（材料学专业论文）薄壁铜铝管连接界面显微组织及力学性能研究.pdf

一l ： ， 每 薄壁铜铝管连接界面显微组织及力学性能研究 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： ， ；。， ：i1 1 、_ o j 1 ， ：；一 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特另m j ) a l 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，也不包含未获得或其他 教育机构的学位或证书使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：哥王蔓签字日期：浏9 年厂月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： 1 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学“中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社 用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：占b o 年石月f1 日 导师签字： 签字日期。纵f 于石月，1 日 一_-_-一 薄壁铜铝管连接界面显微组织及力学性能研究 摘要 中国海洋大学与青岛海青机械厂共同研发的薄壁铜铝管插接式电阻压力焊 焊接工艺，采用多种创新技术，有效地解决了薄壁铜铝管焊接过程中出现的接头 脆性、密封性差等问题，获得了较为广泛的应用。本文依托此技术，研究了薄壁 铜铝管插接式电阻压力焊焊接接头界面组织的显微结构以及力学性能。用光学显 微镜和扫描电子显微镜对焊接界面组织进行了观察和分析，着重从微观上研究铜 铝焊接接头的各种显微组织的形貌、成分特点，并结合铜铝二元相图、金属结晶 学理论以及焊接工艺学方面的知识分析焊接接头界面各种显微组织生成的原理。 利用万能拉力试验设备，测试不同直径和壁厚的铜铝焊接管的剥离强度和拉伸强 度，分析界面微观结构对宏观力学性能的影响，探索薄壁铜铝管焊接的相关标准。 研究结果如下： 1 、薄壁铜铝管的连接界面处，铜与铝进行了原子的互扩散，且铜原子向铝 侧扩散比铝原子向铜侧扩散明显。焊接界面层宽度约为l - l o p m ，由层片状共晶、 柱状晶和胞状晶等组织生成，较宽的焊接界面处有气孔、扩散孔洞等缺陷存在。 界面处铝铜原子平均比例为3 比2 ，推测生成了( q + 0 ) 两相交替生长的片状共 晶组织以及c u a l ：、c u a l 金属间化合物。 2 、界面处形成的层状组织、柱状组织和胞状组织与温度梯度、成分过冷、 焊接工艺参数以及焊缝的不平衡结晶有关。在正温度梯度下，界面成平面状生长， 容易产生层状组织。正温度梯度下存在较小的成分过冷时，界面平面易被打破生 成胞状组织。在负的温度梯度下，界面突起严重易生成树枝状组织( 柱状组织) 。 随着电流提高或焊接时间的延长，焊缝的宽度增加，形成的相的数量越多，连接 界面层数越多，焊接性越差。推测金属间化合物c u a l 是由包晶反应及相变生成 的，c u a l 。是由包晶反应生成的，而共晶组织( a + 0 ) 是由共晶反应生成的。 3 、提出电阻压力焊薄壁铜铝管界面的连接机理：在压力的作用下，铜和铝界 面硬化层被撕裂，于是较软的铝被挤入较硬的铜的裂缝中去，形成铜铝的相互接 触；在电阻热的条件下，表面原子被激活，形成激活中心而使新鲜质点间产生原 子键或金属键结合；随后通过扩散或结晶生成各种显微组织，使点结合转变为面 结合，并形成具有一定扩散深度的界面层。即由铜铝表面的物理接触阶段、接触 面的激活阶段和扩散阶段组成。 4 、对大量试样进行了力学性能测试，由剥离试验得出：相同直径的试样的 离强度范围基本上符合正态分布：随着壁厚的增加，剥离强度总体上有增大的 势；结合壁厚统计分析大量数据得出剥离强度的合格标准为： o 8 3 4 7 t 1 2 5 6 1 ；剥离强度与剩余未剥离宽度和铝管直径成正比；从试样断裂 宏观形貌上分析铜铝试样剥离断裂属于韧性断裂。由拉伸试验得出：拉伸试样 是在铝上断裂，焊缝的拉伸强度要高于母材铝管的拉伸强度；焊接之后的铝管 拉伸强度并没有降低，基本符合母材1 0 6 0 铝和3 0 0 3 铝的抗拉强度范围，薄壁 铝管电阻压力焊焊接性很好。 键词：c u a i 薄壁管；电阻压力焊；界面显微组织；力学性能 i l s t u d i e so nt h ei n t e r f a c i a lm i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h i n w a l lc u a 1t u b e a b s t r a c t 1 1 1 e e l e c t r i cr e s i s t a n c ep r e s s u r ew e l d i n gt e c h n i q u ei n v e n t e db yb o t ho c e a n u n i v e r s i t yo fc h i n aa n dq i n g d a oh a i q i n gm a c h i n e r yg e n e r a lf a c t o r yi n v o l v e sm a n y i t e m so fi n n o v a t i v et e c h n o l o g ya n ds o l v e st h ew e l d i n gp r o b l e m so ft h i n - w a l lc u a i t u b e ，s u c ha sj o i n te m b r i t t l e m e n ta n dp o o rs e a l i n g 1 1 1 ei n t e r r a c i a lm i c r o s t r u c t u r e sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ee l e c t r i cr e s i s t a n c ep r e s s u r ew e l d e dc u a 1t h i nw a l l e d t u b ew e r es t u d i e di nt h i sp a p e r m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p ea n ds c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) w e f eu s e dt oo b s e r v ea n da n a l y z et h ei n t e r r a c i a lm i c r o s t r u c t u r e s r n l e a p p e a r a n c ea n dt h ec o m p o n e n to ft h em i c r o s t r u c t u r e sw e r er e s e a r c h e do n m i c r o c o s m i ca n g l e c u a 1b i n a r yp h a s ed i a g r a m ，t h et h e o r yo fm e t a lc r y s t a l l o g r a p h y a n dt h ew e l d i n gt e c h n o l o g yw e r eu s e dt oa n a l y z et h ef a c t o r so ff o r m a t i o n t h ep e e ls t r e n g t ha n d t e n s i l es t r e n g t ho fd i f f e r e n td i a m e t e ra n dw a l lt h i c k n e s sc u a 1j o i n t sw e r et e s t e db yt h e u n i v e r s a lt e n s i o ne q u i p m e n t n l eo b j e c t i v ei st oa n a l y z et h ep o s s i b l ei n f l u e n c e so f m i c r o s t r u c t u r e so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n de x p l o r et h er e l e v a n tw e l d i n gs t a n d a r d s t h er e s u l t ss h o wt h a t ： iac e r t a i ni n t e r d i f f u s i o no fa l u m i n u ma n dc o p p e rt a k e sp l a c ei nt h ew e l d i n g i n t e r f a c eo ft h ec u a 1t h i nw a l l e dt u b ea n dt h ed i f f u s i o nf r o mc us i d ei sd e e p e rt h a n t h eo p p o s i t ed i r e c t i o n t h ew e l d i n gi n t e r f a c er e g i o no ft h ec u a 1t u b ei sa b o u t 1 - 10 1 a m ，w h i c hi sc o n s i s to fc o l u m n a rc r y s t a l s ，l a m e l l a rc r y s t a l sa n dg r a n u l a rc r y s t a l s t h e r ea r es o m ed e f e c t se x i s t i n gi nt h ew i d e rw e l d i n gi n t e r f a c e ，s u c ha sp o r ea n d d i f f u s i o nh o l e t h ea v e r a g er a t i oo fa l u m i n u ma t o ma n dc o p p e ra t o mo fi n t e r f a c ei s3 t o2 t h e r em a yb ee u t e c t i co r g a n i z a t i o n ( q + 0 ) 埘t l lt w o - p h a s ea l t e r n a t eg r o w t ha n d i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sl i k ec u a l 2a n dc u a l 2t h eo r g a n i z a t i o n so fc o l u m n a rc r y s t a l s ，l a m e l l a rc r y s t a l sa n d g r a n u l a r c r y s t a l s i n t h e i n t e r f a c ea r er e l a t e dt ot h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，c o m p o s i t i o n u n d e r c o o l i n g ，w e l d i n gp a r a m e t e r sa n dt h en o n e q u i l i b r i u mc r y s t a l l i z a t i o n i nt h e p o s i t i v et e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，t h ei n t e r f a c et e n d st op l a n a rg r o w t h ，w h i c hi sp r o n et o l a m e l l a w h e nt h e r ee x i s t sas m a l lc o n s t i t u t i o n a ls u p e r c o o l i n gi nt h e p o s i t i v e i i i t e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，t h ei n t e r f a c i a lp l a n ei se a s i l yb r o k e na n dp r o d u c e st h ec e l l u l a r o r g a n i z a t i o n i nt h en e g a t i v et e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，t h ei n t e r f a c ep r o c e s s e ss e r i o u s l y a n di se a s yt og e n e r a t ed e n d r i t i co r g a n i z a t i o n ( c o l u m n a rs t r u c t u r e ) w i t ht h ec u r r e n t i n c r e a s i n go rw e l d e dt i m ep r o l o n g i n g ，t h ew e l dw i d t hi n c r e a s e s ，t h en u m b e ro fp h a s e s a n di n t e r f a c el a y e r si sb i g g e ra n dt h ew e l d a b i l i t yi sp o o r e r i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d c u a li sg e n e r a t e db yp e r i t e c t i cr e a c t i o na n dt r a n s f o r m a t i o n c u a l 2i sg e n e r a t e db yt h e p e r i t e c t i cr e a c t i o n e u t e c t i co r g a n i z a t i o n ( a + 0 ) i sg e n e r a t e db yt h ee u t e c t i cr e a c t i o n 3t h ec o n n e c t i o nm e c h a n i s mo ft h ee l e c t r i cr e s i s t a n c ep r e s s u r ew e l d e dc u a l t h i nw a l l e dt u b e ：u n d e rt h ea c t i o no fp r e s s u r e ，h a r d e n e di n t e r f a c i a ll a y e ro fc o p p e r a n da l u m i n u mi st o r n , s os o f ta l u m i n u mi ss q u e e z e di n t oc r a c k so fc o p p e rt oc o n t a c t 、舫t he a c ho t h e r i nt e r m so fh e a tr e s i s t a n c e ，t h es u r f a c ea t o m sa r ea c t i v a t e da n d f o r m e da c t i v a t i o nc e n t e ri no r d e rt og e n e r a t ea t o mb o n do rm e t a lb o n d t h e nv a r i o u s m i c r o s t r u c t u r e sa r eg e n e r a t e db yd i f f u s i o no rc r y s t a l l i z a t i o n , w h i c hl e a dt ot h e f o r m a t i o no ft h eb o u n d a r yl a y e r 谢也ac e r t a i nd i f f u s i o n a ld e p t h i no t h e rw o r d s ，i ti s c o m p r i s e do fp h y s i c a lc o n t a c tp h a s eo fc o p p e ra n da l u m i n u m ，c o n t a c ta c t i v a t i o n p h a s ea n dd i f f u s i o np h a s e 4m e c h a n i c a lt e s t so nl a r g en u m b e ro fs p e c i m e n s ：p e e lt e s ti n d i c a t e st h a t , t h e r a n g eo fp e e ls t r e n g t ho fs a m p l e sw i 也t h es a m ed i a m e t e ri sb a s i c a l l ya c c o r d i n gt o n o r m a ld i s t r i b u t i o n p e e ls t r e n g t hi n c r e a s e so nt h ew h o l ew i t l lt h ei n c r e a s i n go fw a l l t h i c k n e s s s t a t i s t i c a la n a l y s i so fl a r g ea m o u n t so fd a t ac o m b i n e dw i mw a l lt h i c k n e s s o b t a i n saq u a l i f i e ds t a n d a r do fp e e ls t r e n g t h ：0 = 3 8 3 4 7 4 t - 1 2 5 6 1 p e e ls t r e n g t hi s p r o p o r t i o n a lt ot h er e m a i n i n gs t r i pw i d t ha n dd i a m e t e ro fa l u m i n u mt u b e s p e c i m e n s a r ed u c t i l ef r a c t u r ef r o mt h em a c r o m o r p h o l o g yo ft h es p e c i m e nf r a c t u r e d t e n s i l e t e s ts h o w st h a t ，s p e c i m e n sf r a c t u r ei sa l u m i n u mf r a e t u r ea n dj o i n t st e n s i l es t r e n g t hi s g r e a t e rt h a nt h ep a r e n ta l u m i n u m s t h et e n s i l es t r e n g t ho fa l u m i n u mt u b ed o n t r e d u c ea f t e rw e l d i n g ，w h i c hi sc o n s i s t e n t 谢也t h ep a r e n tm e t a l10 6 0 a ia n d3 0 0 3 a 1 b a s i c a l l y t h ew e l d a b i l i t yo fe l e c t r i cr e s i s t a n c ep r e s s u r ew e l d e dt h i n - w a l lc u a it u b e i sg o o d k e y w o r d s ：t h i n - w a l lc u a it u b e ；e l e c t r i cr e s i s t a n c ep r e s s u r ew e l d i n g ； i n t e r f a c i a lm i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y i v 目录 1 绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 铜铝焊接特点2 1 2 1 铜与铝的焊接主要存在的问题3 1 2 2 薄壁铜铝管的焊接特点4 1 3 铜铝连接工艺及界面组织的研究进展5 1 3 1 铜铝熔焊焊接界面组织5 1 3 2 铜铝压焊焊接界面组织6 1 3 3 钎焊界面组织9 1 3 4 铜铝塑性成形界面组织1 0 1 3 5 铜铝机械连接界面及模拟计算界面组织1 1 1 4 插接式电阻压力焊简介1 2 1 5 铜铝管的焊接性及其评定1 4 1 5 1 铜铝管的焊接性1 4 1 5 2 铜铝管连接的界面强度1 5 1 6 本课题研究内容及目的1 6 2 实验过程1 7 2 1 实验材料及设备，1 7 2 2 焊接过程1 8 2 2 1 焊接工艺参数1 8 2 2 2 焊接工艺1 8 2 3 试样制备1 9 2 3 1 取样1 9 2 3 2 镶嵌1 9 2 3 3 机械磨光2 0 2 3 4 化学抛光+ 机械化学抛光2 0 2 3 5 化学浸蚀2 1 2 4 力学性能实验2 l 2 4 1 剥离试验2 l 2 4 2 拉伸试验2 2 3 薄壁铜铝管连接界面显微组织分析2 3 3 1 金相显微镜结果分析2 3 3 1 1 未浸蚀的焊缝处金相照片分析2 3 3 1 2 浸蚀之后焊缝处金相照片分析2 3 3 1 3 浸蚀之后母材的金相照片分析2 4 3 2 扫描电镜结果分析2 4 3 2 1 界面显微组织形貌分析2 4 3 2 2 界面显微组织成分分析2 8 3 3 本章小结3 1 4 铜铝显微组织形成机理分析3 2 4 1 结合结晶学理论分析3 2 4 1 1 温度梯度的影响3 2 4 1 2 成分过冷的影响3 3 4 2 结合焊接工艺分析3 5 4 3 结合铜铝二元相图分析3 5 4 4 本章小结、3 7 5 铜铝界面连接机理及力学性能实验分析3 8 5 1 铜铝界面连接机理3 8 5 2 铜铝界面组织和结构对力学性能的影响3 9 5 3 剥离试验数据及结果分析4 0 5 4 拉伸试验数据及结果分析4 3 5 5 本章小结4 6 6 结论4 7 参考文献4 8 附录：5 3 致谢：6 0 发表的学术论文6 1 薄壁铜铝管连接界面显微组织及力学性能研究 1 绪论 1 1 课题研究背景 铜在空调行业中成为制冷管路的理想材料，铜的质量和性能对保证制冷产品 的制冷效果、寿命和成本具有极其重要的影响。铜具有柔软的弯曲性能、钎接性 及耐蚀性，尤其是铜管钎焊技术简单，操作人员容易掌握、钎焊材料容易采购和 保存，使铜广泛应用于空调制冷行业的制冷管路系统。随着国家经济、生活水平 的快速提高，空调产量迅猛增加，导致铜管的消耗量猛增【l 】。一是铜的过早、过 度开发应用造成了铜资源的大量减少，同时由于我国是铜资源相对短缺的国家、 铜矿资源储藏量不多，我国可供经济利用的铜储量已经大幅减少，只有大约 1 9 1 4 9 万吨，铜矿资源的储量静态保证年限约为1 7 年。铜资源远远满足不了社 会发展和经济建设的需求，国内每年需要进口大量铜材。二是铜价的飙升。2 0 0 3 年以来，电解铜的价格从2 3 万元吨，增加到2 0 0 7 年的6 5 万元吨，2 0 0 6 年曾 攀升到8 2 万元吨。国际上矿产商限产、新老铜矿交替出现断档、铜资源的短缺、 用铜行业规模迅速扩张等，使国际铜价不断上涨。三是随着市场的扩大和竞争加 剧，制冷行行业的利润逐步走低，到2 0 0 5 年，行业平均利润已接近为零，在这 种环境下，寻找一种性能相近、价格较低、储藏量丰富铜的替代材料就成为一种 迫切需求【2 】。 在已经发现的金属中，铝的导电性和导热性仅次于银、铜、金，而居于第四 位【3 4 1 。铝在地壳中的含量( 质量分数) 高达8 8 ，而铜的含量仅为0 0 1 ，铝 的含量约是铜的8 8 0 倍，其导电率为铜的6 0 - - 6 5 ，密度约为2 7 8 9 e r a 3 ，只有 铜( 8 9 4 9 9 e m 3 ) 的三分之一。铝由于密度低、强度高、耐腐蚀、热导率和电导 率高以及加工性能好等优良品质而发展迅速，已广泛应用于国民经济及国防建设 领域，用量仅次于钢铁材料，成为第二大金属材料【5 】。由于电解铝事业的飞速发 展，1 9 9 5 年铝的世界年产量已经超过了铜的世界年产量，目前铝的世界年产量 超过1 0 0 0 万吨。我国铝资源丰富，同规格铝管比铜管价格低9 倍，在空调以及 其他制冷设备中实现以铝管代替铜管，可以减少温度的散失，提高保温效果，更 易达到节能的目的。从材料的性能上来看，铝管的韧性高，比铜管更容易弯曲， 便于安装。而且铝的比重小，可以减轻构件的重量。所以以铝管代替铜管对制冷 薄壁铜铝管连接界面显微组织及力学性能研究 行业意义重大，符合我国创建节约型社会和可持续发展的战略要求。 目前经济发展水平下，全铝代铜本身存在很多局限性。首先是在一些制冷构 件管路中铜仍然具有不可替代性，如干燥过滤管、毛细管、压缩机三管等等，这 些管路对于耐腐蚀性、密封性和承压性要求较高，目前大部分还是使用铜管制造。 其次是制冷管路系统中有许多部件组成，有许多接头需要连接，而铝管手工钎焊 难度较大，如果全部采用铝管，不单是售后维修人员无法完成故障维修，也不容 易实现优质高效的总装线生产。再次是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接管就是螺帽压紧实现密封的，显然采用铝管的机械 密封性能不如铜管。最稳妥可靠的办法是铜铝连接组合制冷管路，即管路中间部 分采用铝管，两端各焊接上一小段铜管便于后续加工，保证性能不变，成本降低。 有统计数据显示【6 】，铜铝异种金属接头在2 l 世纪的应用，将占到常用异种金属 接头组合形式的5 8 。其中铜铝双金属管是近些年国外开发出的一种典型高效 管材，由于它具有优良的导电、导热、耐蚀性及质量轻等综合特性，具有广阔的 市场前景和开发潜力，铜铝双金属管是目前一种用途广泛、具有优良综合性能的 高效管材，广泛应用于能源、造船、石油化工、电力、造纸等工业技术领域中， 从石油化工用的输送管道，汽车发动机和发电站用的热交换器到制冷设备用的冷 凝管都使用铜铝连接管，且每年需求量愈来愈大【7 】。 铝铜连接方法甚为关键，采用机械连接方法连接是电工产品中常用的方法， 但机械方法用于铜铝连接后，铝表面极易氧化，所形成的氧化膜十分牢固，且电 阻很大，在负荷较大的情况下接点处温度升高，引起铝本身的蠕变，在产品运行 过程中接点处接触不稳定，常发生冒烟、放爆等现象，并由此引起事故和火灾。 实践证明，铝铜用机械方法连接的电工产品是极不可靠的【引。目前使用最多的铜 铝连接方法即为铜铝焊接【9 】。 1 2 铜铝焊接特点 制冷管路的质量要求很高，铜铝焊接存在很多困难。铜铝焊接属于异种金属 焊接，由于铜铝之间的物理性质、化学性质、力学性能等方面的差异性，导致铜 铝焊接较难获得优质的焊接接头。 2 薄壁铜铝管连接界面显微组织及力学性能研究 1 2 1 铜与铝的焊接主要存在的问题1 1 0 , 1 1 】： ( 1 ) 铝、铜易被氧化。 铜与铝的物理性能比较见表1 1 。特别是熔点相差4 2 4 ，线膨胀系数相差 4 0 以上，导电率也相差7 0 以上。铜铝都是极易被氧化的活泼金属元素，在焊 接过程中氧化十分激烈，能生成高熔点的氧化物。其中铝与氧易形成a 1 2 0 3 氧化 膜，熔点高达2 0 5 0 ；而铜与氧以及p b 、b i 、s 等杂质易形成多种低熔点共晶 组织。发生的化学反应式如( 1 1 ) 、( 1 - 2 ) 、( 1 3 ) 所示。因此，在焊接中很难使 焊缝达到完全熔合的程度，这给铜与铝的焊接带来了很大的困难。 表卜1 铜与铝的物理性能 t a b 1 1p h y s i c a lp r o p e r t i e so fc ua n da i 2 c u 十0 2 = 2 c u o ( 1 - 1 ) 4 c u + 0 2 = 2 c u 2 0 ( 1 - 2 ) 4 舢+ 3 0 2 = 2 a 1 2 0 3( 1 - 3 ) ( 2 ) 铜与铝的焊接接头脆性大，易产生裂纹。 高温下铝铜易形成洳a l 与c u a l 2 共晶脆性相，这种化合物分布于晶界附近， 易导致热裂纹，同时由于填充材料及c u 、a i 母材的影响，也可能产生多元共晶 组织，导致产生晶间裂纹。这些共晶相使焊缝金属的脆性倾向增大，不但影响接 头的使用性能，而且可以导致铜铝焊接接头断裂失效。多数焊接方式，在焊接过 程中，铜铝结合处都会形成a a i 与c u a l 2 铜铝共晶构成的低熔点组织脆性相， 在焊缝承受拉力时开裂，从而使铜铝连接接头失效。 ( 3 ) 焊缝易产生气孔。 铝铜在焊接生产过程中焊缝处极易出现气孔，是由于两种金属的导热性都比 较大，焊接时熔池金属结晶快，高温时的冶金反应气体来不及逸出，进而产生气 孔。氢是产生气孔的主要原因，氢在液态铝中的溶解度为o 6 9 m l 1 0 0 9 ，而在固 态时突降到0 0 3 6 m l 1 0 0 9 ，相差近2 0 倍( 在钢中只相差不到2 倍) ，结晶时，液 薄壁铜铝管连接界面显微组织及力学性能研究 态铝中大量溶解的氢析出形成气泡，继而使铝合金焊缝产生气孔。由于铝的比重 小，导热系数大，晶粒生长速度快，所以气泡不易上浮，最终形成气孔。气孔对 焊接接头的强度以及耐蚀性影响都很大，所以为了减少氢的来源，焊前对焊接部 位必须进行严格的清理，以减少氧化膜中所吸附的水分【1 2 】。 ( 4 ) 杂质元素的影响 如表1 2 所示在纯铜和纯铝中含有一些杂质元素。在铜与铝的母材金属中， 础、s n 、z n 及p b 等元素的熔点低于c u 。当温度达到铜的熔点时，必然会产生 铜与氧及p b 、b i 、s 等杂质形成多种低熔点共晶组织，使异质焊缝的力学性能和 抗腐蚀性能降低。 表卜2 纯铜与纯铝的化学成分 t a b 1 2c h e m i c a lc o n s t i t u t i o n so fp u r ec ua n da i 1 2 2 薄壁铜铝管的焊接特点 空调制冷管路中的铜管主要应用作空调的蒸发器和冷凝器的u 管、弯头， 机组中的配管、消音器以及分体空调器的连接管等，家用空调器通常采用o 6 o 1 5 $ m m ，壁厚0 2 7 0 8 m m 的铜管。不到l m m 的薄壁铜铝管的工业化焊接 存在很大的难度，管端对接接头接触面窄，导致铜铝管焊接接头密封性能差。铝 4 薄壁铜铝管连接界面显微组织及力学性能研究 管与铜管的物理性能差异大，对铜铝接头加热容易出现脆性的铜铝共晶组织，铝 管表面的氧化物不易清除，对薄壁铜铝管焊接目前已知的各种焊接方法均无法完 全避免焊缝中产生铜铝共晶组织，无法获得性能优良的焊缝组织。平面对接接头 贮能焊和摩擦焊等方法虽然可以通过焊接结束前的顶端力减少铜铝管焊缝的共 晶组织，但其接头结构决定了该工艺只能适合壁厚大于1 2 5 m m 的厚壁铜铝管的 焊接，不能用于制冷管路涉及到的壁厚小于l m m 的薄壁铜铝管焊接。插接式铜 铝管接头焊接方法虽然适合薄壁铜铝管焊接，但如果采用高频焊、钎焊方法焊接， 由于存在反应性气孔、铜铝共晶组织、潜在的腐蚀隐患i l3 】等不利因素，也不能 实现铜铝致密连接，实现批量生产难度也很大。 另外，空调制冷系统对管路洁净度、流量、致密性的特殊要求，增加了实 现铜铝连接管的难度，这些技术缺陷都阻碍了铝管在制冷行业的应用，薄壁铜铝 管的规模化焊接生产是世界难题。采用不同的焊接工艺对铜铝管进行焊接，深入 研究c u a i 接头的组织及使用性能，将对薄壁铜铝管的推广应用及异种金属连接 的基础理论研究具有十分重要的意义【2 】。因此，解决薄壁铜铝管的焊接难题已成 为国内外众多研究者关注的热点。 1 3 铜铝连接工艺及界面组织的研究进展 1 3 1 铜铝熔焊焊接界面组织 铝铜熔化焊包括t i g 焊、m i g 焊、气焊、埋弧焊、激光焊和电子束焊等方 法。铜与铝熔焊时，由于铜和铝的物理性能相差较大( 特别是熔点相差4 2 4 ， 线膨胀系数相差4 0 以上) 其熔化焊过程中，往往造成铝熔化了而铜还处于固 态，易形成未熔合和夹杂，焊接难度较大，直接熔焊时无法获得塑性接头。此外， 铜和铝强烈氧化形成氧化膜，氧化膜中含有一定量的吸附水和结晶水，容易在焊 缝中产生气孔等缺陷。在熔焊过程中，接头中c u 的质量分数一般都在3 0 左右， 远远高于不超过1 2 1 3 的要求，不可避免地产生金属间化合物。因此采用熔 焊时，焊接方法和工艺的选择要考虑铝与铜在熔点等物理性能上的差异，采取措 施防止铝、铜氧化，并设法控制焊缝金属中铜的含量在上述最佳范围内，或者采 用铝基合金，尽量减少铜与液态铝相接触的时间以降低形成的金属间化合物对接 头强度和塑性的影响。 江苏工业大学的徐强等人【1 4 】采用双脉冲m i g 焊工艺方法焊接板状铝铜合 e r 2 3 1 9 焊丝组织， 小的近似球形的等 区又称急冷区或等 均由柱状枝晶和等 而等轴晶的数量较 接的焊缝组织中等 轴晶的数量较多，而柱状枝晶的数量较少，晶粒大小较为均匀，平均晶粒尺寸较 小，此外从共晶组织的形态来看，采用高频单脉冲焊接得到的焊缝金属，沿晶界 分布的共晶相不仅数量多，而且组织粗大，呈连续分布，而用双脉冲焊得到的焊 缝金属，沿晶界分布的共晶相不仅数量少，而且细小、均匀分布。 m a i 等人l l5 】采用3 5 0 w n d ：y a g 激光焊成功地对l m m 厚的铜和铝进行了焊 接。研究表明，由于激光输入能量的可控性以及能量的高密度性，激光焊能够实 现对能量分布的控制，极大减小连接金属间的相互作用，避免脆性金属间化合物 的产生，使异种金属的焊接能够得到满意的接头。 1 3 2 铜铝压焊焊接界面组织 铜和铝具有良好的塑性是采用压焊的首要条件，在焊接铜带和铝箔时，采用 冷压焊最为理想，冷压焊接头在室温形成，紧邻接头处无热影响区，焊前进行表 面处理可以提高接头强度。冷压焊对焊材准备工作要求比较严格，焊前母材表面 要绝对清洁。铜与铝具有良好的塑性，铝的压缩率可达6 0 - - 8 0 ，铜可达8 0 - 9 0 ，因此采用压焊方法可得到质量优异的铝铜接头。在压焊过程中采用铜铝 过渡接头，可避开铜与铝熔焊存在的问题，将异种金属的焊接转变为铝与铝、铜 与铜之间同种金属的焊接。与熔焊相比，压焊工艺简单，更易得到理想的焊接接 头。室温下进行的压焊称为冷压焊；高于室温1 0 0 - - 3 0 0 的压焊称为热压焊， 电阻压力焊由于电阻热使温度升高，类似于热压焊。 ( 1 ) 冷压焊、点焊界面组织 温立民【l q 等人研究了铝铜异种金属冷压焊工艺。对焊接接头的显微组织、抗 拉强度、电阻性能，耐温度变化性能及接头耐高温性能进行了试验和分析。从冷 压焊的金相组织图看出，焊缝组织非常致密，焊缝接合面两侧的组织均发生滑移 和变形。这种滑移和变形是在焊接挤压过程中，金属被挤出形成飞边造成的。由 6 薄壁铜铝管连接界面显微组织及力学性能研究 于近缝区晶粒组织结构被压缩，变得很致密，因此这部分组织的强度和韧性均得 到提高。 刘忠翔【1 7 】等人提出了铝铜过渡接头的点焊新方法，解决了a 1 2 0 3 氧化膜层的 破碎问题。从而可利用热活化、压力、电磁搅拌力使铜铝固溶、扩散和铝液面移 动，完成铜铝点焊，获得比铝强度高的焊接接头，为铝代铜的运用提供了一种特 殊的途径。 ( 2 ) 扩散焊界面组织 扩散焊或称扩散连接( d i f f u s i o nj o i n i n g ) 是在一定温度和压力下使待焊表面 相互接触，通过微观塑性变形或通过待焊表面产生的微量液相而扩大待焊表面的 物理接触，然后经过长时间的原子互扩散实现结合的一种焊接方法。与其他焊接 方法相比，铜铝扩散焊的优点是焊接接头的显微组织与母材接近或相同，焊接主 要工艺参数易于控制，焊接接头变形小，焊后不需要进行机加工等。 李亚江等人【1 8 】对采用真空扩散焊设备，在( 5 2 0 5 4 0 ) c 的加热温度下，当保温 时间为6 0 m i n ，压力1 1 5 m p a 条件下形成的c u a 1 接头进行了研究。结果表明， 在c u a l 界面处可形成明显宽度约为4 0 p m 的扩散过渡区。显微组织观察结果 表明，c u a l 界面处扩散结合良好。结合界面铜侧过渡区由于产生了c u a i 金 属间化合物( c u 3 a 1 等) 而使显微硬度明显提高。控制的扩散含量不超过1 0 ， 可避免或减少扩散过渡区中脆性金属间化合物的产生。 河南科技大学的洪丽玲【1 9 1 等人用冷压扩散复合连接技术焊接亿铜和2 a 5 0 铝合金。用扫描电镜、e d s 、x r d 等方法对焊机接头进行了分析。结果表明： 乾铜和2 a 5 0 铝合金经2 0 0 m p a 冷压+ ( 5 1 5 - - , 5 2 5 ) c 9 0 m i n 热扩散和1 0 0 m p a 热 压+ ( 5 1 5 - - - 5 2 5 ) c 9 0 m i n 热扩散后，能在接合面形成2 m m 的异种金属焊缝；焊 缝中铜的质量分数为5 6 9 1 ，铝为4 3 0 9 ；焊缝中c u a l 2 的质量分数为5 6 4 ， 明显高于2 a 5 0 铝合金中的7 6 。此外，焊缝中没有单质铜。 北京航空航天大学孟胶东等人【2 0 】也采用真空扩散焊方法对纯铜与铝及铝合 金的焊接进行了研究。表明：最佳工艺参数为加热温度5 3 0 - 5 4 0 ，时间1 0 m i n ， 压力1 1 5m p a 。接头区形成良好的扩散连接，有脆性相c u 3 a i ，c u a i 生成，表 面镀n i 时能明显减少金属间化合物生成。 成小乐【2 1 】等人采用真空热压扩散连接法制备冶金结合的钢铜铝复合材料，采 7 ( 3 ) 摩擦焊界面组织 摩擦焊是在材料塑性变形与流动的基础上，通过界面上的扩散与再结晶冶金 反应实现连接的固态焊接方法，异种材料熔点差异影响较小，因此可以用于焊接 异种金属。摩擦焊主要用于圆柱形或管状的铝件与铜件的对接，对工件有以下要 求：1 ) 焊前表面清洁，铜件要退火；2 ) 要求母材至少有一方是连续的，可以连 续和反复加热，以防止母材暴露于空气中被氧化。摩擦焊不能焊接太长的、固定 的或质量大和不对称的母材。焊接接口部位韧性较低，摩擦热影响的部位扭转压 缩产生凸起，母材的纤维组织凸起的方向与受载方向平行，致使承载能力下降。 摩擦焊具有热影响区小、节约电能和适合异种金属材料焊接的特点。在焊接薄壁、