护气藏量( u m i | i 图2 1 0 熔深、熔宽与氮气流量的关系 f i g 2 一l o1 1 1 ed q 瑚d c i l c c so f w e l dd 印t ha i l dw i d mo nm cg 船n o wo f n 岫卿 一2 0 一 轴 瓣 强 珏 埔 基菩鹾嫂爨鹱 ”伯伯” s馘竣鞋寝 第2 章黄铜激光焊接性实验研究 l 善 嘏 蓑 缝 o5 81 52 53 03 54 04 5 僳护气藏量( u m j l ) 图2 1 1 熔深、熔宽与氦气流量的关系 f i g 2 1 1t h ed e p 伽d a l o 鼯o f w e l dd 印t h 锄d 谢d t l lo nt l l eg 豁n o wo f n i t r i g e n 2 3 4 离焦量对焊缝成型的影响 黄铜激光焊接时，为了保持足够功率密度，焦点位置至关重要。表2 5 给出 了不同离焦量时的焊缝外观图。从图中可知，当焦点偏离工件表面较大( + 2 m m ) 时，焊缝表面均匀，平整，为典型的激光热导焊特征；当离焦量为+ 1 5 m m 时， 从截取的局部焊缝外观图看，左边为热导焊机制焊缝，右边部分焊缝表面凹凸不 平，飞溅严重，此焊接过程为黄铜激光焊接在深熔焊与热导焊之间存在不稳定的 过渡区，在这一区间，热导焊和深熔焊机制交替出现；离焦量为o m m 时，焊缝 表面凹凸