（材料加工工程专业论文）镁铜异种金属tig焊接性的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 镁及镁合金材料与铜及铜合金材料都具有优良的性能，使得它们在工业工程中得到 广泛韵应用，这就必然要面临到这两种不同合金的连接问题，焊接是工程材料连接的一 种主要方法，因此将镁合金材料与铜合金材料进行焊接在工程应用方面有着重大的意 义，可以充分发挥镁合金和铜合金材料的性能优势，收到“物尽其用”的效果，但目前 还没有关于将镁合金材料与铜及铜合金材料焊接在一起的相关研究方面的报道。 本文对镁合金交流 f i g 和交流脉冲t i g 焊接进行了研究，发现交流脉冲t i g 焊接 过程中热输入集中，熔池冷却速度快，所以热影响区相对要小，而且热影响区的组织也 更加细小。拉伸试验结果表明交流脉冲1 1 g 焊接接头的拉伸强度可以达到母材的9 6 ， 而交流t l g 焊接接头的拉伸强度为母材的9 1 。 本课题采用钨极氩弧焊( t i g ) 对镁铜异种材料进行焊接，由于镁的熔点低，大约 为6 4 9 ，沸点为1 1 0 0 ，而铜的熔点为1 0 8 3 。物理性质的巨大差异使得两种余属很 难进行焊接得到满意的焊接接头。在试验中，我们采取了搭接焊的方式，对紫铜进行直 接加热，对镁合金板材间接加热，得到了成型满意的接头。两种金属在焊接过程中相互 扩散形成金属间化合物m g c u 2 和m g a c u ，所以接头的性能很低，大约为2 3 m p a 。由于 t i g 焊接热输入大，很难通过控制脆性相的厚度来提高焊接接头的性能。 选择铁箔作为中间层对镁铜异种金属进行焊接，焊接接头中没有金属闻化合物的存 在，接头的脆性明显降低，接头性能为7 5 m p a 以上，比直接焊接接头有了大幅度的提 高。焊接接头由两个界面组成：镁合金和铁箔的界面、铁箔和紫铜的界面。通过e p m a 和s e m 对界面分析发现，紫铜和铁箔之问以固溶体实现结合，而镁合金和铁箔之间则 靠原子间力来实现结合。拉伸试验时，断裂总是发生在镁合金和铁箔的界面上，x 射线 衍射结果表明拉伸断裂面上存在着大量的金属氧化物。镁铁界面上的氧化物是影响接头 性能的关键因素。 关键词：镁合金；铜合金；异种金属；t l g 焊；中间层 王生希：镁铜异种金属t i g 焊接性的研究 s t u d y o nt h et i g w e l d i n go f d i s s i m i l a rm a g n e s i u m a l l o ya n dc o p p e r a b s t r a c t t h e j o i n i n g o f d i s s i m i l a r m a g n e s i u m a l l o y s t o c o p p e r i so f g r e a t i n d u s t r i a ls i g n i f i c a n c ea s i t a l l o w sd e s i g ne n g i n e e r st ot a k ea d v a n t a g e so f t h ee x c e l l e n tp r o p e r t ys e t so f b o t hm a t e r i a l s t o d a t e ，i l or e p o r t sh a v eb e e np u b l i s h e do nt h ew e l d i n go f t h et w od i s s i m i l a rm e t a l s a ct i gw e l d i n ga n dt i gw e l d i n g 弼mp u l s ew e r ea d o p t e dt oj o i na z 3 1p l a t e s 。t h e e l e c t r i ca r cw a ss t u d i e dw i t h1 l i s hs p e e dc a n l e r aa n dt h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gs y s t e m i t w a sf o u n dt h a tt i o w e l d i n g 、i n lp u l s eh a dam o r eq m c kc o o l i n gr a t e t h ec r y s t a lg r a i n si n t h eh e a ta f f e c t e dz o n ew e r er e l a t i v e l yf i n ea n dt h eh e a ta f f e c t e dz o n ew a ss m a l l e rw h e n w e l d i n gw i t l lp u l s e 。t h ej o i n tw i mp u l s eh a d a l li m p r o v e di n t e n s i t y t h ed i s s i m i l a rm a t e r i a l sa r ed i 伍c u l tt ow e l do na c c o u n to ft h ef o r m a t i o no fb r i t t l e i n t e r m e t a l l i cp h a s ea n dw i d ed i f f e r e n c ei np h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s n l em e l t i n g p o i n to f m a g n e s i u ma l l o yi s6 4 9 ca n dt h em e l t i n gp o i n to f c o p p e ri s1 0 8 4 。c ，s oi ti sd i f f i c u l t f o rt h et w om e t a l st om e l ta tt h es a , m et i m ea n dt of o r maj o i n t i nt h i sp a p e r , d i s s i m i l a r m a g n e s i u ma l l o ya n dc o p p e rw e r el a pw e l d e db yt i gw e l d i n g ，i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sw e r e o b s e r v e di nt h ei n t e r r a c i a lr e g i o n i tw a ss h o w nt h a tt h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sw e r et h e c a l l 鸵o f e m b r i t t l e n e s so f t h ew e l d n 圮s t r e n g t hi sa b o u t2 3m p a n l es u e n g t ho f j o i n t si sn o t b a d l yi n f l u e n c e do n t yw h e nt h et h i c k n e s so fi n t e r m e t a l t i cc o m p o u n di sv e r yt h i n , s oi ti s d i f f i c u l tt oi m p r o v et h es t r e n g t hb yc o n t r o l l i n gt h et h i c k n e s si nt h em e l t i n gw e l d i n g ，b e c a u s e t h eh e a ti n p u ti sc o n c e n t r a t e di nt h em e l t i n gw e l d i n g w i t hi r o np l a t ea si n t e r l a y e r ，t h ee m b r i t t l e n e s so f j o i n tw a so b v i o u s l yd e c r e a s e d ，t h et e n s i l e s t r e n g t ho f t h ej o i n ta r eh i 啦c o m p a r e dw i t ht h o s ew i t h o u ti r o np l a t e 弧es t r e n g t hi sa b o u t7 5 m f a i tw a sf o u n dt h a ti r o np l a t ej o i n e dc o p p e rw i t hs o l i ds o l u t i o na n di r o np l a t ej o i n e d m a g n e s i u ma l l o yt o g e t h e rw i t hi n t e r a t o m i cf o r c e t h ew e l df r a c t u r e da tt h ei n t e r f a c i a lr e g i o n b e t w e e ni r o np l a t ea n dm a g n e s i u ma l l o y m e t a l l i co x i d e sw e r eo b s e r v e di nt h ei n t e f f a c i a l r e g i o nb e t w e e ni r o np l a t ea n dm a g n e s i u ma l l o y i tw a st h em a i nr e a s o ni n f l u e n c e dt h e s t r e n g t l lo f w e l d k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ；c o p p e r ；d i s s i m i l a rm e t a l ；t i gw e l d i n g ；i n t e r l a y e r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含 为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 作者签名： 日期： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连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，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 j 年月同 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 现代工程中的许多零部件需要工作在高温或低温、腐蚀介质、电磁场或放射性环境 中，其中有色金属材料的用量也比较大。所选用的材料应该是能满足工作要求的特殊材 料，单独使用一种材料常常不能满足实际应用中的各种要求。因此在现代工程结构中， 我们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 种情况下，异种材料结构的综合性能甚至超过单一金属结构。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i i - 5 。 在工程应用中，降低能源消耗、减少环境污染、节约地球上的有限资源已成为产品 设计师们所面i 临的十分重要与紧迫的任务。在这一背景下，被认为2 1 世纪最具开发和 应用潜力的“绿色材料”1 6 - 7 金属镁受到了极大的关注。镁及镁合金的晶体结构是密排 六方晶格，熔点为6 4 9 ( 2 。镁及镁合金具有密度小、比强度高、比刚度高、良好的尺寸 稳定性、抗震性、电磁屏蔽性、导热导电性、切削性，储量丰富等优点 s - t o ，特别是无 污染易于再生回收利用，使得镁合金在机械、化工、交通、航天航空、核工业、石油设 备等领域具有十分广阔的应用前景，世界各国越来越重视对镁的开发利用f 1 1 1 9 1 。近年来， 随着镁合金生产技术的完善成熟和价格的不断降低，镁合金在航空航天、汽车、3 c 产品 ( 通信、计算机及电器) 、军工产品等领域的广泛应用推动了镁合金产业的发展，成为 人们在产品材料设计上的首选。 铜具有面心立方结构，铜的密度为8 9 9 c m 3 ，熔点为1 0 8 3 【1 - 2 ，铜及铜合金具有 优良的导电性、导热性、耐蚀性及良好的塑性，冷、热加工性能良好，具有高的抗氧化 性及抗淡水、盐水、氨碱溶液和有机化学物质腐蚀的性能，铜合金还具有较高的强度性 能。铜及合金以其独特而优越的综合性能，在电气、电子、动力、化工、交通、航空和 军工等工业部门中得到较广泛的应用1 2 0 - 2 1 1 。 由于镁及镁合金材料与铜及铜合金材料都具有优良的性能，使得它们在工业工程中 得到广泛的应用，这就必然要面临到这两种不同金属的连接问题，焊接是工程材料连接 的一种主要方法，因此将镁合金材料与铜合金进行焊接在工程应用方面有着重大的意 义，可以充分发挥镁合金和铜合金材料的性能优势，收到“物尽其用”的效果【1 捌，但 王生希：异种金属镁与铜的t 1 g 焊接性研究 目前还没有关于镁合金材料与铜及铜合金材料之间焊接的相关研究报道。本课题尝试采 用钨极氩弧焊( t i g ) 对镁铜异种材料进行焊接，为镁铜异种材料焊接3 5 1 的发展提供理 论依据和实验基础。 1 2 镁及镁合金分类、焊接性特点及焊接工艺。1 1 2 ，1 镁及镁合金的分类及应用 镁是比铝还轻的一种有色金属，其熔点、密度均比铝小。纯镁由于强度低，很少用 做工程材料，常以合金的形式使用。镁合金具有较高的比强度和比刚度，并具有高的抗 震能力，能承受比铝合金更大的冲击载荷。此外镁合金还具有优良的切削加工性能，易 于铸造和锻压，所以在航空航天、光学仪器、通信以及汽车、电予产业中获得了越来越 多的应用。镁的合金化一般是利用固溶时效处理所造成的沉淀硬化来提高合金的常温和 高温性能。因此选择的合金元素在镁基体中应具有较明显的变化，在时效过程中能形成 强化效果显著的第二相，同时还应考虑合金元素对抗腐蚀性和工艺性能的影响。 目前镁及其合金的分类主要有三种方式：化学成分、成形工艺和是否含z r 。根据化 学成分，以主要合金元素m n 、a i 、z n 、z r 和r e ( 稀土) 为基础，可以组成基本的合 金系：如m g m n 、m g - a i - m n 、m g - a 1 一z n m n 、m g - z r 、m g z n - z r 、m g r e z r 、m g - a g r e - z r 、 m g y r e z r 等；按照有无a l ，可以分为含a l 镁合金和不含a l 镁合金；按有无z r ，还 可分为含z r 合金和不含z r 合金。根据加工工艺，可分为铸造镁合金( z m ) 和变形镁 合金( m b ) 两大类，但是两者没有严格的区分，铸造镁合金，如a z 9 1 、a m 2 0 、a m 5 0 、 a m 6 0 、a e 4 2 等也可以作为变形镁合金。 国内外工业中应用较广泛的镁合金是压铸镁合金，主要有以下四个系列：a z 系列 m g a 1 。z n 、a m 系列m g a i m n 、a s 系列的m g a i s i 和a e 系列的m g - a 1 r e 。我国铸 造镁合金主要有如下三个系列：m g z n - z r 、m g - z n - z r r e 和m g - a 1 一z n 系；变形镁合金 有m g - m n 、m g a 1 z n 和m g z n - z r 系。铸造镁合金中的z m i ，虽然流动性较好，但热 裂倾向大，不易焊接；抗拉强度和屈服强度高，力学性能较好，耐蚀性较好。一般应用 于要求抗拉强度、屈服强度大，抗冲击的零件，如飞机轮毂、轮缘、隔框及支架等。铸 造镁合金z m 2 流动性较好，不易产生热裂纹，焊接性较好，高温性能、耐蚀性较好， 但力学性能比z m l 低。用于2 0 0 以下工作的发动机零件及要求屈服强度较高的零件， 如发动机机座、整流舱、电机机壳等。铸造镁合金z m 3 的流动性稍差，形状复杂零件 的热裂倾向较大，焊接性较好，其高温性能、耐蚀性也较好。一般用于高温工作和要求 高温工作和要求高气密性的零件，如发动机增压机匣、压缩机匣、扩散器壳体及进气管 道等。铸造镁合金z m 5 流动性好，熟裂倾向小，焊接性好，力学性能较高，但耐蚀性 2 大连理工大学硕士学位论文 稍差。一般用于飞机、发动机、仪表和其他要求高载荷的零件，如机舱连接隔框、舱内 隔框、电机壳体等。 合金牌号m b l 和m b 8 均属于m g m n 系镁合金，这类镁合金虽然强度较低。但具 有良好的耐蚀性，焊接性庭好。并且高温塑性较高，可进行轧制、挤压和锻造。m b i 主要用于制造承受外力不大，但要求焊接性和耐蚀性好的零件，如汽油和润滑油系统的 附件。m b 8 由于强度较高，其板材可制造飞机蒙皮、壁板及内部零件，型材和管材可 制造汽油和润滑油系统的耐蚀零件，模锻件可制造外形复杂的零件。 合金牌号m b 2 、m b 3 以及m b 5 m b 7 镁合金属于m g a 1 一z n 系镁合金，这类镁合金强 度高、铸造及加工性能较好，但耐蚀性较差。其中m b 2 、m b 3 合金的焊接性较好，m b 7 合金的焊接性稍差。m b 5 合金的焊接性较差。m b 2 镁合金主要用于制作形状复杂的锻 件、模锻件及中等载荷的机械零件；m b 3 主要用于飞机内部组件、壁板等；m b 5 m b 7 镁合金主要用于制作承受较大载荷的零件。 合金牌号m b l 5 属于m g z n - z r 系镁合金，具有较高的强度和良好的塑性及耐腐蚀 性能，是目前应用较多的变形镁合金。主要用作室温下承受载荷和高屈服强度的零件， 如机翼长桁、冀肋等。 1 2 2 镁及镁合金的焊接性特点【习 ( 1 1 氧化、氮化和蒸发 镁易与氧结合，在镁合金表面会生成m g o 薄膜，会严重阻碍焊缝成形，因此在焊 前需要采用化学方法或机械方法对其表面进行清理。在焊接过程的高温条件下，熔池中 易形成氧化膜。其熔点高，密度大。在熔池中易形成细小片状的固态夹渣，这些央渣不 仅严重阻碍焊缝形成，也会降低焊缝性能。这些氧化膜可偌助于气荆或电弧的阴极破碎 方法去除。当焊接保护欠佳时，在焊接高温下镁还易与空气中的氮生成氮化镁m g a n 2 。 氧化镁夹渣会导致焊缝金属的塑性降低，接头变脆。空气中的氧的侵入还易引起镁的燃 烧。而由于镁的沸点不高( 1 1 0 0 。c ) ，在电弧高温下易产生蒸发，造成环境污染。因此 焊接镁时，需要更加严格的保护措施。 ( 2 ) 热裂纹倾向 镁合金焊接过程中存在严重的热裂纹倾向，这对于获得良好的焊接接头是不利的。 镁与一些合金元素( 如c u 、a l 、n i 等) 极易形成低熔点共晶体，例如m g - c u 共晶( 熔 点4 8 0 c ) 、m g - a 1 共晶( 熔点4 3 7 c ) 及m g - n i 共晶( 熔点5 0 8 c ) 等，在脆性温度 区间内极易形成热裂纹。镁的熔点低，熟导率高，焊接时较大的焊接热输入会导致焊缝 及近缝区金属产生粗晶现象( 过热、晶粒长大、结晶偏析等) ，降低接头的性能，粗晶 王生希：异种金属镁与铜的t i g 焊接性研究 也是引起接头热裂倾向的原因。而由于镁的线膨胀系数较大，约为铝的1 , 2 倍，因此焊 接时易产生较大的热应力和变形，会加剧接头热裂纹的产生。 f 3 ) 气孔与烧穿 与焊接铝相似，镁焊接时易产生氢气孔，氢在镁中的溶解度随温度的降低而急剧减 小，氢的来源越多，出现气孔的倾向越大。镁及镁合金在没有隔绝氧的情况下焊接时， 易燃烧。熔焊时需要惰性气体或焊剂保护，由于镁焊接时要求用大功率的热源，当接头 处温度过高时，母材会发生“过烧”现象，因此焊接镁时必须严格控制焊接热输入。热 输入的大小与受热次数对接头性能和组织有一定影响，因此应限制接头返修或补焊次 数。同时应注意焊接方法、焊接材料及焊接工艺的变化会导致接头力学性能的差异。焊 后退火对消除焊接应力及改善接头组织有利，但退火工艺必须兼顾到工件的使用和技术 要求。 1 2 3 镁及镁合金焊接工艺 目前关于镁合金焊接性及焊接工艺、焊接材料的研究报道较少，主要集中在搅拌摩 擦焊、 f i g 焊、m i g 焊、激光焊接f 2 2 2 司以及非真空焊接等方面的研究。国内大连理工大 学焊接研究所采用的激光电弧复合热源【2 刀焊接获得了性能较好的接头。 ( 1 1 焊接材料及焊前准备 大多数的镁合金可以用钨极氩弧焊( t i g ) 、电阻点焊、气焊等方法进行焊接，目 前通常采用氩弧焊工艺焊接镁及镁合金。氩弧焊适用于所有的镁合金的焊接，能得到较 高的焊缝强度系数，焊接变形比气焊小，焊接时可不用气剂。对于铸件可用氩弧焊进行 焊接修复并能得到满意的焊接质量的接头。由于镁合金没有适用的焊剂，不能采用埋弧 焊。 氩弧焊时可以采用铈钨电极、钍钨电极及纯钨电极。为了防止腐蚀，镁及镁合金通 常需要进行氧化处理，使其表面有一层铬酸盐填充的氧化膜，这层氧化膜会严重阻碍焊 接过程，因此在焊前必须彻底清除氧化膜及其他油污。 ( 2 ) 镁及镁合金的氩弧焊 镁合金的氩弧焊一般采用交流电源，焊接电源的选择主要决定于合金成分、板材厚 度以及背面有无垫板等。例如m b 8 比m b 3 具有较高的熔点，因此焊接m b 8 要比m b 3 所 需要的焊接电流大1 6 1 7 。为了减少过热，防止烧穿，焊接镁合金时要尽可能实施快 速焊接。如焊接镁合金m b 8 时，当板厚5 m m 、v 形坡口、反面用不锈钢成形垫板时， 焊接速度可达3 5 4 5 c r n m i n 以上。 钨极氩弧焊1 2 s - 3 6 ( t i g ) 大连理工大学硕士学位论文 镁合金t i g 焊接时，焊枪钨极直径取决于焊接电源的大小，焊接中钨极头部应熔成 球形，但不应滴落。选择喷嘴直径的主要依据是钨极直径及焊缝宽度，钨极直径和焊枪 喷嘴直径不同时，氩气流量也不同。氩弧焊中采用的氩气纯度要求较高，一般采用一级 纯氩( 9 9 9 9 以上) 。 镁合金t i g 焊接时，板厚5 m m 以下，通常采用左焊法；板厚大于5 m m ，通常采用 右焊法。平焊时，焊矩轴线与已成形的焊缝成7 0 。9 0 。角，焊枪与焊丝轴线所在的平 面应与焊件表面垂直。焊丝应贴近焊件表面送进，焊丝与焊件间的夹角为5 。1 5 。 焊丝端部不得浸入熔池，以防止在熔池内残留氧化膜，这样可借助于焊丝端头对熔池的 搅拌作用，破坏熔池表面的氧化膜并便于控制焊缝余高。 焊接时应尽量取低电弧( 弧长2 m m 左右) ，以充分发挥电弧的阴极破坏作用并使 熔池受到搅拌，便于气体逸出熔池。焊接不同厚度的镁合金时，在厚板侧需削边，使接 头处两工件保持厚度相同，削边宽度等于板厚的3 4 倍。焊接工艺参数按板材的平均 厚度选择，在操作时钨极端部应略指向厚板一侧。 熔化极氩弧焊( m i g ) 镁合金进行熔化极氩弧焊时，采用直流恒压电源，以反极性施焊。一般可采用短路、 脉冲、喷射三种熔滴过渡方式，分别适于焊接板厚小于5 m m 的薄板，薄、中板及中、 厚板。但不推荐使用滴状过渡方式进行焊接，焊接位置限于平焊、横焊和向上立焊。 ( 3 ) 镁及镁合金的电阻点焊【4 8 】 在工业结构的生产中，某些常用的镁合金框架、仪表舱、隔板等通常采用电阻点焊 工艺进行焊接。镁合金进行电阻点焊具有以下的特点： 镁合金具有良好的导电性和导热性，点焊时须在较短的时间内通过较大的电流： 镁的表面易形成氧化膜，会使零件间的接触电阻增大，当通过较大的电流时往往会 产生飞溅； 断电后熔核开始冷却，由于导热性好以及线膨胀系数大，熔核收缩快，易引起缩孔 及裂纹等缺陷。 ( 4 ) 镁及镁合金的其他焊接方法 钎焊 镁合金的钎焊工艺与铝合金极为相似，但由于镁合金钎焊效果较差，因此镁合金很 少采用钎焊进行焊接。镁合金可以采用火焰钎焊、炉中钎焊及浸渍钎焊等方法，其中浸 渍钎焊应用较为广泛。 镁合金钎焊前应清除母材及焊接材料表面的油脂、铬酸盐及氧化物，常用的方法主 要是溶剂除脂、机械清理和化学侵蚀等。镁合金钎焊时搭接是最基本和最常用的接头形 王生希：异种金属镁与铜的t i g 焊接性研究 式，对于接头强度低于母材强度时，通过增加搭接面积，使接头与焊件具有相同的承载 能力。 搅拌摩擦焊【3 7 4 7 】 搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术，主要利用不同形状的搅拌头深入到工件中 的待焊区域，通过搅拌头在高速旋转时与工件之间产生的摩擦热使金属产生塑性流动。 在搅拌头的压力作用下从前端向后端塑性流动，从而形成焊接接头。 搅拌摩擦焊过程中金属不发生熔化，焊接时温度相对较低，因此不存在熔焊时产生 的各种缺陷。焊接过程中没有飞溅、气孔、烟尘，并且不需要填丝和气体保护，目前已 经对a m 6 0 、a z 3i 、a z 9 1 、m b 8 等镁合金进行了焊接。 f g - ? 束焊5 0 】 可以采用电子束进行焊接的镁合金一般与氩弧焊相同，焊接过程中焊前、焊后的处 理方法基本相同，采用电子束焊接可获得良好接头的镁合金有a z 9 1 、a z 8 0 系列等。电 子束焊接时，在电子束下镁蒸汽会立即产生，熔化的金属流入所产生的孔中。由于镁金 属的蒸气压力高，因而所生成的孔通常比其他金属大，焊缝根部会产生气孔。同时电子 束焊接镁合金还易引起起弧及焊缝下塌等现象，起弧易导致焊接过程中断，因此须严格 控制操作工艺以防止气孔、起弧及焊缝下塌现象发生。 电子束焊接通常采用真空焊接，但由于镁金属气体的挥发对真空室的污染很大，研 究发现非真空电子束非常适合于镁合金的焊接。焊接时电子束的圆形摆动和采用稍微散 焦的电子束，有利于获得优质焊缝。在焊缝周围用过量的金属或同样金属的整体式以及 紧密贴合的衬垫能够尽可能减少气孔。但目前采用填充金属的方法对减少产生气孔的效 果不是很理想，因此通常采用通过合理调节焊接工艺参数使气体在焊缝金属凝固前完全 逸出，以避免形成气孔，其中电子束功率尤其是电子束流大小须严格控制。 1 3 铜合金分类、焊接性特点及焊接工艺1 3 1 1 3 1 铜及铜合金的分类 ( 1 ) 纯铜 纯铜具有极好的导电性、导热性、良好的常温和低温塑性，以及对大气、海水和某 些化学药品的耐腐蚀性。因此在工业中被广泛用于制造电工器件、电线、电缆、热交换 器等。纯铜在4 0 0 7 0 0 c 的高温下强度和塑性显著降低，在热加工时应引起重视。 纯铜在退火状态( 软态) 下具有高的塑性，但强度低。经冷n - f - 交形后( 硬态) ，强度 可提高一倍，但塑性降低几倍。产生了加工硬化的紫铜经5 5 0 6 0 0 c 退火，可使塑性完 全回复。焊接结构一般采用软态紫铜。 6 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 1 黄铜 黄铜是指由铜和锌组成的二元合金。并因表面呈淡黄色而得名。具有比紫铜高得多 的强度、硬度和耐蚀能力，并保持一定的塑性。黄铜根据工艺性能、力学性能和用途的 不同，分为压力加工用黄铜和铸造用黄铜两大类。 ( 3 ) 青铜 青铜实际上是除铜一锌、铜一镍合金以外所有铜基合金的统称，如锡青铜、铝青铜、 硅青铜和铍青铜等。具有较高的力学性能、耐磨性能、铸造性能和耐腐蚀性能，并保持 一定的塑性；除铍青铜外，其他青铜的导热性能比紫铜和黄铜低几倍至几十倍，并且具 有较窄的结晶区间，因而大大改善了焊接性。青铜中所加入的合金元素量大多控制在a 铜的溶解度范围内，在加热冷却过程中没有同素异构转变。 ( 4 ) 白铜 白铜是铜和镍的合金，因镍的加入使铜从紫色变成了白色而得名。镍可以无限地固 溶于铜，使铜具有单一的a 组织。按照白铜的性能与应用范围，白铜可分为结构铜镍合 金与电工铜镍合金。结构铜镍合金的力学性能、耐蚀性能较好，在海水、有机酸和各种 盐溶液中具有较高的化学稳定性，优良的冷、热加工性，广泛用于化工、精密机械、海 洋工程中。电工用白铜是重要的电工材料。在焊接结构中使用的白铜多是含镍1 0 、2 0 、3 0 的铜镍合金。 1 3 2 铜及铜合金的焊接性 ( 1 ) 难熔合及易变形 焊接紫铜和某些铜合金时，如果采用的焊接规范与焊接同厚度低碳钢差不多，则母 材就很难熔化，填充金属和母材不能很好的熔合，产生焊不透现象，另外，铜及铜合金 焊后变形也较严重。这是因为铜的导热系数大，2 0 时铜的导热系数比铁大7 倍多，1 0 0 0 时大1 l 倍多。焊接时热量迅速从加热区传导出去，使母材与填充金属难以熔合。因 此，焊接时要使用大功率的热源，通常在焊前或焊接过程中还要采取预热和保温措施。 铜中加入合金元素后，其导热性能下降。铜的线胀系数和收缩率也比较大。铜的线胀系 数比铁大1 5 ，而收缩率比铁大一倍以上。再加上铜及多数铜合金导热能力强，使焊接 热影响区加宽。焊接时如果加工件刚度不大，必然会产生较大的变形。 ( 2 ) 热裂纹1 5 1 j 氧是铜中经常存在的杂质，铜在熔化状态时较易氧化，而生成c u 2 0 。c u 2 0 与c u 形成( c u + c u 2 0 ) 的低熔点共晶，而共晶温度为1 0 6 5 c ，低于铜的熔点( 1 0 8 3 c ) ，使 焊缝容易产生热裂纹。作为焊接结构的紫铜，其含氧量一般不应超过0 0 3 ，对于特别 7 王生希：异种金属镁与铜的t i g 焊接性研究 重要的焊接结构件，其含氧量一般不应超过0 0 1 。为解决铜在高温氧化问题，应对熔 化金属进行脱氧。常用的脱氧剂有m n 、s i 、p 、a 1 、t i 、z r 等。 紫铜焊接时，其焊缝为单相a 组织，且由于紫铜导热性强，焊缝易生长成粗大晶粒。 这些因素均加剧了热裂纹的生成。紫铜及黄铜的收缩率及线胀系数较大，焊接应力较大， 也是促使热裂纹容易形成的一个重要原因。黄铜焊接时，为使焊缝的机械性能与母材相 同或接近，焊缝亦常为( 叶6 ) 双相组织，焊缝晶粒变细，焊缝抗热裂纹性能有所改善。 ( 3 ) 气孔 气孔是铜及其合金焊接时的一个主要问题，常见的气孔有扩散性气孔和反应性气 孔。 扩散性气孔由氢而引起的气孔。人们通常称它为扩散气孔。氢在铜中的溶解度随 着温度下降而降低。由液态转为固态时( 1 0 8 3 ) ，溶解度发生剧变，而后随温度降低 溶解度继续下降。紫铜焊缝对氢气孔的敏感性较低碳钢焊缝高的多。因为铜的导热系数 ( 2 0 ) 比低碳钢高达七倍以上，铜焊缝结晶凝固过程进行得特别快，氢不易析出，熔 池容易为氢所饱和而形成气泡，在结晶凝固过程进行很快的情况下，气泡不易上浮出去， 而使焊缝形成气孔。为了消除上述扩散气孔，应控制焊接时氢的来源，并降低熔池的冷 却速度( 如预热等) 使气体易于析出。 反应性气孔另外一种气孔是通过冶金反应而生成的气体引起的，人们称为反应气 孔。铜在高温时间与氧有较大的亲和力而生成c u 2 0 ，它在1 2 0 0 。c 以上能溶于液态铜， 在1 2 0 0 就从液态铜中开始析出，随温度下降，其析出量也随着增大，与溶解在液态铜 中的氢发生下列反应：c u 2 0 + 2 h = 2 c u + h 2 0t ，所形成的水蒸气不溶于铜中。由于铜的 导热性强，熔池凝固快，水蒸气来不及逸出而形成气孔。当在铜中含氧量很少时，发生 上述反应气孔的可能性是很小的。含氧铜比脱氧铜对上述反应气孔更敏感是不难理解 的。防止上述反应气孔的主要途径是减少氧氢来源，对熔池进行适当脱氧。采取使熔池 慢冷的措施也能起防止气孔的作用。 ( 4 ) 焊接接头机械性能及导电性能的变化 紫铜焊接时焊缝与焊接接头的强度极限，常可与母材相同或接近，但塑性比母材有 一些降低。例如用紫铜焊条电弧焊焊接紫铜时，焊缝金属的抗拉强度与母材相近，但延 伸率一般约为2 0 ，与母材相差较大。发生这种情况的原因，一方面是由于焊缝及热影 响区出现粗大晶粒；另一方面是由于为了防止焊缝出现裂纹及气孔，常需加入一定量的 脱氧元素( 如m n 、s i 等) ，这样虽可提高焊缝的强度性能，但同时也一定程度上降低 了焊缝的塑性性能，并使焊接接头的导电性能有所下降。埋弧焊和惰性气体保护焊时， 熔池保护良好，如果焊接材料选用得当，焊缝金属纯度较高，其导电能力可能达到母材 大连理工大学硕士学位论文 的9 0 9 5 。 ( 5 ) 常采用控制铜及铜合金的焊接缺陷的措施： 尽量采用加热面积小、能量密度大、功率大的焊接方法，采用焊前预热、适当的焊 接次序、霹后锤击和熟处理等工艺措施，以保证填充金属与母材很好的熔合、细化晶粒、 减小和消除应力，防止变形。例如，对于硅青铜、磷青铜等焊后趁热锤击有助于细化晶 粒和减小残余应力。 降低母材、填充金属中氧、铅、铋、硫等对焊接质量影响大的杂质含量，正确选用 母材和填充金属。例如，对于重要的铜结构，为了清除氧的不良影响，必须选用脱氧铜 做母材。焊前清除母材、焊材表面的氧化膜，选用含有铝、钛等强氧化剂的焊丝，采用 溶剂等方法减少氧的来源，并对熔池进行脱氧。 防止合金元素氧化与蒸发。焊接黄铜时可选用含硅的填充金属，并在工艺上适当降 低焊接温度，提高焊接速度，尽量减少熔池处于高温的时间，防止黄铜中锌的氧化和蒸 发；焊接锡青铜时，可采用含硅、磷等脱氧剂的焊丝，并用硼砂和硼酸作熔剂，以防止 锡的氧化；焊接铝青铜时，为防止铝的氧化，可采用氯化盐和氟化盐组成的熔剂。通过 焊接材料向熔池过渡易氧化和蒸发的合金元素、变质处理、惰性气体保护等工艺措施也 可在一定程度上保证熔池合金元素的含量。 铜及铜合金气体保护焊时，常用舡或a r + ( 2 5 7 5 ) h e 作为保护气体。h e 或 h e + a t 混合气体用于需要高热输入的场合。 1 3 3 铜及铜合金的焊接工艺 ( 1 ) 焊接方法的选用 针对不同的铜合金及其对焊接接头性能的要求，可选择不同的焊接方法。一般来说， 焊接铜及铜合金需要大功率、高能束的焊接熟源。热效率越高，能量越集中对焊接越有 利 3 1 。用搅拌摩擦焊 5 2 - 5 3 1 焊接铜及铜合金也可以获得较好的焊缝质量。 根据铜及铜合金的焊接性特点，惰性气体保护焊 5 4 - 5 5 1 是获得优质焊接接头的主要方 法。对于厚度5 = 1 4 m m 的板材，最好采用钨极氩弧焊。这种方法能量密度大，惰性气 体对熔池保护效果好，并且有冷却作用，变形小，价格相对适中，焊接质量好。焊接厚 度6 8 m m 的紫铜可以不进行预热。 ( 2 ) 手工电弧焊工艺 铜及铜合金手工电弧焊时，应采用较大的间隙、较大的坡口角度、较密的定位焊缝、 较高的预热温度和焊道层温以及较大的焊接电流。手工电弧焊中所用的焊条能使铜及铜 合金焊缝中含氧量、含氢量增加，其中的锌蒸发严重，容易形成气孔。因此在焊接过程 9 王生希：异种金属镁与铜的1 1 g 焊接眭研究 中应严格控制焊接工艺参数。 板厚大于3 m m 的工件，焊前必须预热，多层焊的层闻也应进行预热，预热温度要 根据材料的热导率和工件的厚度等来确定。 为了控制焊缝的背面成形，可在接头背面采用衬垫。为了改善焊接接头的性能，同 时减少焊接应力，焊后可对焊缝和接头进行热态和冷态的锤击，对要求较高的接头，应 采用焊后高温热处理消除应力和改善接头韧性。 f 3 1 埋弧焊工艺 埋弧焊铜及铜合金时，板厚小于2 0 r a m 的工件在不预热和不开坡口的条件下可获得 优质接头，使焊接工艺大为简化，特别适合中、厚板焊件及长而规则焊缝的焊接。紫铜、 青铜埋弧焊的焊接性能较好，黄铜的焊接性尚可。 埋弧焊使用的焊接热输入较大，熔化金属多，为防止液体铜的流失和获得理想的反 面成形，无论单面焊还是双面焊，反面均采用各种形式的垫板。垫板与铜板的接触面要 吻合很好，需要专门机械加工。 纯铜埋弧焊采用直流反接，焊丝与焊件表面相垂直。 ( 4 ) 钨极氩弧焊工艺 用钨极氩弧焊( t i g ) 焊接纯铜可以获得高质量的焊接接头，具有电弧能量集中、 保护效果好、热影响区窄、操作灵活的优点，这种方法已经成为铜及铜合金熔焊方法中 应用最广泛的一种，特别适合中、薄板和小件的焊接和补焊。由于钨极的使用电流受到 限制，因而手工钨极氩弧焊常用于焊接较薄的焊件和打底焊，以焊接厚度3 n u n 以下的 薄件最为适宜。 焊接板厚小于3 m m 的构件，不开坡口，一般不加填充金属；板厚在4 1 0 m m 时， 一般开v 形坡口，需加填充金属；板厚大于1 0 m m 开双y 形坡口。t i g 焊一般不推荐 用于厚度大于1 2 r a m 铜及铜合金板材的焊接。 大多数铜及铜合金的 f i g 焊采用直流正接，以获得最大的熔透深度。但对于铝青铜 和铍青铜，采用交流电源可清除母材表面形成的坚韧氧化膜。焊接时常采用左向焊法， 焊前用高频振荡器引孤或在碳块、石墨块上接触引弧，然后移入坡口区焊接。 ( 5 ) 熔化极氩弧焊工艺( m i g ) 熔化极氲弧焊可用于所有的铜及铜合金的焊接。对于厚度大于3 m m 的铝青铜、硅 青铜和铜镍合金最好选用这种方法焊接。对于厚度在3 1 2 m m 或大于1 2 m m 的铜及铜 合金一般都选用熔化极气体保护焊，主要由于它比钨极氩弧焊和手工电弧焊的熔化效率 高，熔深大，焊速快，焊接变形小，接头质量好，是焊接中、厚铜合金件的较理想的方 法。通常采用直流反接，多数是在平焊位置采用射流过渡进行焊接。为了提高效率， l o 大连理工大学硕士学位论文 m i g 焊采用直流反极性、大电流、高焊速，这样可以提高电弧的稳定性。与t i g 焊相 比，焊接相同厚度的铜件，m i g 焊的焊接电流增加3 0 以上，焊速可提高一倍。大电 流有利于电弧的稳定，高速焊接对避免铜合金的热脆性和近缝区晶粒长大都有好处。 ( 6 ) 等离子弧焊工艺 等离子弧具有比t i g 和m i g 电弧更高的能量密度和温度，适合焊接高热导率和过 热敏感的铜及铜合金，已经在纯铜、黄铜和青铜工件上得到应用。6 8 m m 厚的铜件可 以不预热不开坡口一次焊成，接头质量达到基材水平。厚度8 m m 以上的铜件可以采用 留大钝边、开v 形坡口的等离子弧焊与t i g 焊或m i g 焊联合工艺，即先用不填丝的等 离子弧焊底层，然后用熔化极或加丝钨极焊满坡口。微束等离子弧焊接o 1 l m m 的超 薄件可使工件的变形减到最小程度。 等离子弧焊接采用直流正接法转移弧，既有利于增强工件受热，又可使电弧稳定。 铜及铜合金的流动性好，熔融态的表面张力较小，自重大，小孔效应不容易稳定，焊缝 易烧穿。所以，焊接铜及铜合金时，一般采用非穿透法而不用小孔法。 ( 7 ) 铜及铜合金的钎焊 铜及铜合金具有优良的钎焊性，无论是硬钎焊( 钎料熔化温度高于4 5 0 c ) 还是软 钎焊( 钎料熔化温度低于4 5 0 ) 都容易实现，因为铜及合金有较好的润湿性，表面的 氧化膜也容易去除。只有部分含铝的铜合金由于表面形成a 1 2 0 3 膜，较难去除，钎焊较 困难。 ( 8 ) 铜的电子束焊 电子束的能量密度和穿透能力比等离子束还强。利用它对铜及铜合金作穿透性的焊 接有很大的优越性。电子束焊接时一般不填充焊丝。其冷速快、晶粒细，在真空下焊接 不仅可以完全避免接头的氧化，还能对接头除气。铜的真空电子束焊缝的含气量远低于 母材。焊缝的力学性能与热物理性能可达到与母材相等的程度。 1 4 异种金属焊接i l 】的介绍 1 4 1 异种材料的焊接性 异种材料的焊接性“1 主要是指不同化学成分、不同组织性能的两种或两种以上金属， 在限定的施工条件下焊接成符合规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。由 于不同金属的化学成分，热物理、化学性能差别较大，异种材料的焊接要比同种材料的 焊接复杂的多，针对不同的材料组合，采用的焊接方法也各不相同。一般说来，两种被 焊材料的物理、化学性能及组织成分差别越大，焊接性越差。异种材料和焊接性主要取 决于两种材料的冶金相容性、物理性能、表面状态等，若两种或两种以上被焊材料的这 王生希：异种金属镁与铜的 r i g 焊接性研究 些性能差异越大，焊接性就越差。除此之外，异种材料的焊接性还与焊接工艺有关，包 括焊接接头的尺寸、坡口形式、施焊方位、焊接工艺参数以及焊接过程的操作。 异种材料焊接性包括结合性能和使用性能。异种材料的结合性能，也称为工艺焊接 性，指在给定的焊接工艺条件下，能够形成致密结合的焊接接头的能力。在焊接生产中， 常用结合性能评定异种材料焊接接头对焊接缺陷的敏感性；以便采取防止焊接缺陷的措 施。 异种材料焊接的使用性能，也称使用焊接性，指焊后焊接接头在长期使用条件下满 足使用要求的程度。在焊接生产中，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。 异种材料的工艺焊接性和使用焊接性两者并不定是一致的，有时工艺焊接性满足 要求，而使用焊接性可能不符合技术条件的具体要求；当使用焊接性符合技术要求的情 况下，工艺焊接性可能不满足要求。因此，异种材料的焊接性应该从工艺焊接性和使用 焊接性两方面综合评价n ， 1 4 2 影响异种材料焊接性的因素 ( 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。当异种材料热物理性 能的较大差异会使熔化情况不一致时，就会给焊接造成一定的困难；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