（材料加工工程专业论文）钛极板铜耳连接的工艺及设备.pdf

硕士学位论文 摘要 为了克服现阶段电解镍生产过程中钛种板与铜耳铆钉连接的种种缺点，本文提出了 应用电阻钎焊的方法对钛种板与铜耳进行连接。在正交试验设计的参数下，经过多次实 验成功实现了较大面积搭接试样的焊接，同时，利用s e m 、e p m a 等对t c 4 与紫铜电阻钎 焊接头组织研究，发现在适当焊接规范接头下，钎料与母材结合良好，钎料中主要金属 原子与母材t i 和c u 能相互扩散、浸润，达到了原子间结合，焊缝组织无明显缺陷。对 拉伸接头断口进行s e m 分析，发现微观结合较好的接头为韧性断裂，结合较差的接头为 脆性断裂，断裂方式的不同，是由于焊接过程中形成不同的化合物。 根据电阻焊机的结构和工件的形状，利用s o l i d w o r k s 软件，我们初步对铜耳自动焊 机进行设计，并进行虚拟装配。参考虚拟装配图，利用c a d 制图技术，我们初步设计 出铜耳自动焊机的机械装配总图，同时，我们对焊接设备的主要零部件电极接触头、铜 耳支撑架、钛板定位板、滑道、焊接工作台等进行初步设计，并初步确定电动机的型号。 接下来，我们根据所设计的尺寸来生产零部件，然后进行整体装配，设计出生产需要的 铜耳自动焊机。 关键词：电阻钎焊；扩散；微观性能；s oi d w o r k s ；c a d 制图技术 钛极板铜耳连接的工艺及设备 暑皇量鼍皇詈皇鲁曼曹皇曼皇曼皇! 詈! 詈詈皇皇皇i i i im m,li=：, i m l j , 皇! 量 a b s t r a c t i no r d e rt oo v e r c o m et h ev a r i o u sd i s a d v a n t a n g e so ft h er i v e tt h a tt i t a n i u ms p e c i e sp l a t e s a n dc o p p e re a rc o n n e c ti n t h ep r o d u c t i o np r o c e s so fe l e c t r o l y t i cn i c k e ln o w , t h i sp a p e r p r e s e n t st h em e t h o do fr e s i s t a n c eb r a z i n gt ot h ec o n n e c t i o no f t i t a n i u ms p e c i e sp l a w sa n d c o p p e re a r s u n d e rt h ep a r a m e t e r so fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n , w es u c c e s s f u l l ye a r l y o u tal a r g ea r e ao fo v e r l a pw e l d i n gt h r o u g has e r i e so ft e s t s a tt h es a m et i m e , w es t u d yt h e c o m b i n a t i o no f w e l d i n g j o i n tt h r o u g hs e m ，e p m aa n ds oo n t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t ， w i t hp r o p e rw e l d i n gp a r a m e t e r s ，t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt i t a n i u ms p e c i e sp l a t ea n d c o p p e re a r w a sg o o dp e r f o r m a n c e , d i f f u d i o na n df u s i n gh a p p e n e db e t w e e nt h em a i nm e t a la t o m so f s o l d e ra n dt h eb a s em e t a lt ia n dc ur e a c h e ds c o p i ci n t e r a t o m i ca n dw i t h o u td e f e c t s w i t h s e ma n a l y s i so ff r a c t u r es u r f a c e so ft e n s i l ej o i n t s ，w ef o u n dt h a ta9 0 0 dc o m b i n a t i o no f m i c r o - j o i n t sf o rd u c t i l ef r a c t u r e , ab a dc o m b i n a t i o no fm i c r o - j o i n t sf o rb r i t t l ef r a c t u r e t h e d i f f e r e n tm e t h o d so ff r a c t u r ei sd u et ot h ef o r m a t i o no fd i f f e r e n tc o m p o u n d si nt h ew e l d i n g p r o c e s s a c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r eo f r e s i s t a n c ew e l d i n gm a c h i n ea n dt h es h a p eo f t h ew o r k p i e c e , u s i n gs o l i d w o r k ss o f l r w a r e , w ep r e l i m i n a r yd e s i g n e dc o p p e re a ra u t o m a t i cw e l d i n gm a c h i n e a n dv i r t u a la s s e m b l y ：r e f e r e n c et ot h ev i r t u a la s s e m b l yd r a w i n g s , u s i n gc a dm a p p i n g t e c h n o l o g y , w ei n i t i a l l yd e s i g n e dt h em e c h a n i c a la s s e m b l yg e n e r a lp l a no fc o p p e r ，e a r a u t o m a t i c ，：w e l d i n g ：m a c h i n e t h e n , w ep r e l i m i n a r yd e s i g n e dt h em a i np a r t so fw e l d i n g e q u i p m e n t ，s u c ha se l e c t r o d ec o n t a c t sw i t ht h ef i r s t ，c o p p e re a rs u p p o r t i n gf r a m e s ，p l a t e p o s i t i o n i n gb l o c k , s l i d e ，w e l d i n gt a b l ea n ds oo n a n dw ep r e l i m i n a r yd e t e r m i n e dt h em o d e lo f t h ee l e c t r i cm o t o r n e x t , a t e x u d i n gt ot h ed e s i g n i n gs i z e s , w ew i l lp r o d u c et h ec o m p o n e n t s ； t h e na s s e m b l i n gw i t ht h ew h o l eb o d y ；s ow e c a nd e s i g nt h ec o p p e re 8 秘a u t o m a t i ow e l d i n g e q u p m e n t st ot h en e e d so ft h ep r o d u c t i o n ：i ； k e yw o r d s ：r e s i s t a n c eb r a z i n g ；d i f f u s i o mm i c r o - p e r f o r m a n c e , s o h d w o r k s ； c a d d r a w i n gt e c h n i q u e i i 硕士学位论文 插图索引 图1 1 铜钛合金的二元相图5 图1 2 电阻钎焊原理9 图1 3 传统的现实设计制造过程1 0 图1 4 虚拟的设计制造过程1 0 图2 1a g - c u z n 三元截面相图1 4 图2 2 0 3 5 0 s a 2 点焊机15 图2 3 试验工艺流程图18 图2 4 研究方法流程图。18 图3 1 试样搭接方式2 1 图3 2 焊缝区的宏观照片2 2 图3 3 试样拉伸实验结果2 2 图3 4 焊缝区金相组织照片2 3 图3 5 焊缝背散射电子图2 4 图3 6 焊缝微区面扫描情况图2 5 图4 1s o l i d w o r k s 2 0 0 6 操作界面2 7 图4 2s o l i d w o r k s 工作环境下铜耳焊机的虚拟装配图3 0 图4 3a n i m a t o r 的主要操作界面3l 图4 4 铜耳焊机总体装配图的动画演示过程。3 3 图5 1 铜耳焊机机械装配图3 6 图5 2 电极接触头设计图3 7 图5 3 铜耳支撑架设计图3 8 图5 4 铜耳设计图3 9 图5 5 钛板定位板设计图4 0 图5 6 滑道设计图4 0 图5 7 焊接工作台设计图4 1 图5 7 丝杠螺母梯形螺纹牙型图4 2 i i i 硕士学位论文 附表索引 表1 1 钛、铜的物理性能4 表1 2 钛、铜的化学性能4 表2 1 紫铜t 2 的化学成分( w ) 1 3 表2 2 工业纯钛t a 2 的化学成分( w ) 13 表2 3b a 9 2 5 c u z n 的化学成分( w ) 和性能1 4 表2 4f b l 0 2 的化学成分和使用温度1 5 表2 5 工艺试验所用设备1 6 表3 1 选取的三组焊接工艺参数2 2 表3 2电子探针各区域元素组成( 训= ) 。2 3 i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特另j l j n 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：曼羁五日期：功d 年月l ol l 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，即：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电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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和汇编本学位论文。同 时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，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 夏浔玉， 溺s 乞 日期：z o o6 月i o 日 日期：加p 年6y j o 日 硕士学位论文 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 由于科学技术的迅速发展，现代工业对材料的性能要求越来越高、对材料的结构的 改进要求也越来越强烈，单一金属材料已经无法满足这些需要。于是，集合不同材料的 物理、化学、力学性能和价格差别于一体的新型连接方法，随之应运而生。这将更有效 的利用材料的特性，并克服和弥补单一材料性能方面的不足，获得具有更优异的综合性 能n 1 。 异种材料是指不同元素的金属( 如铜、钛等) 或从冶金观点看性能( 如物理性能、 化学性能等) 有显著差异的金属构成的结构材料。异种材料可以用作母材、填充金属或 焊缝金属。异种材料焊接接头能够充分利用各种材料的优异性能( 如强度、塑韧性、耐 磨性、耐腐蚀性、导热性) 而在工程机械、交通运输、石油化工、电站锅炉、航空航天、 电子等行业的设备制造和构件中得到广泛应用u 一。 镍板生产在某公司虽已进行多年，但钛种板与铜耳的连接问题，一直影响着生产过 程，以往该公司都是采用铆接来连接钛极板和铜耳，该结构不仅机构笨重、浪费材料、 成型工艺复杂、而且由于氧化等原因直接影响导电性能，故在电解镍生产中钛种板的使 用中如何解决钛板与铜耳的连接问题是很关键的技术，直接影响着始极片、镍板的质量。 人们对钛板与铜耳的连接方法问题进行过多种尝试，目前效果仍然不佳。 又如某厂在用电解法生产氯酸钾的复合板式电解槽中以前是用钛板在作耐蚀结构 材料的同时又作为导电面，导电铜板与钛的连接是靠螺钉压紧的。如果电流从钛流向铜， 由于电流密度大，钛的表面迅速钝化，电阻上升严重发热，使电解槽被迫停产检修。使 用周期仅2 0 余天。后来，采用铜一钛复合板，使其铜侧与导电铜板接触。由于该复合板 的界面电阻仅1 3 5 1 0 - 7 q c m ，这样就使整个阴极总板的电阻值小而稳定于是就从根 本上解决了那种机械压紧时造成点接触而使电阻急剧增加的问题。这种结构的阴极总板 导电面预计寿命极长。铜一钛大面积板的连接就获得了极为明显的技术和经济效果u u 。 这些都要求一种能够实现铜一钛一铜大面积搭接工件的稳定、可靠连接新技术，本课 题针对上述问题展开研究，采用电阻钎焊方法来实现铜一钛一铜的连接。 1 2 异种金属焊接技术的研究发展现状 1 2 1 异种金属的焊接性 异种金属的焊接性，是指不同化学成分、不同组织性能的两种或两种以上金属或非 金属在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。 焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。 异种金属焊接性内容，包括异种材料的结合性能和使用性能。前者指在给定的焊 钛极板铜耳连接的工艺及设备 接工艺条件下，形成致密结合焊接接头的能力，后者指焊接后焊接接头在长期使用条件 下适应使用要求的程度。在焊接生产中，常用结合性能评定异种材料焊接接头对缺陷的 敏感性，以便采取防止焊接缺陷的措施，这种性能也称为工艺焊接性；常用使用性能评 定异种材料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，这也称 为使用焊接性【1 胡。 1 2 2 异种金属焊接的困难 把异种金属焊接在一起，必定会产生一层与母材金属不同的过渡层。对于异种金属 材料而言，其焊接困难在于以下方面：异种金属的物理性能差异，其性能指标主要有密 废、熔点、比热容、热导率及线胀系数等；异种金属的化学性能差异，其指标主要有金 属的相对原子质量、原子半径、原子外层的电子数目、晶格类型、晶格常数等。 异种金属焊接时，无论从焊接机理和操作技术上都比同种金属复杂得多，异种金属 焊接时面临的主要困难如下【1 】： ( 1 ) 异种金属的熔点相差愈大，愈难进行焊接。这是因为熔点低的金属达到熔化 状态时，熔点高的金属仍呈固体状态，这时已熔化的金属容易渗入过热区的晶界，使过 热区的力学性能降低；当熔点高的金属熔化时，就会造成熔点低的金属流失、合金元素 烧损或蒸发，使焊接接头难以焊合。 ( 2 ) 异种金属的线胀系数相差愈大，愈难进行焊接。线胀系数大的金属热膨胀率 大，冷却时收缩也大，在熔池结晶时会产生很大的焊接应力。由于焊缝两侧金属承受 的应力状态不同，所以易使焊缝及热影响区产生裂纹，甚至导致焊缝与母材金属剥离。 ( 3 ) 异种金属的热导率和比热容相差愈大，金属的热导率和比热容会使焊缝结晶 条件变坏，晶粒粗化严重，并影响难熔金属的润湿性能。因此，应选用强力热源进行焊 接，焊接时热源的位置要偏向导热性能好的母材金属一侧。 ( 4 ) 异种金属的电磁性相差愈大，愈难进行焊接。因为金属电磁性愈大，愈难进 行，焊接热源分布不均匀，焊缝成型愈变坏。 ( 5 ) 异种金属的氧化性愈强，愈难进行焊接。冷却结晶时，存在于晶粒间界的氧 化物能使晶间结合力降低，产生的低熔点共晶体会使焊缝产生夹杂和裂纹：产生的脆性 化合物，能显著降低焊缝的强度和塑性。 ( 6 ) 异种金属之间形成的金属间化合物愈多，愈难进行焊接。由于金属间化合物 具有很大的脆性，容易使焊缝产生裂纹，甚至断裂。 ( 7 ) 异种金属焊接时，焊缝和两种母材金属不易达到等强度。这是由于焊接时熔 点低的金属容易烧损、蒸发，从而使焊缝的化学成分发生变化，力学性能降低。尤其是 焊接异种有色金属，这种现象更为明显。因此寻求工艺参数时要考虑这些因素的影响。 为了获得优质的异种材料焊接接头，可以采取以下措施i i j ： ( 1 ) 尽量缩短被焊材料液态停留时间，以防止或减少金属间化合物的生成。熔焊时， 可以使热源更多的向熔点高的工件输入热来调节加热和接触时间；电阻焊时，可以采用 2 硕士学位论文 截面和尺寸不同的电极或采用快速加热等方法来调节。 ( 2 ) 焊接时要加强被焊材料的保护，防止或减少周围空气的侵入。 ( 3 ) 采用与两种被焊材料都能很好焊接的中间过渡层，以防止生成金属间化合物。 ( 4 ) 焊缝中加入某些合金元素，以防止金属间化合物的生成和增长。 1 2 3 异种金属焊接方法的研究现状 异种金属的焊接可以采用熔焊、压焊和钎焊这三大类方法，但是由于异种金属物理 化学性能的不同( 有的甚至相差很大) ，因而常规的熔焊、压焊对于普通的异种材料的 组合可以焊接，但是对于性能差异很大的难焊材料，很多时候则采用钎焊的方法，而不 采用熔化焊的方法。 钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点， 低于母材熔点的温度，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连 接的方法。钎焊的特点是焊接时加热温度低，工件不熔化、焊后接头附近母材的组织和 性能变化不大、压力和变形较小，接头平整光滑，焊件尺寸容易保证，钎焊前对工件必 须进行细致加工和严格清洗，除去油污和过厚的氧化膜，保证接口装配间隙。适合于焊 接精密、复杂和由不同材料组成的构件，如蜂窝结构板、透平叶片、硬质合金刀具和印 刷电路板等，同时也可焊接异种金属。目前钎焊在机械、仪表仪器、航空、空间技术等 领域都得到了广泛应用。 目前，在实际生产中广泛采用的钎焊方法有烙铁钎焊、火焰钎焊、声波钎焊、感应 钎焊、浸沾钎焊、炉中钎焊、真空钎焊、电阻钎焊。 ( 1 ) 烙铁钎焊，用于细小简单或很薄零件的软钎焊。 ( 2 ) 火焰钎焊，用可燃气体与氧气或压缩空气混合燃烧的火焰作为热源进行焊接。 火焰钎焊设备简单、操作方便，根据工件形状可用多火焰同时加热焊接。这种方法适用 于自行车架、铝水壶嘴等中、小件的焊接。 ( 3 ) 声波钎焊，用于大批量印刷电路板和电子元件的组装焊接。施焊时，2 5 0 ( 2 左右 的熔融焊锡在泵的压力下通过窄缝形成波峰，工件经过波峰实现焊接。这种方法生产率 高，可在流水线上实现自动化生产。 ( 4 ) 感应钎焊，利用高频、中频或工频感应电流作为热源的焊接方法。高频加热适 合于焊接薄壁管件。采用同轴电缆和分合式感应圈可在远离电源的现场进行钎焊，特别 适用于某些大型构件，如火箭上需要拆卸的管道接头的焊接。 ( 5 ) 浸沾钎焊，将工件部分或整体浸入覆盖有钎剂的钎料浴槽或只有熔盐的盐浴槽 中加热焊接。这种方法加热均匀、迅速、温度控制较为准确，适合于大批量生产和大型 构件的焊接。盐浴槽中的盐多由钎剂组成。焊后工件上常残存大量的钎剂，清洗工作量 大。 ( 6 ) 炉中钎焊，将装配好钎料的工件放在炉中进行加热焊接，常需要加钎剂，也可 用还原性气体或惰性气体保护，加热比较均匀。大批量生产时可采用连续式炉。 钛极板铜耳连接的工艺及设备 ( 7 ) 真空钎焊，工件加热在真空室内进行，主要用于要求质量高的产品和易氧化材 料的焊接。 ( 8 ) 电阻钎焊，是利用电流通过焊件或与焊件接触的加热块所产生的电阻热加热焊 件和熔化钎料的钎焊方法。 钎焊是人类最早使用的金属连接方法之一。早在青铜器时代就出现了采用钎焊进行 连接金器首饰和一些日常用品的现象。随着工业和科技的快速发展，钎焊有了很大的发 展，钎焊更加广泛地应用于有色金属和黑色金属的焊接。它已经广泛地应用于加工制造 业中，在桥梁、造船、航空航天、海洋工程、核动力工程、微电子技术、石油化工以及 电力电子等尖端技术部门的现代化工业生产过程中，更是起到了举足轻重的作用。例如， 在“阿波罗号宇宙飞船的生产过程中，大约有1 0 4 5 处接头是采用钎焊方法制造的；美 国麦道公司生产的3 4 3 座d c - i o 飞机，有将近2 0 0 0 个钎焊接头分布在8 5 0 米长的管路 中：波音公司生产的7 0 7 飞机，其液压系统中有将近5 0 0 0 个接头利用了钎焊方法进行连 接。我国目前正处于钎焊技术迅速发展的阶段，在高校、研究单位和工厂中从事科研和 应用的工作者以十万计。 1 3 铜与钛焊接技术 1 3 1 铜与钛的特性 表1 1 钛、铜的物理性能 金属密度熔点沸点比热容 热导率线胀系数 电阻系数 垒整 丝：竺 兰! 兰垒：望：鉴!型：堕! ：鉴! ! q 笙! ! 尘! 垒：翌 钛( 面) 4 5 1 6 7 73 5 3 05 3 9 11 3 88 2 4 2 1 铜( c u )8 9 2 1 0 8 42 5 7 8 3 7 6 8 3 5 9 21 6 61 6 7 铜与钛的物理性能和化学性能见表1 1 和表1 2 。从表中可以看出，铜与钛在物理性 能、化学性能等( 铜与钛的晶格类型、熔点、热导率、线胀系数及化学成分相差悬殊) 方面存在较大的差异，铜钛的二元相图( 如图1 1 ) 属于有限固溶体加共晶转变状态图， c u 与t i 相互之间的溶解度不大，却能形成t i 2 g u 、t i c u 、t i 3 c u s 、t i 2 c u 3 、t i c u 5 、t i c u 4 等金属间化合物，和t i + t i 2 c u ( 熔点1 0 0 3 c ) 、t i 2 c u 娟c l l ( 熔点9 6 0 ) 、t i c u 2 + t i c u 3 ( 熔点8 6 0 ) 等多种低熔点共晶体。这正是焊接铜与钛异种金属焊接接头的主要困难， 因为焊接时的热作用可能导致这些脆性相的形成。此外铜和钛焊接时的气孔倾向，以及 钛母材由于生成片状氢化物t i h 2 所引起的氢脆，铜母材自于杂质生成低熔点共晶体( 如 4 硕士学位论文 c u + b i 共晶体的熔点2 7 0 c ) 4 1 。 t 3 2 铜与钛焊接的困难 w 慨( 图1 1 铜钛合金的二元相图 铜与钛的晶格类型、熔点、热导率、线胀系数及化学成分相差悬殊，因此焊接时有 很大困难。普通熔化焊会有如下问题【2 叫： ( 1 ) 焊缝容易形成气孔 铜与钛高温时吸氢能力很强，氢在液态的铜与钛中溶解度较大。 高温冶金反应熔池内产生气体。 焊接区周围的氧、氮气体浸入熔池中。 熔池结晶过程中，气体不能全部溢出熔池表面，残留在焊缝中形成气孔。 ( 2 ) 焊接接头裂纹倾向大 铜与钛焊接时，在两种母材金属侧能形成共晶体和氢化物，在焊接应力作用下易产 生裂纹。 铜与铋形成共晶点为2 7 0 的( c u + b i ) 共晶体。 铜与铅形成共晶点为3 2 6 的( c u + p b ) 共晶体。 铜与硫化亚铁形成共晶点为1 0 6 7 ( c u + c u ：o ) 的共晶体。 钛母材金属侧形成片状的氢化物t i l t 2 ，产生氢脆作用。 铜与钛的线胀系数相差l 倍多，焊接时会产生较大的应力。 ( 3 ) 焊接接头的力学性能低 氧化膜能削弱铜与钛的晶间结合，如焊缝中含氧达0 3 8 时，接头弯曲角由 18 0 0 降至1 2 0 0 。 5 钛极板铜耳连接的工艺及设各 大量的共晶体和氢化物显著降低焊接接头的塑性和韧性。 铜与钛的互溶性很小，高温时容易形成金属间化合物。如t i 。c u 、t i c u 、t i 。c u 。、 t i 2 c u 。、t i c u 。、t i c u 。，增加脆性，降低塑性，并使焊缝金属的抗腐蚀性能显著降 低。 1 3 3 铜与钛焊接技术的发展现状 有关铜与钛焊接技术的研究工作国内外广大学者和工程技术人员已经做了大量工 作，铜与钛焊接除了满足没有缺陷和具有一定力学性能，还要保证铜钛接头要满足一 定的功能性( 如导电性、抗腐蚀性等) 。再加上钛及钛合金与钢的物理性能以及结晶化 学性能均相差较大，焊接时容易形成t i 2 g u 、t i c u 、t i 3 c u 3 、t i 2 c u 3 、t i c u s 、1 3 c u 4 等金 属间化合物和n 娟2 0 1 ( 熔点1 0 0 3 ) 、t i 2 c u + t i c u ( 熔点9 6 0 1 2 ) 、t i c u 2 + t i c u 3 ( 熔点 8 6 0 ) 等多种低熔点共晶体，并且铜钛化学性质活泼容易吸收氢、氮、氧等而形成氢 脆、氧化物夹杂的缺陷。这些因素都会削弱接头的综合性能。故用一般的熔焊方法不能 满足要求。从这一观点出发，固相焊接方法或是焊接初期产生液相后有被挤出结合面处 的加压焊接方法，无疑是连接铜钛合金的最佳方法。但是这种方法的灵活性一般受到限 制。如对接头形状和接头复杂程度以及尺寸大小等限制较大。寻求一种热输入量小的， 高温停留时间短的，对母材热影响小的焊接方法，一直是广大焊接工作者一直努力的方 向。 目前，钛及钛合金与铜的焊接技术主要包括熔焊( t i g 、激光焊、电子束焊等) 、 钎焊、固相焊( 爆炸焊、扩散焊、摩擦焊等) m j 羽 。 ( 1 ) 熔焊 铜与钛的氩弧焊。 在铜与钛的氩弧焊过程中，严格控制并避免形成金属间化合物，是获得优良接头的 关键。具有单相b 的钛合金口a 1 ) 能够直接与铜进行氩弧焊，施焊过程中，氩弧焊电弧 不能指向t a l 合金，应离开t a l 合金一定距离，而直接指向铜的一侧。这种焊接接头 的塑性及韧性不高，只适宜用在不太重要的零部件上。 要想提高铜与钛接头的质量，可采取加中间层的办法来避免出现金属间化合物，以获 得良好塑性的接头。但是加中间过渡层使得成型工序复杂，成本提高。 铜与钛的高能束焊 这类焊接方法包括电子束焊和激光焊。 真空电子束焊是属于熔焊的范畴。当高能密度的高速电子流轰击焊件时，由于电子 束流的动能转化成热能而实现焊接。该种方法具有真空这一理想保护条件和极高的能量 密度。因此，特别适合钛，铜等活泼金属的焊接，不但焊件熔深大，热影响区小，焊缝 纯度高，而且变形量小，接头力学性能好。但电子束焊设备价格昂贵，焊件尺寸往往受 到真空容积的限制，因此只能焊接尺寸较小的焊件。 激光焊是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行焊接。激光焊优 6 硕十学位论文 点是不需要在真空中进行。高能束焊可焊范围广：高能束焊不仅适宜普通金属，而且还 特别适宜难熔金属、热敏感性强的金属、钛合金、高温合金、物理性能差别大的异种材 质以及厚度、尺寸差别大的构件的焊接，热输入少，变形少。焊缝质量高，许多情况下 焊缝强度与母材接近或相当。高能束焊加热集中完成焊接所需的有效时间短，大批量生 产时成本低。不足之处是设备价格高，无论真空电子束焊还是激光焊，设备的一次投入 高，维修成本高。激光焊的不足之处是导电性好的材料，如铝、铜等对激光的反射率高， 使焊接比较困难。 ( 2 ) 固相焊 与熔焊焊接方法相比较，固相连接方法可以避免铜钛熔融时产生的金属间化合物， 因此不存在与熔焊过程中的问题。但是这种方法对于加工工件几何形状有限制，而且加 工过程中焊接出有较大的变形。 铜与钛的扩散焊 扩散焊一般是以间接热能为能源的固相焊接方法。通常是在真空或保护氛围下进 行。焊接时使工件的表面在高温和较大的压力下接触并保持一定时间，以达到原子间的 距离，经过原子相互扩散而结合。扩散焊对被焊工件几乎没有有害作用。可以用来焊接 很多种同种或异种金属以及一些非金属材料。但是扩散焊一般需要较长的时间。 铜与钛的扩散焊接有直接扩散焊接和加入中间过渡层的扩散焊接两种方法，前者接 头强度低，后者强度高，并有一定塑性。铜与钛之间不加中间金属直接扩散焊时，为了 避免和减少金属间化合物的生成，焊接过程应在短时间内完成。但是由于焊接温度低于 产生共晶的温度，铜钛扩散焊焊接接头强度并不高，低于铜母材的强度，焊接效果差。 爆炸焊 爆炸焊是以化学反应热为能源的一种固相焊接方法，他是利用炸药爆炸所产生的能 量来实现金属连接的。在爆炸波的作用下，两工件在不到一秒的时间内即可被加速撞击 形成金属的结合。在各种焊接方法中，爆炸焊可以焊接的异种金属范围最广。爆炸焊多 用于焊接表面积相当大的平板包覆，是制造复合板的高效方法【l 3 1 。 爆炸焊连接铜钛的接头强度较高，实现了接头的等强度性，目前已应用于实际生产 中。然而研究表明：界面处形成了c u t i 、c u 2 t i 等脆性相，削弱了接头的塑性，而且接 头的热稳定性较差，焊接变形大，接头形式也有一定的限制。爆炸焊接具有投资少， 成本低，而且能够进行大面积工件的焊接，用途极为广泛。钛及钛合金与钢连接技 术的发展过程中，国内外学者丰要研究了爆炸焊、扩散焊、摩擦焊、钎焊等方法。各种 方法均存在一定程度的不足，在生产实践中还存在一些问题，不能充分满足航空航天等 工业部门的要求【4 j 。 ( 3 ) 铜与钛的钎焊 钎焊是利用熔点比母材低的填充金属( 称为钎料) ，经加热熔化后，利用毛细作用 将钎料吸入到接头接触面处，润湿被焊金属表面，使液相与固相之间相互扩散而形成焊 接接头的方法。钎焊由于加热温度低，故对工件的性能影响较小，焊接应力变形较小。 7 钛极板铜耳连接的t 艺及设备 但钎焊强度较低，耐热性能较差。钎焊可以焊接碳钢、不锈钢、高温合金钢、铜等金属， 还可以连接异种金属、金属和非金属，使用于焊接受载不大或常温下工作的接头，对精 密的、微型的以及复杂的多钎缝的焊件尤为适用【1 3 1 。 1 4 电阻钎焊技术现状 1 4 1 钎焊基本原理 钎焊就是在低于母材熔点、高于钎料熔点的某一温度下加热母材，通过液态钎料在 母材表面或间隙中润湿、铺展、毛细流动填缝，最终凝固结晶，而实现原子间结合的一 种材料连接方法。它与熔焊、压焊一起构成现代焊接技术的三大组成部分。 钎焊过程与固相、液相、气相进行的还原与分解，以及润湿和毛细流动、扩散和溶 解、固化和吸附、蒸发和升华等物理、化学现象的综合作用有关。钎焊可分为三个基本 过程：一是钎剂的熔化及填缝过程，即预置的钎剂在加热熔化后流入母材间隙，并与母 材表面氧化物发生物理化学作用，以去除氧化膜，清洁母材表面，为钎料填缝创造条件； 二是钎料的熔化及填满钎缝的过程，即随着加热温度的继续升高，钎料开始熔化并润湿、 铺展，同时排除钎剂残渣；三是钎料同母材的相互作用过程，即在熔化的钎料作用下， 小部分母材溶解于钎料，同时钎料扩散进入到母材当中，在固液界面还会发生一些复杂 的化学反应。当钎料填满间隙并保温一定时间后，开始冷却凝固形成钎焊接头【8 1 。 钎焊具有很多优点：加热温度低、对母材影响小、接头残余应力小；可以根据连接 温度、强度选择多种填充金属；适合精密的微型或结构复杂的焊件尤其适用。由于钛的 高温活性强，钎焊一般在真空或氩气保护下进行n 引。 1 4 2 电阻钎焊的原理 电阻钎焊作为钎焊的一种形式，因其有着独特的优势，也在很大程度上得到广泛应 用。电阻钎焊是利用电流通过焊件或与焊件接触的加热块所产生的电阻热加热焊件和熔 化钎料的钎焊方法。钎焊时对钎焊处应施加一定的压力。电阻钎焊的基本原理与电阻焊 相同，与其他的钎焊方法比较起来，其优点是加热迅速，生产率高，加热十分集中，对 周围的热影响小，劳动条件好，容易实现生产的自动化【7 1 1 2 - 1 4 。但是加热温度不易控制， 接头尺寸不能太大，形状不能很复杂。电阻钎焊有两种方式：直接加热的方式和间接加 热的方式，其原理如图1 2 所示。直接加热的电阻钎焊是用电极压紧二个零件的钎焊处， 使电流流经钎焊面而形成回路，主要靠钎焊面及毗邻部分的母材中产生的电阻热来加 热。它的特点是被加热的只是零件的钎焊处，因而加热速度很快。在这种钎焊过程中， 要求零件钎焊面彼此保持紧密贴合。否则，将因接触不良，造成母材局部过热或接头严 重未钎透等缺陷。在某些情况下，例如为了得到更好的压紧状况，焊件的一侧可使用合 适的垫板，而把两个电极安排在焊件的同一侧。电阻钎焊可采用钎剂和气体 介质去氧化膜。但对于这种加热方式，不能使用固态钎剂，因其不导电。因此，为 硕 ：学位论文 了安装方便，当必须采用钎剂时，应以溶液或膏状形式使用。 卜电极2 焊件3 钎料 b ) 间接加热法 图1 2 电阻钎焊原理 间接加热的电阻钎焊有两种：一种是电流只通过焊件中的一零件，钎料的熔化和其 它零件的加热均靠导热来实现；另一种是电流不通过焊件，是通过紧靠焊件的加热块， 焊件则靠由加热块传导来的热量加热。这两种电阻钎焊法的主要优点是便于钎焊热物理 性能差别大的材料和厚度相差悬殊的焊件，使之不出现加热中心偏离钎焊面的情况。由 于电流不需要通过钎焊面，因此可以直接使用固态钎剂，而且对零件钎焊面的配合要求 也可以适当放宽，这些均简化了工艺。但为保证装配准确度和改善导热过程，对焊件仍 需要压紧。由于在这两种方式中，焊件加热是一个热传导过程，因此加热速度较慢。 1 4 3 电阻钎焊的应用 电阻钎焊最适于采用箔状钎料，它可以方便地直接放在零件的钎焊面之间。另外， 在钎焊面预先镀复钎料层也是常采用的工艺措施，这在电子工业中应用很广。若使用钎 料丝，应使钎焊面加热到钎焊温度后，将钎料丝末端靠紧钎缝间隙，直至钎料熔化填满 间隙，并使全部边缘呈现平缓的钎角为止。 电阻钎焊适合用于使用低电压、大电流，通常可在普通的电阻焊机上进行，也可用 专门的电阻钎焊设备( 电阻钎焊钳或电阻钎焊机) 。根据所要求的导电率，电极采用碳、 石磨、铜合金、耐热钢、高温合金或难熔金属制造。一般电阻钎焊用的电极应有较高的 导电率；相反，用作加热块的电极则需要用高电阻的材料。在所有情况制作电极的材料 应不为钎料所润湿。为了保证加热均匀，通常电极的端面应制成与焊接头相应的形状和 大小。电阻钎焊使用的电极压力应比电阻焊使用的低，目的仅是保证零件钎焊面良好的 电接触和从钎缝中排除多余的熔化钎料和钎剂残渣。 电阻钎焊目前主要用于电机的定子线圈、导线端头、各种电触点，以及电子设计中 印刷电路板上集成电路块和晶体管等元器件的连接。 9 钛极板铜耳连接的t 艺及设备 1 5 传统的样机设计和虚拟样机设计 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。 在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这些试验甚至是破坏性 的。当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机试验。只有通过周而复始的 设计一试验一设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构 复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。样机的单机制造增加 了成本，在大多数情况下，设计者为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品 在上市时便有先天不足的毛病。在激烈的市场竞争的背景下，基于物理样机上的设计验 证过程严重地制约了产品的质量的提高、成本的降低和对市场的占有。 如图1 3 所示，为传统的现实设计制造过程。它需要从设计试制一评价一制造反 复循环，需要反复制造与试验物理样机( p h y s i c a lp r o t o t y p i n g ) ，从试制阶段起就需 要投入大量原料、人员、厂房、设备，时间长，成本高，效率低，风险大。 虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 技术可使产品设计人员在各种虚拟环境( v i r t u a l e n v i r o n m e n t ，v e ) 中真实地模拟产品整体的运动及受力情况，快速分析多种设计方案， 进行对于物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得系统级的优化设计方 案1 2 巾】。 图1 3 传统的现实设计制造过程 品 图1 4 虚拟的设计制造过程 图1 4 所示为虚拟设计制造，它的设计一加工一装配一评价阶段都可以在虚拟环境 下进行，即所谓“数字样机( d i g i t a lp r o t o t y p i n g ) 的反复设计一加工一装配一评价， 1 0 硕十学位论文 得到的和传输的是数据信息；在实际制造阶段才需要投入原料、人员、厂房、设备，时 间短，成本低，效率高，风险小，可以迅速对市场的需求和产品的质量做出反应控3 2 制。 当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计质量 和效率也得到了提高。 本论文在虚拟样机设计过程中用到的主要软件是s o li d w o r k s 。利用s o li d w o r k s 对 设计方案进行立体建模，之后对焊机进行动画演示，以便使设计人员对设备具有一定的 感性认识，这为设计人员的后续设计工作提供了很好的参考依据和设计准则；同时利用 s o li d w o r k s 软件对焊机的主要零部件进行三维实体建模，然后对焊机进行了虚拟装配。 6 课题的研究内容及意义 1 6 1 本课题研究的内容 本课题通过比较国内外铜与钛的焊接方法，并结合本课题的具体实际情况，选择电 阻钎焊方法进行铜与钛的大面积板的焊接，并且要满足铜与钛之间的导电性能要求。然 后根据所选择的焊接方法，进行工艺性试验，最后从接头微观组织、接头力学性能等方 面论证所选择焊接方法的可行性，然后，根据实际生产的需要，初步设计一套焊接自动 化设备。 1 6 2 本课题研究的意义 现代工程结构中，不仅需要对大量的同种材料进行焊接，同时也需要对相当数量的 异种材料进行焊接。在工程及制造中采用异种材料焊接结构，不仅能满足不同工作条件 对材质的不同要求，而且还能节约贵重金属，降低结构整体成本，充分发挥不同材料的 性能优势。在某些情况下，异种材料结构的综合性能甚至超过单一金属结构。因此，异 种材料的焊接日益受到人们的重视，具有广阔的应用前景，近年来在航空航天、石油化 工、电站锅炉、核动力、机械、电子、造船及其他一些领域获得越来越广泛的应用【5 j 。 钛及钛合金属于活性金属，具有密度小、强度高、高温性能好等特点；铜则具有抗 氧化、高的导电性、导热性等优点。铜钛异种金属的连接，不仅具有铜的导电性、导热 性高、接触电阻低和外形美观等优点，也具有钛的质轻、耐腐蚀、耐用等综合性能，可 广泛应用于电子、电力、冶金、能源等领域。 随着工业生产中对异种材料焊接结构需求的不断扩大，其焊接技术也越来越受到重 视。焊接方法的选择要根据不同的异种材料组合、不同的结构形状以及不同的应用环境 来确定。目前，钎焊技术是异种材料焊接的最重要的方法，其它方法都存在各自的局限 性1 7 。在实际生产中广泛采用的钎焊方法有烙铁钎焊、火焰钎焊、电阻钎焊、声波钎焊、 感应钎焊、浸渍钎焊、炉中钎焊。通过比较各种钎焊的优缺点，并结合试验要达到铜钛 板大面积焊接的目的，我们最终选择用电阻钎焊方法进行c u - t i 焊接试验。 电阻钎焊作为钎焊的一种形式，有着独特的优势，因而在很大程度上有着广泛的应 钛极板铜耳连接的t 艺及设备 用。电阻钎焊是利用电流通过焊件或与焊件接触的加热块所产生的电阻热加热焊件和熔 化钎料的钎焊方法【1 3 1 。电阻钎焊与其他的钎焊方法比较起来，其优点是加热迅速，生产 率高，加热十分集中，对周围的热影响小，劳动条件好，容易实现生产的自动化。常规 的关于钛与铜的焊接方法有真空扩散焊、等离子弧焊、钎焊及电子束焊等，然而关于采 用电阻钎焊焊接钛与铜的方法尚未有相关报道，并且为进一步拓宽c u - t i 焊接件的应用， 有必要做这方面的深入研究和探索。 总之，本课题对于满足工程结构的实际生产需要和推动科学研究都起到了重要的作 用。 1 2 硕十学位论文 2 1 前言 第