（材料加工工程专业论文）铜铝异种有色金属钎焊的性能试验研究.pdf

铜铝异种有色金属钎焊的性能试验研究 摘要 本文概述了铜、铝合金的性能特点及其在工业领域中的应用前景，分析了 铜铝异种金属焊接过程中的主要问题，阐述了能够应用于铜、铝合金焊接的各 种焊接方法、工艺要素及相关研究现状，其中包括冷压焊、摩擦焊、扩散焊、 爆炸焊、电阻焊、激光焊、钎焊等，提出了有待进一步研究的相关问题。 本课题以铜铝异种金属构件潜在的工程应用为背景，试验选用钎焊方法将 两者连接起来，并就相关的钎焊问题开展试验研究，内容包括对铜铝异种金属 进行真空钎焊和火焰钎焊试验；选用a 1 s i m g 钎料去研究不同的工艺参数对真 空钎焊接头性能的影响，并选用不同的钎料去研究钎料成分对火焰钎焊接头性 能的影响；选用利用金相显微镜、显微硬度计、万能拉伸试验机、扫描电子显 微镜、x 射线衍射仪等试验测试手段，对焊接接头的微观组织结构、显微硬度、 接头力学性能、接头区形貌特征及物相成份等进行分析；探讨铜铝及其合金焊 接过程中产生宏观缺陷和微观缺陷的原因和预防措施。 研究结果表明：在工艺参数选择合适的情况下，钎焊可以得到表面成形良 好的接头。钎焊温度，保温时间和钎料层厚度是影响真空钎焊接头质量的主要 因素，而钎料成分和装配间隙是影响火焰钎焊接头质量的主要因素。火焰钎焊 接头的钎缝中心区硬度明显高于两侧扩散区的硬度，进一步验证钎缝中有大量 脆性相的生成。真空钎焊和扩散焊接头的强度相对偏低，而火焰钎焊的接头强 度相对较高。接头拉伸断裂多发生在钎焊中心区，而且断裂面上有撕裂的痕迹， 小部分呈现光亮带，可以推断断裂的方式可能是韧脆混合断裂形貌。钎缝中的 物相主要有0 【a 1 固溶体，c u a l 2 ，a 1 4 c u 9 等脆性相，脆性相的存在会严重削弱 接头的强度，并导致焊缝中产生微裂纹。接头中常见的缺陷有脆性相、气孔、 裂纹等。钎料中加入少量的稀土元素不仅可以细化钎缝中晶粒，而且可以弥散 分布焊缝中的脆性相。焊前彻底清除焊件表面的氧化膜和油垢，加强对焊缝的 保护等工艺措施，可以有效地减少焊缝中气孔和裂纹。 关键词：铜铝；钎焊；接头性能；焊接缺陷 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho np r o p e r t i e sa b o u td i s s i m i l a r n o n - - f e r r o u sm e t a l sc o p p e ra n da l um i n i umo fb r a z i n g p r o c e s s a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n di n d u s t r i a l a l l o y sw e r es u m m e r i z e di n t h i sp a p e r ， a p p l i c a t i o n so fc o p p e ra n da l u m i n i u m a n dt h em a i np r o b l e m si nc o p p e ra n d a l u m i n i u mw e l d i n gw e r ea n a l y z e d s o m ew e l d i n gm e t h o d st h a tm a yb eu s e do n c o p p e ra n da l u m i n i u ma l l o y s ，a n di t sp r o c e d u r ef a c t o r sa sw e l la si t su p d a t e d r e s e a r c hr e s u l t sw e r er e v i e w e d ，i n c l u d i n gc o l dw e l d i n g ，f r i c t i o nw e l d i n g ，d i f f u s i o n w e l d i n g ，e x p l o s i o nw e l d i n g ，r e s i s t a n c ep o tw e l d i n g ，l a s e rw e l d i n g ，b r a z i n ga n ds o o n ，a n dt h ef o r w a r d i n gp r o b l e m st ob er e s e a r c h e dw e r ep o i n t e do u ta sw e l l r e g a r d i n gp o t e n t i a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o fc u a ld i s s i m i l a rm e t a l c o m p o n e n t sa st h eb a c k g r o u n d ，c o p p e ra n da l u m i n i u mw a sc o n n e c t e db ym e a n so f b r a z i n ga n dp r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t hb r a z i n g w e r es t u d i e d i tw a ss t u d i e dt h a tj o i n t p r o p e r t i e si nv a c u u mb r a z i n gb yd i f f e r e n tp a r a m e t e r sw h e nu s i n ga 1 s i m gf i l l e r m e t a l ，a n dc h o o s i n gd i f f e r e n tb r a z i n gf i l l e rc o m p o s i t i o nt os t u d yjo i n tp r o p e r t i e si n t h ef l a m eb r a z i n g i tw a sc o n t a i n e dt h a tt h ev a c u u mb r a z i n ga n df l a m eb r a z i n g e x p e r i m e n t s o nd i s s i m i l a rm e t a l s c o p p e r a n da l u m i n u m ， a n a l y z i n g t h e m i c r o s t r u c t u r e ，m i c r o h a r d n e s s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y ，a r e am o r p h o l o g yi nb r a z i n g z o n e sa n dp h a s ec o m p o s i t i o n so fjo i n t sb ym e a n so fo p t i c a lm i c r o s c o p e ，v i c k e r s ， u n i v e r s a lt e n s i l e t e s t i n gm a c h i n e ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y a n dx - r a y d i f f r a c t i o n ，a n dd i s c u s s i n gt h er e a s o n st h a tc a u s e dm a c r o s c o p i c a la n dm i c r o c o s m i c d e f e c t s ，a n dt h ep r e v e n t i v em e a s u r em e a s u r e si nt h eb r a z i n g p r o c e s so f j o i n t s t h er e s u l t ss h o wt h a tg o o ds u r f a c ew e l d e djo i n t sc a nb eg o tu n d e rp r o p e r m a t c h i n go fb r a z i n gp a r a m e t e r s t h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h eq u a l i t yo ft h e jo i n t sb y t h ev a c u u mb r a z i n ga r eb r a z i n gt e m p e r a t u r e ，h o l d i n gt i m ea n dt h e t h i c k n e s so ft h eb r a z i n gl a y e r ，w h i l et h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h eq u a l i t yo ft h ej o i n t s b yt h ef l a m eb r a z i n ga r et h es o l d e rc o m p o s i t i o na n da s s e m b l i n gs p a c e t h a tt h e h a r d n e s so ft h ec e n t r a la r e ao nb o t hs i d e so fj o i n t sb yt h ef l a m eb r a z i n gi s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h a to ft h ep r o l i f e r a t i o nz o n ef u r t h e rv e r i f yal a r g en u m b e r o fb r i t t l ep h a s e sc o m i n gi nt h eb r a z i n gz o n e s t h es t r e n g t ho f jo i n t sb yt h ev a c u u m b r a z i n ga n dd i f f u s i o nw e l d i n gi sr e l a t i v e l yl o w ，w h i l et h a to fj o i n t sb yt h ef l a m e b r a z i n gi sr e l a t i v e l yh i g h t h em o s tt e n s i l ef r a c t u r eo fj o i n t so c c u r si nt h ec e n t r a l a r e ao fb r a z i n g ，a n dt h a tt h ef r a c t u r es u r f a c eh a st h et o r nt r a c e sa n das m a l lp a r to f t h eb r i g h tb a n dc a nb e i n f e r r e dt h a tt h et o i r l no ff r a c t u r e c a nb et h em i x e d d u c t i l e b r i t t l ef r a c t u r em o r p h o l o g y t h em a i np h a s e si nt h eb r a z i n gz o n e sa r e 仅一a i s o l i ds o l u t i o n ，c u a l 2 ，a 1 4 c u 9a n ds oo n ，w h i c hw i l ls e r i o u s l yu n d e r m i n et h e s t r e n g t ho fj o i n t sa n dl e a dt oc o m i n ga b o u tm i c r o - c r a c k si nt h ew e l d t h ec o m m o n w e l d e dd e f e c t si nt h ej o i n t sa r eb r i t t l ep h a s e s ，p o r o s i t y ，c r a c k s ，e t c as m a l la m o u n t o fr a r ee a r t he l e m e n t si nt h ef i l t e rm e t a lc a nn o to n l yr e f i n et h eg r a i n ，a n dd i s p e r s e t h eb r i t t l ep h a s ei nt h ew e l d t h eo c c u r r e n c eo fw e l dp o r o s i t ya n dc r a c k sc a nb e r e d u c e db yt a k i n gs o m em e a s u r e s ，s u c ha sr e m o v i n gt h eo x i d ef i l m ，d i r ta n do i l c o m p l e t e l yb e f o r ew e l d i n g ，s t r e n g t h e n i n gt h ep r o t e c t i o nf o rw e l d i n gp o o l ，e t c k e y ：c o p p e ra n da l u m i n i u m ；b r a z i n g ；p r o p e r t i e so fjo i n t s ；w e l d i n gd e f e c t s 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1o 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 10 图4 1 1 图4 12 图4 1 3 图5 1 图5 2 图5 3 插图清单 g q y z l 12 0 0 型真空炉。1 4 炉中真空钎焊接头宏观照片1 8 炉中固相扩散焊接头的宏观照片1 9 火焰钎焊接头的宏观照片2 0 母材的溶蚀2 1 l f 2 l c u 真空钎焊接头金相照片2 3 l f 2 1 c u 炉中固相扩散焊金相照片2 4 l f 2 1 c u 火焰钎焊金相照片2 6 a i c u 火焰钎焊金相照片2 7 l d 3 1 c u 板材8 5 1 5 钎料火焰钎焊金相照片2 7 焊后热处理金相照片2 8 8 2 1 3 钎料火焰钎焊l f 2 1 c u 接头的s e m 形貌照片3 0 8 5 1 5 钎料火焰钎焊l f 2 1 c u 接头的s e m 形貌照片3 l a i s i l a s r 钎料火焰钎焊l f 2 1 c u 接头的s e m 形貌照片3 1 l f 2 1 c u 真空钎焊接头的s e m 形貌照片3 2 c u l f 2 1 接头扫描图谱( 8 515 钎料) 3 3 8 2 1 3 钎料钎焊c u l f 2 l 接头扫描图谱3 4 a 1 s i l a s r 钎料钎焊c u l f 2 1 接头扫描图谱3 5 c u l f 2 1 真空钎焊接头扫描图谱3 6 l f 2 1 c u 真空钎焊接头区x 衍射3 7 8 2 1 3 钎料火焰钎焊l f 2 1 c u 接头区x 衍射图谱3 8 8 5 1 5 钎料火焰钎焊l f 2 1 c u 接头区x 衍射图谱3 8 铝硅钎料火焰钎焊l f 2 l c u 接头区x 衍射图谱3 9 8 6 1 2 钎料火焰钎焊l f 2 1 c u 接头区x 衍射图谱3 9 真空钎焊硬度随到焊缝中心的距离变化的分布曲线4 2 炉中扩散焊硬度随到焊缝中心的距离变化的分布曲线4 3 火焰钎焊硬度随到焊缝中心的距离变化的分布曲线4 3 表格清单 表1 1纯铜物理性能1 表2 1 铝及铝合金的化学成分一1 1 表2 2纯铜和l f 2 l 的力学性能1 1 表2 3铝基钎料的化学成分及参数1 2 表2 4炉中真空钎焊的试验参数1 5 表2 5火焰钎焊的工艺参数1 6 表2 - 6炉中扩散焊的试验参数1 6 表4 18 5 1 5 钎料钎焊c u l f 2 1 接头元素分布3 3 表4 28 2 1 3 钎料钎焊c u l f 2 1 接头元素分布3 4 表4 3a i s i l a s r 钎料钎焊c u l f 2 1 接头元素分布3 6 表4 4c u l f 2 1 真空钎焊接头元素分布3 6 表5 1真空钎焊焊缝两侧的硬度值4 1 表5 2炉中扩散焊焊缝两侧的硬度值4 2 表5 3火焰钎焊焊缝两侧的硬度值4 3 表5 4试样剪切试验结果一4 4 独创性声明 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，也不包含为获得金壁兰些太堂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 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：r 习化 签字日期：珈f 碑月f 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁r 工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授 权金g 曼工些太堂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。 ( 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： 圄认 签字日期：凇c 口年午月阳 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 蓐玩 签字日期：少，一年细杉日 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，我要特别感谢我的导师徐道荣副教授，是他孜孜不倦的 教导和无微不至的关怀，使我在学术领域内不断前进，不断进步。在研究生学 习阶段，徐老师倾注了大量的心血，无论是在论文选题、构思、资料收集方面， 还是研究方法及论文撰写方面，老师都给了我很大的帮助，在此致上深深的谢 意。 感谢焊接教研室的李萌盛副教授和焊接实验室的秦琳老师，在他们的帮助 下，许多研究工作才得以实施，特此感谢。同时，对焊接教研室的其他老师一 并表示真诚的感谢。 感谢所有关心支持和帮助过我的同学，特别对在课题研究中给予许多帮助 的张焘、邵光辉、许德星、孙芳芳、宋荣武以及实验室孙钦德等同学，在与他 们的探讨研究中，许多思路得以实现。 最后，对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心的感谢! 作者：闫飞 2 0 10 年4 月 第一章铜铝异种金属及焊接研究现状 铜铝及其合金具有良好的导电、导热性能，耐蚀性能和良好的加工成形性 能。因而在电气、电子、化工、食品、动力及交通等部门都得到了广泛的应用。 随着国民经济的迅猛发展，对铜铝及其合金的焊接技术要求愈来愈迫切， 焊接新工艺、新技术得到了不断的推广。人们在大量的科研生产实践中取得了 长足的进展。 1 1铜铝异种金属的性能与应用 1 1 1铜、铝金属的物理性能 铜属于重金属，其密度为8 9 2 9 c m 3 ，为镁的5 倍，比碳素钢重约1 5 。纯 铜的熔点是1 0 8 3 ，固态时具有面心立方晶格，无同素异构转变。铜呈玫瑰红 色，表面形成氧化膜后呈紫色，所以俗称紫铜。纯铜含铜的质量分数是9 9 9 5 ， 其余是杂质。纯铜是一种逆磁性物质，磁化系数为负数，因此用铜制作的各种 仪器和机件不受外来磁场的干扰。铜的导电和导热性能非常好，其导电性仅次 于银，居第二位；铜的热导率比钢的热导率大5 倍。铜在大气、水、水蒸汽及 热水中不易被腐蚀，在含有硫酸和二氧化硫的气体或海洋性气体中，铜的表面 能生成一层致密的保护膜，腐蚀性很小。铜的各种性能受氧、铅、铋、硫等杂 质的影响很大，如有这些杂质存在会使铜的导电性显著降低。铜具有很好的塑 性，因此可承受各种形式的冷热压力加工。液态铜流动性好。纯铜物理性能如 表1 1 所示。 表1 1纯铜物理性能【2 1 晶格类型面心立方晶格 导热系数 38 6 4 w ( m k 1 熔点 1 0 8 3 线胀系数( 0 10 0 ) 1 6 5 1 0 - 6 k 。i 沸点 2 5 8 0 电导率( 2 0 ) 1 6 8 1 0 。1 0q m 密度( 2 0 ) 8 9 6 9 c m 3 铝属于轻金属，其密度为2 7 9 c m 3 ，为铜的1 3 。纯度( 质量分数) 为9 8 - - 9 9 9 。铝的导电性和导热性较好，仅次于银、铜和金，居第四位。铝在固态 和液态时都极易氧化，其表面形成一层致密的氧化铝薄膜。氧化膜可以隔绝铝 和氧的接触，防止铝表面进一步氧化；但氧化膜也能阻碍铝和其他金属的结合， 降低了铝的焊接性。铝的塑性很好( 甲= 8 0 ) ，可以通过冷、热压力加工制成 各种型材，如丝、线、箔、片、棒和管等。这与铝具有的面心立方晶格有关。 铝的强度很低( c b = 8 0 m p a - - - - l0 0 m p a ) ，冷变形加工硬化后强度可提高到 o b = 1 5 0 m p a 2 5 0 m p a ，但塑性下降到q j = 5 0 - - 6 0 。铝在液态时流动性很大， 在5 5 0 以上强度显著降低，这会给铝的焊接带来一些困难1 3 j 。 1 1 2分类 工业纯铜按氧的含量和生产方法可以分为韧铜、无氧铜、和脱氧铜三类。 纯铜强度低，不宜直接用作结构材料，除用于电机、电器工业外，多用于配置 铜合金的原料。铜合金主要有黄铜，青铜和白铜。黄铜是铜与锌的合金。青铜 是历史上应用最早的一种合金，原指铜锡合金，因其颜色呈青灰色，故称青铜。 为了改善合金的工艺性能和机械性能，大部分青铜内加入其它合金元素，如铅、 锌、磷等。现在除黄铜和白铜( 铜镍合金) 以外的铜合金均称为青铜。白铜以 镍为主要添加元素的铜基合金呈银白色，称为白铜。铜镍二元合金称为普通白 铜，加锰、铁、锌和铝等元素的铜镍合金称为复杂白铜，纯铜加镍能显著提高 强度、耐蚀性、电阻和热电性。 纯铝按其纯度可分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝。高纯铝的纯度为 9 9 9 9 69 9 9 3 ，主要用于科研和电容器。工业高纯铝的纯度为9 9 9 9 9 8 5 ， 主要用于制造铝箔、包铝及铝合金原料。工业纯铝的纯度为9 9 o 9 8 0 ，主 要用于配置铝基合金和制造导线、电缆和电容器等。 铝合金中常用合金元素有s i 、m g 、c u 、m n 、z n 及稀土元素等。这些元素 在a l 中能够形成a l 基有限固溶体( a ) 。根据合金元素和加工工艺特点，可将 铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金按照性能特点和用途 分为防锈铝( l f ) 、硬铝( l c ) 、超硬铝( l d ) 和锻铝( l y ) 四种。前一种属 于不能热处理强化铝合金，后三种属于热处理强化铝合金。铸造铝合金按加入 的元素不同，可分为a 1 s i 系、a 1 c u 系、a i m g 系和a 1 z n 系四种合金1 4 j 。 1 1 3铜铝结构件的特点和应用 现代机器制造业最迫切的问题之一，是在提高结构和设备的工作技术性能 和可靠性的同时，降低金属消耗量【5 】。由于铝合金具有密度低、强度高、耐腐 蚀、热导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 民经济各领域及国防建设中，用量仅次于钢铁材料，成为第二大金属材料。铜 及其合金具有优良的导电、导热性能、耐腐蚀和良好的加工成形性能也获得了 广泛的应用 6 3 】。但铜为稀缺金属，属于战略资源，国内每年需要进口大量铜材 【8 1 。通常零部件仅有一部分结构经受特定的负荷、温度和介质的作用，因此将 铜、铝及其合金连接形成复合结构，不但能够减轻构件的重量、节约材料，而 且能发挥各自的性能优势一j 。 铜铝接头有着优良的机械性能和导电性能，不仅可以被广泛应用于电气工 程，而且可以应用于制冷和供暖设备。例如空调的连接配管，冰箱、空调的冷 凝器和蒸发器以及太阳能接受装置等。 1 2铜铝异种金属的焊接 2 1 2 1 存在的焊接问题 ( 1 ) 氧化 由于铜与铝对氧的亲和力很大，所以在铜和铝的接头表面及熔池中都会发 生如下反应： 2 c u + 0 2 = 2 c u o ( 1 ) 4 c u + 0 2 = 2 c u 2 0 ( 2 ) 4 a l + 30 2 = 2 a 1 2 0 3 ( 3 ) 形成的氧化物难以除掉，在熔池结晶时，靠近铜母材金属一侧容易产生c u o 和 c u 2 0 ，靠近铝母材金属一侧产生a 1 2 0 3 ，这些氧化物使铜与铝及填充材料不能 很好地熔合，同时会形成很多共晶分布于晶界，引起焊缝裂纹或脆断。 ( 2 ) 焊接裂纹 铜与铝产生裂纹的主要原因：由于铜的线胀系数比铝的大0 5 倍，故铜与 铝的焊接接头很容易产生热应力，当应力值大于接头强度极限时就发生裂纹。 由于高温冶金反应，熔池中易形成c 0 2 、c o 和h 2 等气体，在结晶过程中会产 生一定的压力，尤其是氢的析出产生的压力更大，使焊缝容易产生裂纹。由于 氧化的原因，靠近铜母材金属一侧形成共晶温度为10 6 5 ( 比铜熔点低2 0 ) 的共晶体( c u + c u 2 0 ) ，靠近铝母材金属一侧形成难熔的a 1 2 0 3 ，分布于晶界， 使焊缝的脆性增加，裂纹倾向增大。 ( 3 ) 焊缝气孔 铜与铝焊接时产生气孔的主要原因是：由于铜和铝的导热性能非常好，熔 池结晶过程很快，因此冶金反应产生的气体来不及逸出熔池的表面，残留在焊 缝中形成气孔。铜与铝在液态时，能强烈地溶解和吸收气体，如氢会随着温度 的升高而溶解度显著增大；当冷却时，氢的溶解度又显著下降，在7 0 0 。c 和 1o o o 会发生突变，过饱和的氢析出形成气泡外逸，熔池结晶速度很快，气泡 来不及全部浮出熔池表面，而在焊缝中形成气孔。由于两种母材金属表面的氧 化膜有吸附水，被焊接头清理不干净，存有油脂或杂质，填充材料潮湿，保护 气体不纯及空气侵入焊接区等，也能使焊缝产生内部气体和表面气孔。 ( 4 ) 合金元素烧损 在铜与铝的母材金属中，a l 、s n 、z n 及p b 等元素的熔点低于c u ，而m g 和m n 等元素的熔点低于a l 。当焊接温度达到使两种母材金属都融化时，必然 会产生低熔点合金元素的蒸发和烧损。 另外，z n 极易蒸发，在空气中氧化成白色烟雾状氧化锌( z n o ) 。z n 的蒸 发不仅能使异质结构件焊缝的力学性能和抗蚀性能降低，而且氧化锌烟雾能使 焊接操作者产生严重的慢性中毒。所以焊接铜与铝时，必须制定特殊的焊接工 艺，选择合适的填充材料和焊接方法，采取车间整体排风除尘或局部抽风等防 护措施。 ( 5 ) 接头耐蚀性差 铜铝电极电位相差较大，易引起腐蚀；在钎缝中有脆性化合物生成使接头 强度降低。另外，冷却时钎缝中有大量c u a l 2 析出，c u a l 2 的电极电位比a l 的 电极电位高，易产生晶间腐蚀。为除去致密的铝氧化膜，需要使用腐蚀性大的 钎剂，钎剂的残渣吸潮后形成腐蚀剂，对接头有强烈的腐蚀作用【l 。国外资料 介绍需要专门的技术避免脆性，脆性存在是影响铜铝钎焊应用的主要障碍【l 。 1 2 2铜铝异种金属的焊接方法 异种材料焊接往往带来很多问题，一直是研究的热点问题【1 2 。6 1 。能够实现 铜铝异种金属焊接的方法有：熔化焊、固态焊接、钎焊三类。由于铝铜熔点相 差很大，选用熔化焊将铜铝焊接在一起存在一定困难。当焊缝中铜含量在1 2 13 以下时，综合性能最好。为防止由于金属间化合物而影响接头的强度、塑 性，应尽量缩短液态与固态铜接触的时间【1 7 】。 固态焊接技术是指对焊件表面清理后，施加静态或动态压力，加热或不加 热，在母材不熔化情况下使两种材料发生固相结合的焊接方法。摩擦焊、扩散 焊、爆炸焊、超声波焊等均属此类。它有以下优点：更适合于异种材料的连接。 液态不相容的金属，金属和非金属( 陶瓷) 之间的连接。对接头性能影响较小。 由于加热温度低或是根本不加热，所以接头热影响区小或是根本无热影响区。 对于那些热敏材料之间的连接，这一点尤为重要。一般生产效率较高，节能。 焊接不经历加热冷却过程，故效率较高( 扩散焊例外) 。基于以上各种优点，固 态焊接技术在航天、航空、核能、电子、电力、汽车制造、机械加工、石油钻 探、海洋开发等领域已经已经得到越来越广泛的应用 1 9 , 1 9 j 。铜和铝常用的压焊 有：闪光对焊、冷压焊、摩擦焊、真空扩散焊、电容储能焊等【2 0 。2 2 1 ，这些方法 均需用专门的焊接设备，不但投资大而且不能在安装现场进行焊接，只能预制 铝铜接头，因此存在很大的局限性1 23 。 钎焊方法是使母材金属不熔化，而靠钎料熔化后填满间隙，并与母材金属 之间发生溶解、扩散等冶金作用的金属焊接方法，因此特别适合异种材料的焊 接。钎焊同时钎焊还具有工件变形小，设备简单，操作简便，可在现场进行焊接 等优点。铜铝钎焊根据热源不同又可以分为： ( 1 ) 超声波钎焊 铝铜超声波钎焊主要利用超声波的振动击碎基体表面的氧化膜，然后加压 使铝铜基体结合，避免了由于使用钎剂而带来的腐蚀问题，提高了接头的抗腐 蚀能力。超声波钎焊有两个问题：一是刚开始启动超声波时，钎料对母材有局 部强烈冲击；二是钎料不易填满钎缝，易形成未填满或间隙。另外超声波设备 昂贵复杂，要求工人要有熟练的维护保养水平。 ( 2 ) 电阻钎焊 4 电阻钎焊是依靠电流通过工件的钎焊处产生的电阻热加热工件和熔化钎料 来实现钎焊的。钎焊时，要施加适当的压力，压力要维持到接头完全凝固为止。 电阻钎焊具有加热迅速、生产率高等特点。用这种工艺钎焊的铝铜接头静力性 能好，但在动应力试验中，性能较差。这种方法要使用腐蚀性钎剂，接头易受 腐蚀。 ( 3 ) 扩散钎焊 扩散钎焊时，在温度和压力的作用下，母材表面产生极小的微观塑性流变 相互紧密接触，再经过一段时间的保温扩散，使连接表面相互结合而形成接头。 为防止加热和保温过程中金属氧化，必须在真空或保护气氛中进行钎焊，真空 度应达到1 3 3 x 1 0 - 4 p a 。应当指出，即使在这种条件下仍有氧化膜形成，因为 a l 在高真空度下也能同氧结合。扩散钎焊的主要优点是能钎焊较为复杂的工 件，而且可钎焊型面工件的整个表面，焊接处没有变形。扩散钎焊使用a l 基钎 料，加人s n 能松弛热应力和促进铝氧化膜的破裂，再加人其它元素可进一步 提高接头的强度。扩散钎焊的应用受到了以下条件的限制：抽真空和钎焊时间 长，费用高昂，工件尺寸受到真空炉的限制。 ( 4 ) 真空钎焊 真空钎焊不需要使用钎剂，不存在残余钎剂腐蚀铝铜接头的问题，再采用 合理的钎焊工艺减少铝铜接头中的脆性相，就能获得性能稳定的铝铜接头。但 c u a 1 真空钎焊仍存在铝表面氧化膜的去除及工艺不当造成的接头溶蚀问题。 因此在焊前需要对焊件表面做严格的处理，去除表面的油垢和氧化皮，确保焊 件表面光洁，使焊件表面能够很好的接触反应，这样可以取得比较理想的接头 质量。 ( 5 ) 火焰钎焊 火焰钎焊是利用可燃气体或液体燃料的气化产物与空气混合燃烧所形成的 火焰来进行钎焊加热的。这种方法通用性大，工艺过程较简单，所以设备简单 轻便，容易自制，燃气来源广，不依赖电力供应，又能保证必要的钎焊质量， 所以应用较广。但是，手工操作时加热温度难控制，对操作者的技能要求较高。 在焊前还要对焊件表面做去油垢和氧化皮处理，如果操作不当接头还会出现未 钎透等缺陷。另外，火焰钎焊是一个局部加热过程，可能在母材中引起应力或 变形【2 4 】。 1 2 3 焊接研究现状 孙德超等人【2 5 】分析了铜铝直接钎焊的可行性，从钎料、钎剂和钎焊工艺参 数等方面对铜铝直接钎焊进行了研究。研究结果表明：在选择合适的钎料与钎 剂后，通过降低钎焊温度，减少钎焊时间，调整钎缝的间隙和基体表面粗糙度， 进行焊后处理，可以获得具有二定强度的铜铝钎焊接头；z n 一4 0 s n 2 c u 及 z n 5 5 s n 2 5 s i 一2 5 a g 钎料与a l 反应钎剂匹配可取得钎焊铜铝较理想的结果。 南京航空航天大学薛松柏【2 6 】采用火焰钎焊技术，实现了铜铝管的中温钎焊连接： 采用改良的无腐蚀钎剂和中温钎料在很大程度上减少了金属间化合物的生成。 苏文英等人【27 】对铜铝火焰钎焊材料进行了研究。但由于火焰钎焊使用钎剂，需 焊后清理，且火焰钎焊操作技术很难掌握，因此难以保证接头质量。山东大学 邹增大等人【2 8 】对冰箱制冷系统铜铝管连接的研究表明：采用锌镉钎料配合溴化 物钎剂，以及采用铝基钎料配合氟化物钎剂，能获得成形良好的接头。但焊缝 中有脆性组织和气孔产生，合理控制能够满足产品的强度和耐蚀性要求；采用 n o c o l o k 钎剂感应钎焊方法，焊缝中没有气孔，由一层极薄的脆性组织组成。 锌镉钎料接头的耐蚀性符合产品要求，工艺成本低，但钎料含镉，环保性差。 使用钎剂的钎焊，焊后需要清理焊剂残渣，要消耗大量淡水，会不可避免 地带来环境污染问题。残留钎剂的腐蚀及污染问题的存在促使人们对无钎剂钎 焊技术进行了大量研究。无钎剂钎焊一般在保护气氛或真空状态下进行。真空 状态有利于铝表面氧化膜的去除【2 9 1 。 哈尔滨工业大学的钱乙余等人对c u a 1 接触反应及其液相行为的研究【3o 】表 明，在接触反应中c u a 1 共晶液相的行为包括：一方面液相沿a l 基体表面优先 反应铺展：另一方面在基体深度方向上也有明显的晶间渗透作用。同时为确定 a 1 c u a 1 接触反应钎焊工艺参数，研究了工艺参数对接触反应中共晶液相铺展 行为的影响。结果表明，5 7 0 5 8 0 的反应温度和15 m i n 的保温时间是c u a i 接触反应钎焊比较适合的工艺参数。日本广岛大学小山等人【3 l j 采用a l s i m g b i 钎料真空钎焊c u a 1 接头的研究表明：合适的钎焊温度为5 2 0 5 4 0 ，接头区有 c u a l 2 ，c u 3 a 1 2 两种金属间化合物生成。断裂破坏发生在金属间化合物处，7 0 发生在c u a l 2 相上，接头强度主要由生成的金属间化合物类型决定，焊接条件 影响较小。山东大学李亚江课题组【32 j 主要对c u a 1 异种金属进行了真空钎焊工 艺及接头组织性能研究，试验结果表明，通过严格控制加热温度、保温时间和 真空度可以获得界面结合紧密的c u a 1 异种金属接头，接头界面区主要由铜侧 过渡区、钎缝和铝侧过渡区组成，有少量金属间化合物生成，这些金属间化合 物对于接头的性能有重要影响。 铜与铝都具有良好的塑性是采用压焊的有利条件。铜铝异种金属接头大多 采用摩擦焊、闪光焊、超声波焊、真空扩散焊等方法【3 3 。”】，摩擦焊是焊接铜铝 异质金属较常用的一种压焊方法。 w o n b a ol e e 等人【38 j 采用传统摩擦焊方法实现了纯铜与1 0 5 0 铝合金的焊 接。并进一步分析了退火后。处理条件下，接头中铜铝金属间化合物的生长规 律对接头电阻率及力学性能的影响。研究发现，金属间化合物宽度为2 1l a m 时， 其电阻率为4 5 1 t f 2 c m ，当金属间化合物的宽度增加至10 7 5 1 , t m 时，电阻率变为 8 5 p t q c m 。抗拉强度因金属问化合物的增长而降低，断裂位置也从a l 侧热影响 区变为整个金属间化合物层。j i a h uo u y a n g 等人1 39 j 采用搅拌摩擦焊( f s w ) 方法 6 对铜与6 0 6 1 铝合金对接接头的研究表明：焊后接头的机械混合区主要由 c u a l 2 ，c u a l 和c u 9 a 1 4 组成。该区域的显微硬度变化范围为1 3 6 7 6 0 h v o 2 。因 为脆性金属间化合物生成，直接的搅拌摩擦焊焊接铜铝有一定困难。 南昌航空工业学院柯黎明等人【4 0 】也采用搅拌摩擦焊( f s w ) 对工业纯铜t l 与防锈铝l f 6 对接接头的研究表明：搅拌头旋转速度与焊接速度的比值是保证 接头致密性和决定接头组织、性能的关键因素。板材厚度较小时，形成良好焊 缝的工艺参数范围较宽，焊接过程中接头内部发生了剧烈的塑性流动。 与传统焊接方法不同，m a b b a s i 等人【6 j 采用冷轧焊实现了c u a 1 c u 三层板 的焊接，并将焊后接头中的金属间化合物宽度与同条件下的c u a 1 摩擦焊进行 比较。研究表明：冷轧焊条件下金属间化合物的生长低于摩擦焊条件下金属间 化合物的生长。因此冷轧焊在c u a i 复合板材料的生产时，具有很大的优越性。 铜与铝熔焊时，由于两种金属性能不同( 特别是熔点相差4 2 4 ，线膨胀系数相 差4 0 以上) 以及在焊缝区形成脆性金属间化合物，直接熔焊时无法获得塑性接 头。 前苏联的里亚博夫【5 】介绍采用铜侧开坡口、自动埋弧焊以及非熔化极氢弧 焊的方法实现铜铝对接焊，但焊缝强度和塑性较低。采用预先在铜表面镀覆合 金( a g ，z n ，s n ，n i 等金属) 的办法获得了具有一定力学性能的焊接接头。镀锌时， 镀层厚度约6 0 9 m ，铜侧开坡口7 5 0 ，得到了较好的效果。镀层的应用减少了金 属间夹层的厚度，从而改善了焊接接头性能。但由于镀层金属价格较高，且镀 覆合金工艺增加制造成本，使得这一方法的应用受到限制。 新加坡制造技术研究所的t a m a i 与a c s p o w a g e 采用激光焊对c u 与 a 1 4 0 4 7 的焊接研究【4 l j 表明：降低熔化速度( 2 0 0 m p a ，抗剪强度 1 5 0 m p a ，有极好的韧性。 钎剂的作用是去除母材表面的氧化物，使液态钎料能很好地润湿被钎焊母 材的表面。钎剂的主要成分为硼酸、硼砂，另外加入一定量的氯化物或氟化物( 或 其它化学活性大的物质) 作为去膜剂或活性剂。对于炉中钎焊由于有保护气氛和 真空条件的作用，焊接过程中可不使用钎剂去膜。试验中使用的钎剂是n o c l o k 钎剂，n o c l o k 钎剂是无腐蚀性钎剂，因此在焊接过程不会腐蚀接头。 2 2 2 试验准备及接头设计 将试验母材用手工锯切割成试验所需的尺寸，并用锉刀、砂轮机打磨去除 边角毛刺。试验母材在加工和存放过程中其表面不可避免地会生成氧化物、沾 上油脂和灰尘等，它们将妨碍液态钎料在母材上铺展，因此钎焊前必须是清除 零件表面的油污和氧化物。 ( 1 ) 试样表面的脱脂 将准备好的试样放入超声波清洗仪，倒入丙酮清洗去除油脂等有机杂质。 ( 2 ) 清除表面氧化物 用1 8 0 “砂纸将试样表面磨光并使其平整。然后再用酒精溶液清洗，取出干 燥。 钎料及钎缝的强度一般低于母材的强度，因此钎焊接头的强度有赖于钎焊 1 2 面积的增大。钎焊连接的基本形式为搭接，板材零件等宽度搭接时，搭接的长 度一般应不小于较薄零件厚度的4 5 倍，一般应避免采用对接形式，必要时可被 迫采用斜对接形式，斜对接时的钎焊连接面积至少应比钎焊件正常截面积大2 4 后岂 l i t ：l o 设计钎焊接头时，一般考虑下列因素【4 5 j ： 接头应便于待钎焊零件的装配及自紧固；接头应便于安置钎料；在封闭空 间内的接头应便于钎焊时排出气体，否则钎焊时空间内的空气受热膨胀，将妨 碍液态钎料填入，使已填满间隙的液态钎料被气压挤出，造成钎焊缺陷；接头 上应留有适当的间隙。间隙的大小影响钎缝的致密性和接头强度。间隙过小时， 造成未焊透，间隙过大时，毛细作用减小，钎料难以流入接头间隙；设计异种 材料接头( 尤其是环形套接) 时，应考虑其热膨胀系数差异。可先进行计算和试 验，确定其装配间隙。 在本课题试验中根据试样及试验条件，为了方便金相组织观察和接头强度 的力学测试，采用了搭接形式的接头设计。 2 2 3 钎焊方法 真空钎焊是基于在真空中加热时金属及其氧化物产生蒸发，破坏其表面氧 化膜，从而达到去膜效果的。在真空条件下，由于压强低，有一些金属可在低 于熔点的温度下便发生显著蒸发，也有一些金属氧化物会发生挥发。金属，特 别是金属氧化物的蒸发能有效地破坏表面氧化膜，使真空条件下的无钎剂钎焊 成为可能。但如钎料中含有诸如c d 、z n 、m