（材料物理与化学专业论文）薄壁铜铝管电阻压力焊界面的微观结构及耐腐蚀性能研究.pdf

薄壁铜铝管电阻压力焊界面的微观结构及耐腐蚀i | 生能研究 于葡要 铜具有良好的导电、导热和耐腐蚀性能，在制冷行业中起着重要作用，但随 着近年来铜价的攀升和铜资源的短缺，寻找铜的替代材料成为一种迫切需求。铝 的密度小，具有优良的导电和导热性能，资源较丰富，可以成为铜的很好的替代 材料。但铜管在一些制冷管路构件中仍是不可替代的，这就带来了铜铝管的连接 问题。由于铜铝属于异种金属，焊接过程中易形成脆性相，影响接头性能。因此， 焊接问题成为阻碍铜铝管应用的一个很大问题。 青岛海青机械厂与中国海洋大学共同研发的插接式薄壁铜铝管电阻压焊技 术，采用多种仓寸新技术，很好的解决了薄壁铜铝管焊接问题。本文采用s e m 、 t e m 、金相显微镜等仪器设备对此项技术焊接的铜铝连接管的界面组织及界面 特征进行了研究，目的是了解铜铝焊接界面的微观结构及其产生原因，分析微观 结构对性能可能存在的影响，希望找出铜铝连接管性能与焊接工艺的联系，从而 优化铜铝连接管焊接的工艺，提高电阻压焊焊接接头的质量。同时对铜铝连接管 进行了中性盐雾腐蚀试验，研究了铜铝连接管的腐蚀状况，从而得出铜铝连接管 在海洋大气下的耐腐蚀能力。研究结果表明： 1 、铜铝连接管界面位于靠近外表面焊缝5 m m 区域范围内结合强度高，不容 易撕裂；而在外表面焊缝5 m m 区域范围之外的一段铜铝管连接处，界面过渡层 较宽，结合强度不高，容易撕裂，而且还存在气孔等缺陷。铜铝两侧发生了原子 的互扩散，且铜原子向铝侧扩散的深度比铝原子向铜侧扩散的深度要大。铜铝连 接管较窄界面主要由( 按从铜层到铝层的顺序) 铝在铜中的固溶体、c u a l 薄层、 c u a l 2 柱状晶层和铜在铝中的固溶体构成，较宽界面主要由铝在铜中的固溶体、 c u a l 薄层、c u a l 2 柱状晶层、0 【相与c u a l 2 共晶组织和铜在铝中的固溶体构成。 2 、电阻压焊铜铝管界面形貌的形成可能与温度梯度与成分过冷两者的作用 有关；c u a l 2 相、c u a l 相及共晶组织( 0 【+ 0 ) 的生成与包晶反应和共晶反应有 关系；分析得出柱状晶与共晶的细化可能与施加的焊接工艺有关，细化的柱状晶 对接头的强度有提高作用，但厚度不可太大。共晶组织脆性大，要尽量避免其生 成，所以应调整工艺参数以减少共晶组织的产生，从而优化接头质量。 3 、中性盐雾试验表明在海洋性大气环境下，铝管表面发生点蚀，铜管表面 产生绿色和白色腐蚀产物，接头焊缝处产生白色腐蚀产物且铝腐蚀严重，甚至产 生粉化现象。能谱测试结果表明腐蚀产物可能含有c u c l 2 3 c u ( o h ) 2 ， c u c l 2 3 c u ( o h ) 2 和a l ( o h ) 3 构成的复合膜及a 1 ( o h ) 3 ( 三羟铝石) 和n a 2 0 x a l 2 0 3 的混合物。 关键词：薄壁c 以l 管；电阻压焊；微观结构；腐蚀 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 ea n dc o r r o s i o n r e s i s t a n c eo 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 l c u a lt l l b e a b s t r a c t c o p p e rp l a y si m p o n a n tm l e si nr e 埘g e r a t i o ni n d u s t 巧b e c a u s eo fi t sg o o dh e a t c o n d u c t i o n ，g o o dc o n d u c t i v i t ) ，a n d1 1 i g h e rc o r r o s i o nr e s i s t a n c e h o w e v e r ，i nr e c e n t y e a r s ，i th a sb e e na i lu r g e n td e m a l l dt of i n dc o p p e rs u b s t i t u _ t em a t e r i a lo w i n gt ot h e p r i c er i s i n go fc o p p e ra n dl a c ko fc o p p e rr e s o u r c e s a l 啪i n u m ，w i t hl o wd e n s 竹，h i g h h e a tc o n d u c t i v i t ) ra n dg o o de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y - c a i lb e c o m ea ni d e a lr 印l a c e m e n t m a t e r i a lo fc o p p e lh o w e v e r ，c o p p e rc a r m o tb er e p l a c e di ns o m ep i p e l i n e sa n dh o wt o j o i nc ut u b e sw i ma lt u b e si st ob es o l v e d t h ec u - a 1 、v e l d i n gb e l o n g st od i s s i m i l a r m e t a lw e l d i n ga n di tw o u l d p r o d u c eb r i t t l ec o m p o u l l d s ，w h i c ha 虢c tt h ep e r f - o 珊a n c e o fc u - a lj o i n t t h e r e f o r e ，t h ew e l d i n gp r o b l e mw o u l dm n d e rt h e 印p l i c a t i o no fc 毗l t i j b e s t 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 i n gt e c h n i q u ed e v e l o p e db yb o t hq i n g d a o h a i q i n gm a c m n e 巧g e n e r a lf a c t o 巧a n do c e a i lu 1 1 i v e r s 时o fc h i n ai n v o l v e sm a j l y i t e m so fi r u l o v a t i v et e c h n o l o g ya i l ds 0 1 v e sm ew e l d i n gp r o b l e mo ft h i n 一、张uc u a l t u b e i nt h i sp 印e r ，t h ei n t e k i a lm i c r o s t i u c t u r ea n dc h a r a c t 嘶s t i c so fc a lt u b e s w e l d e db yt h ee l e c t r i cr e s i s t a l l c ep r e s s u r ew e l d i n ga r es t u d i e db ys e m ，t e ma 1 1 d o t l l e ri n s m 埘e n t s t h eo b je c t i v ei st ok n o wt h ei m e r f ：a c i a lm i c r o s t n l c t u r ea i l di t s f o m a t i o nc a u s e ，t oa j l a l y z et h ep o s s i b l ei n n u e n c e so fm i c r o s t m c t u r eo nt h e p e “o n 】n c ea i l d f i n do u tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep e r f l o n n a n c ea n dt h e 、e l d i n g t e c h n 0 1 0 9 y ，a 1 1 dc o n s e q u e n t l yt oo p t i m i z et 1 1 ew e l d i n gp r o c e s sa n di m p r o v et h eq u a l i t ) ， o fc u a lj o i n t i i la d d i t i o n ，n e u t r a ls a l ts p r a yt e s ti sc a r r i e do nt o 咖d yt h ec o r r o s i o n r e s i 鼬m c eo fc “a lt u b e s t h er e s u l t ss h o wt h a t ： 1 、t h ei n t e r f a c i a lb o n d i n gs t r e n g t ho fc u a lj o i n ti n5 m m 砌g en e a rt h ew e l d i n g s e a mo fo u t e rs u r f a c ei sh i g ha n dt h ej o i n ti sh a r dt 0t e 瓯b u tt h ei n t e r f a c i a lb o n d i n g s t r e n g t ho u to ft h er a j l g ei sl o wa 1 1 dt h ej o i n ti se a s yt ot e a rw i t hp o r ea 1 1 do t h e rd e f e c t s ac e r t a i ni n t e r d i f m s i o no fa l u m i n w na n dc o p p e rt d k e sp l a c ei nt h ew e l d i n gi n t e r f a c e o ft h ec u a lt u b e sa n dt h ed i f m s i o nf r o mc us i d ei n t oa ls i d ei sd e e p e rt h a i lt h e o p p o s i t ed i r e c t i o n 1 1 1 en a 玎o wi n t e r f a c ec o n s i s t so f a 1s o l i ds o l u t i o ni nc u ，c u a lt h i n l a y e r c u a l 2c o l 啪n a rc 巧s t a l l a y e ra i l dc us o l i ds o l u t i o ni na l ( f 而mc us i d et oa l s i d e ) t 1 1 ew i d ei n t e 晌c ec o n s i s t so fa ls o l i ds o l u t i o ni nc u ，c u a lt h i nl a y e r ，c u a l 2 c o l 啪n a rc r y s t a l l a y e r ，仅一a l c u a l 2e u t e c t i c1 a y e ra 1 1 dc us 0 1 i ds o l u t i o ni na l ( 行o mc u s i d et o a ls i d e 、 2 、f o m a t i o no ft 1 1 ei n t e r f a c i a lm o 印h o l o g ym a yb er e l a t e dt o 廿l ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r eg r a d i e n ta i l dc o m p o s i t i o nu n d e r c o o l i n ga i l df o m a t i o no fc u a l 2 ，c u a l p h a s ea n d0 【- a l c u a l 2e u t e c t i cs t m c t u r em a yb er e l a t e dt op e r i t e c t i cr e a c t i o na n d e u t e c t i cr e a c t i o n t h ew e l d i n g t e c h n o l o g yi sp o s s i b l er e l e v a i l tt ot h eg r a i nr e f i n e m e n t o ft h ec o l u i n n a rc r y s t a l sa n d 也ee u t e c t i ca n dr e f i n e dc o l u r n n a rc 巧s t a l sc a i li m p r o v e t 1 1 ej o i n ts t r e n 舒hw i t hat h i i l l l e rl a y e r f o m a t i o no ft h ee u t e c t i cs t 】m c n l r es h o u l db e a v o i d e db e c a u s eo fi t sg r e a tb r i t t l e n e s sa n dp r o c e s sp a r 锄e t e r ss h o u l db ei m p r o v e dt o d e c r e a s em ee u t e c t i cf o n i l a t i o na 1 1 do p t i m i z et h eq u a l i t ) ，o fc u - a lj o i n t 3 、t h en e u t r a ls a l ts p r a yt e s ti n d i c a t e st h a t ，u i l d e rm 撕n ea t m o s p h e r i ce n v i r o 衄e n t ， p i t t i n go c c i m e do nt h ea l u 】m i n 啪t u b es l 时a c ea n dg r e e na n dw m t ec o l l r o s i o np r o d u c t s a p p e a r e do nt h ec o p p e rs u r f 犯e w h i t ec o r m s i o np r o d u c t s 印p e a r e di nm ew e l d i n g s e 锄a 1 1 dt h ea ls i d eo ft h e 、e l d i n gs e a ms u i e r e d 行o ms e r i o u sc o r r o s i o na n de v e n p r e s e n t e dp o 、d e r i n gp h e n o m e n o n t h er e s u l t so fe d si n d i c a t e sm a tm ec o r r o s i o n p r o d u c t sm a y c o n t a i n c u c l 2 3 c u ( o h ) 2 ， 廿1 e c o m p o s i t e m e m b r a n e w i t h c u c l 2 3 c u ( o h ) 2a n da l ( o h ) 3a n dt h em i x t u r eo f a l ( o h ) 3a n dn a 2 0 。x a l 2 0 3 k e y w o r d s ：t h i n w a l lc “a lt 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 ；m i c r os c = r u c n l r e ； c o r r o s io n i v 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。掘我所知，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，也不包含未获得 ( 注；如遗查墓他盂要挂别直明的：奎拦豆窒2 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：狲通明签字日期：加呷年6 月卢日 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，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。( 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：张玉明 导师签字： 签字日期：z 胡7 年月如日 训恸 签字日期：讪。夕年多月尼同 薄壁铜铝管电阻压力焊界面的微观结构及耐腐蚀性能研究 1 绪论 1 1 课题的研究背景 随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，近年来我国制冷行业得到 了迅速发展，空调器、冰箱以及其它制冷产品的需求量越来越大，产量逐年增加 【1 1 。这一点从表1 1 列出的我国近几年来家用电冰箱和空调器的总产量可以看出。 目前，从生产能力看，中国已成为世界空调器第一大产出国。各种制冷设备不仅 给人们生活带来便利，在化工、医疗、食品及科研等许多方面也离不开它们的身 影【2 1 。 表1 - 1 我国家用电冰箱和房间用空调器近几年的总产量( 单位：万台) t a b 1 - 1c h i n e s eo v e r a l lp r o d u c t i o no f h o u s e h o l dr e f r i g e r a t o ra n da i r - c o n d i t i o ni nr e c e n t5y e a r s 制冷设备中比较有代表性的就是电冰箱与空调器，以此为例说明制冷设备的 基本结构。电冰箱应具备制冷、保温、控温三项基本功能，因此所有的冰箱在整 体结构上都具有与之相应的三个组成部分，即制冷系统、电器控制系统、箱体及 隔热保温系统。空调器与电冰箱相似，主要由制冷系统、空气循环系统、电控系 统以及箱体组成【2 引。 制冷系统是制冷设备的最重要组成部分，除了包括压缩机和节流机构外，主 要是一些换热设备，如蒸发器、冷凝器和回热器等。这些换热设备统称为制冷换 热器。在制冷系统中，换热器的性能直接影响设备的制冷性能。与压缩机相比， 制冷换热器的金属消耗量大，体积大，它的重量要占整个设备重量的5 0 7 0 ， 它所占据的空间直接影响设备的体积大小。所以，设计结构紧凑、传热性能良好 的换热器对于减轻整个装置的重量和体积具有现实意义【4 1 。 铜具有良好的导电、导热性能、耐腐蚀性能及钎接性能，能很好的符合制冷 管路系统要由致密性、导热性能、弯曲性能、连接性能及耐蚀性能良好的材料构 成的要求。但寻找一种性能相近、价格较低的材料代替铜已成为制冷行业生产中 薄壁铜铝管电阻k 力焊界面的微观结构及耐腐蚀性能研究 不可忽视的重要问题。这主要是基于两方面原因：一是铜价的飙升。2 0 0 3 年以 来，电解铜价格从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、新老铜矿的交替出现断档、铜资源的短缺、用 铜行业生产规模迅速扩张等，使国际铜价不断攀升。铜冶炼原料约2 3 来自于铜 精矿，其余则主要来自于废铜。我国铜资源具有先天性的不足，一是大都属于品 位含量低的贫矿，富矿较少，开采成本高，我国可供经济利用的铜储量已经大幅 减少，只有约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，因此国内 铜冶炼厂，将被迫从国际市场高价购买补充。这些因素必将导致铜价在今后保持 一个较高的水平，并呈不断增长的趋势。制冷行业是用铜量较大的行业，我国又 是国际上制冷产品的主要生产基地，年耗铜量至少6 0 万吨，是国内整个耗铜量 的1 0 左右。家用空调器是产量最大的制冷产品，铜管使用量4 6 公斤台，年 产6 0 0 0 万套空调将消耗2 4 3 6 万吨铜管，铜价上涨不仅仅是产品利润压缩的问 题，铜资源的枯竭会使整个行业丧失竞争力，因此，寻找新材料代替铜的问题关 系到行业的生存，意义重大。二是制冷行业如空调等的利润逐步走低。例如空调 行业在上世纪9 0 年代初，在国内刚起步时属于暴利行业，但随着市场的扩大和 竞争加剧，利润逐年下滑。到2 0 0 5 年，行业平均利润已接近为o 。在这种行业 环境下，寻找铜的替代材料也就成为一种迫切需求【5 j 。 铝在地壳中的蕴藏丰富，分布广，据统计，地壳中铁占4 7 ，铝占7 5 ， 比所有有色金属的总合还要多。由于发电事业的飞速进步，电冶铝得到迅速发展， 1 9 9 5 年铝的世界年产量已超过了铜的世界年产量，目前铝的世界年产量已远远 超过1 0 0 0 万吨，铝在所有金属结构材料中的比重还在不断增加。而我国铝矿资 源丰富，保有储量为2 2 7 3 亿吨，居世界第四位。2 0 0 1 年我国已经成为世界第一 大原铝生产国。所以，从资源的使用方面来看，铝能成为铜的替代材料之一1 6 j 。 铝的密度小，延展性好，具有优良的导电和导热性能，耐蚀性良好。铝的导热率 接近铜，实验证明铝代铜作制冷管路可以满足制冷性能的要求。而且铝的导热率 比铜小( 铝2 3 4 、铜3 9 7 ，单位：w c m ) ，铝代铜可以减少温度的散失，提 高保温效果，更易达到节能的目的。从材料性能上看，铝管的韧性高，比铜管更 易弯曲，便于安装。而且铝的比重小，可以减轻机械构件的质量，铝的市场价格 也比铜低，所以用铝代铜不仅可以明显地降低制冷设备的制造成本，而且不降低 2 薄壁铜铝管电阻压力焊界面的微观结构及耐腐蚀性能研究 冰箱性能，同时还可以减少由于铜管而带来的蚁巢腐蚀问题同，因此铝代铜已成 为一种趋势【8 】。 在成本方面，全铝代铜是一个很好的方案，但它本身存在很多的局限性。一 方面铜管在一些制冷管路构件中仍是不可替代的，如干燥过滤管、毛细管、压缩 机三管等，还是要采用铜管制作；另二方面制冷管路系统由许多部件组成，有许 多接头需要连接，而铝管手工钎焊技术难度较大，全部采用铝管，不单是售后维 修人员无法完成故障件的维修，即便是冰箱总装生产线，也不容易实现优质高效 的焊接生产。另外，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 内外机连机管就是螺帽压紧实现密封，显然采用铜管的机械密封性能也优于铝管 的机械密封性能。这样，在制冷管路中又有铝管又有铜管，必然带来铜、铝的连 接问题 5 一。 1 2 制冷系统管路的质量要求 制冷金属管路如铜管和铝管的原子直径、两原子中心距离均为0 2 5 i l n l 左右， 而制冷剂的分子直径一般大于o 3 眦，远大于铜铝金属原子间距，因此铜铝材料 本身的致密性能满足制冷产品要求，但制冷剂的渗透力非常强，管路中任何漏量 达到0 5 年以上的微小贯穿性缺陷都会导致产品不制冷。所以，制冷管路的铝 代铜关键是保证铜铝焊接点不发生渗漏。 制冷系统中影响制冷的关键部件是毛细管，其内径一般很细，如某冰箱毛细 管内径取o 6 m m 。由于毛细管很细，系统内部如果有杂质会导致毛细管路堵塞， 影响制冷效果；系统中的压缩机阀片与压缩机阀体之间存在杂质，也会消弱压缩 机喷发制冷剂的力度，从而影响制冷效果，系统对杂质的含量要求为叟5 m 咖2 。 制冷管路铝代铜工艺应控制系统内杂质含量，应从铜铝管焊接工艺保证杂质含量 低于允许值，即铜铝焊接点不存在毛刺、飞溅物、焊接杂质，也不使用任何焊接 助剂。r 1 3 4 a 等制冷剂与矿物油、氯离子发生反应后会产生脂类物质，堵塞系统， 需要控制其含量即矿物油墨7 m m 2 ；氯离子3 m m 2 ；石蜡也能堵塞管路，含量 0 6 m g m 2 。同时，接头要达到整机寿命1 2 年的要求。 我们现在使用的家用冰箱、家用空调以及部分中央空调用的都是蒸汽压缩式 制冷，采用r 4 1 0 a 、r 4 0 7 c 、r 1 3 4 a 、r 6 0 0 a 作制冷剂，制冷剂本身对金属无腐 蚀性，因此，系统不会从内部开始腐蚀金属管路，在实际应用过程中也证明了这 薄壁铜铝管电阻压力焊界面的微观结构及耐腐蚀性能研究 一点。所以，在制冷管路铝代铜技术中除了解决薄壁铜铝管焊接外，还应研究管 路外部的防腐问题【5 1 。 1 3 铜铝焊接的困难性 制冷管路的质量要求很高，而铜铝焊接存在很多困难，导致目前正在采用的 铜铝管接头很多不符合制冷系统的致密性和洁净度要求嘲。铜铝焊接属于异种金 属焊接，比同种金属焊接要困难得多。 1 3 1 异种金属的焊接性 所谓焊接性就是指金属材料对焊接加工的适应性和焊后使用时安全可靠运 行的能力，也就是指在一定的焊接工艺条件下，金属材料获得优质焊接接头的难 易程度。而异种金属的焊接性，即在给定的焊接工艺条件下，能否形成优质的焊 接接头。这主要取决于被焊金属的物理性质、化学性质、化学成分和工艺措施。 而各种金属的物理、化学性质均有差异，有的差异小，有的差异大。这就决定了 异种金属的焊接性【1 0 1 。 金属的物理性能指标主要有密度、熔点、沸点、热导率及线膨胀系数等。表 1 2 给出了铜铝异种金属的物理性能，从中可以看出铜铝各自的熔点、密度、线 膨胀系数等物理性能相差很大。 金属的化学性能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。化学性能是判定两种材料能否稳定结合的重要 依据。表1 3 所示为铜和铝的主要化学性能指标。 金属的力学性能指标是设计计算、材料选用、工艺评定的主要依据。异种材 料焊接接头所形成的复合零部件能否满足工程上的使用要求，很大程度上也依赖 于对焊接接头力学性能的评定。表1 4 为铜和铝的主要的力学性能指标【4 】。 表1 2 铜与铝的物理性能 t 曲1 2p h y s i c a lp r o p e n i e s0 fc ua n da l 元素密度熔点沸点比热容热导率线膨胀系数电阻系数 g c m 。 j k 百1 k “、m k “ 门o 由- k 。110 岱q m 铜 8 9 2 1 0 8 42 5 7 83 7 6 83 5 9 2 16 6 1 6 7 铝2 7 06 6 02 3 2 79 3 4 8 2 0 6 92 3 82 6 5 表1 3 铜与铝的化学性能 t a b 1 3c h e m i c a lp r o p e n i e so fc ua n da l 4 薄壁铜铝管电阻压力焊界面的微观结构及耐腐蚀性能研究 表1 - 4 铜与铝的力学性能 t a b 1 - 4m e c h a n i c a lp r o p e n i e so fc ua n da l 1 3 2 影响异种金属焊接的主要因素【1 0 】 ( 1 ) 异种金属的熔点相差越大，越难进行焊接。 焊接熔点相差很大的异种金属，由于熔点低的金属达到熔化状态时，熔点高 的金属仍呈固态，因此己熔化的金属容易渗入过热区的晶界，使过热区的组织性 能降低。当熔点高的金属熔化时，势必造成熔点低的金属流失，合金元素的烧损 和蒸发。因此，焊接接头难以焊合。铝的熔点比铜低4 0 0 多度，易造成铝先熔化， 液体铝流溢，铜不熔化【9 】。 ( 2 ) 异种金属的线膨胀系数相差越大，越难进行焊接。 由于线膨胀系数越大，金属热膨胀率越大，冷却时的收缩率也越大；相反， 则反之。因此，在异种金属的熔池结晶时，会产生很大的热应力。焊缝两侧金属 承受的应力状态不同，容易使焊缝及热影响区产生裂纹，甚至导致焊缝与母材剥 离。目前，在生产中常用焊前将膨胀系数小的金属预热，或者加中间金属过渡接 头的措施来克服这一困难。铝的线膨胀系数比铜高约5 0 ，所以焊接冷却时会 产生很大的应力，导致上述现象的发型1 1 】。 ( 3 ) 异种金属的导热率和比热相差越大，越难进行焊接。 金属的热导率和比热能改变焊缝的温度场和结晶条件，并影响难熔金属的润 湿性能。此外，异种金属的导热率和比热相差越大，越易使焊缝的结晶条件变坏， 晶粒粗化严重。因此，对热导率和比热相差大的金属，应采用强力热源进行焊接， 焊接时热源的位置应移向导热性好的母材一侧。铝的热容量及熔化潜热大，熔化 时所需的热量比铜多，因而要实现其间的焊接难度大。 ( 4 ) 异种金属的电磁性相差越大，越难进行焊接。 薄壁锏铝管电阻压力焊界面的微观结构及耐腐蚀件能研究 电磁性相差越大，焊接电弧越不稳定，焊缝成形越容易变坏。 ( 5 ) 异种金属的氧化性越强，越难进行焊接 用熔焊法焊接铜与铝时，在熔池中极易形成铜和铝的氧化物( c u 0 、c u 2 0 、 a 1 2 0 3 ) 。冷却结晶时存在于晶粒间晶界的氧化物能使晶间结合力降低。而且，形 成的a 1 2 0 3 熔点高达2 0 3 0 ，难以清除，形成a 1 2 0 3 夹杂，影响接缝性能。此外， c u o 和c u 2 0 均能与铜形成低熔点共晶( c u + c u o 和c u + c u 2 0 ) 。这些低熔点共 晶体存在于晶界上，能使焊缝产生夹杂和裂纹，显著降低焊缝强度和塑性。 ( 6 ) 异种金属之间形成金属问化合物越多，越难进行焊接。 铜和铝在液态下可以无限互溶，而在固态下互溶度十分小。铜与铝在高温下 能形成多种金属问化合物，主要有c u 9 a 1 4 、c u 4 a 1 3 、c u 3 a 1 2 、c u a l 2 、c u a l 等。 铜一铝二元系状态图见图1 1 。脆性的金属间化合物在中低温下具有高强度、低 的延展性、室温塑性和易断裂性能，表现出强烈的应力集中倾向，其脆性断裂具 有突变性和不可预测性，会导致迅速脆性断裂，尤其当化合物表现为连续性和层 状时，这种脆性体现的尤为明显【1 2 】。由于金属间化合物具有很大的脆性，因而 金属间化合物的数量、形状和在焊缝中的分布状态，对焊接接头的性能均有很大 影响。金属问化合物越多，焊缝越容易产生裂纹，甚至会造成脆断。 ( 7 ) 异种金属焊接时，焊缝和母材不易达到等强。 焊接异种金属时，通常采用强力热源，因此造成合金元素的烧损和蒸发，从而使 焊缝的化学成分发生很大变化，组织性能显著降低，焊缝与母材达不到等强度。 尤其是焊接异种有色金属时更为明显。此外，焊接时产生的烧穿、夹杂和焊缝形 状尺寸不符合要求等缺陷也会影响焊缝与母材达到等强度。 1 3 3 铜与铝焊接时存在的主要问题【1 4 ，1 5 】 ( 1 ) 铝、铜易被氧化 铜和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，焊接时接头表面和熔池中都会发生如式( 1 1 ) ，( 1 2 ) ，( 1 3 ) 的反应，形成的氧化物难以去除。在熔池结晶时，靠近铜一侧金属容易产生c u o 和c u 2 0 ，靠近铝一侧产生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体分布于晶界，引起焊缝裂纹或脆断。 2 强+ 吼茹2 p ( 】) 6 薄壁铜铝管电阻压力焊界面的微观结构及耐腐蚀性能研究 4 魄+ q = 2 国2 p z ? + 3 岛= 2 蠢乞q w 商8 h 嗍g 棒f ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) 图1 - 1 铜铝二兀相图 f i g 1 1p h a s ed i a g “l mo f c u a ls y s t e m f 3 j ( 2 ) 铜与铝的焊接接头脆性大，易产生裂纹 铜与铝采用熔焊时，在靠近铜母材的一侧焊缝金属中，很容易形成c u + c u 2 0 共晶体，分布于晶界附近，使焊缝金属的脆性倾向增大，并易产生裂纹。由于填 充材料以及c u 、a l 母材的影响，也可能产生三元共晶组织，易产生晶间裂纹； 铜的线膨胀系数比铝大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，熔池中容易产生c 0 2 、 c o 和h 2 等气体，结晶过程中会产生一定的压力，尤其是氢的析集产生的压力 更大，使得焊缝产生裂纹。 ( 3 ) 焊缝易产生气孔 铜与铝熔焊时，易产生气孔，主要是由于两种金属的导热性都比较好，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；铜与铝 在液态时，能强烈地溶解和吸收气体，如氢随着温度的上升而溶解度显著增大， 当冷却时，氢的溶解度又显著下降，在7 0 0 和1 0 0 0 会发生突变，过饱和的氢 7 薄壁铜铝管电阻握力焊界面的微观结构及耐腐蚀性能研究 析出形成气泡外逸，而熔池结晶速度很快，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 使焊缝产生内部气孔和表面气孔。气孔对焊接接头的强度以及耐蚀性影响都很 大，所以焊前对焊接部位必须进行严格的清理，并且应该严格控制焊接线能量。 ( 4 ) 杂质元素影响 如表1 5 所示【1 6 】，在纯铜和纯铝中含有二些杂质元素。在铜与铝的母材金属 中，a 1 、s n 、z n 及p b 等元素的熔点低于c u o 当焊接温度达到使c u 熔化时，必 然会产生铜与氧以及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 力学性能和抗蚀性能降低。 表1 5 纯铜与纯铝的化学成分 t a b 1 - 5c 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 l 1 4 铜与铝焊接的常用方法 铜与铝焊接可采用熔焊、钎焊、压焊和扩散焊等。 熔化焊是焊件在焊接过程中，未施加压力，仅通过焊件加热和熔化来完成连 接的方法。熔化焊时焊接接头的形成，一般都要经历加热、熔化、冶金反应、凝 固结晶、固态相变，直至形成接头。熔化焊的本质是小熔池熔炼和铸造【1 7 1 。异 种金属熔化焊时，接头的力学性能主要取决于熔化的焊缝金属，其次才是热影响 区。当焊缝中铜的质量分数超过3 3 时，随铜质量分数的增大，相分界反应的 速度下降，润湿恶化，接头处形成一系列硬脆的化合物，这些化合物的力学性能 较差，强度都在1 5 m p a 以下。铜铝的熔点相差较大，往往铝熔化了而铜还处于 薄壁铜铝管电阻压力焊界面的微观结构及耐腐蚀件能研究 固态，易形成未熔合和夹杂，焊接的难度较大。铝和铜在弧焊过程中强烈氧化， 氧化膜中含有一定量的吸附水和结晶水，容易产生气孔，必须采取特殊措施防止 氧化膜的产生。铜和铝的导热系数和热容量大，施焊时必须使用大功率的电源和 大的线能量，有时还需要焊前预热。铝的热膨胀系数大，而弹性系数小，焊后变 形就较大，要求使用热量集中的电源。鉴于铜铝熔焊的以上几个特点，一般铜铝 焊接不采用熔焊的方法。但也有用熔焊的方法来焊接铜铝的，用的方法主要是 t i g 焊、m i g 焊和电子束焊。 t i g 焊即钨极氩弧焊是利用惰性气体一氩气保护的一种电弧焊接方法。焊接 过程为从喷嘴中喷出的氩气在焊接区造成一个厚而密的气体保护层隔绝空气，在 氩气层流的包围之中，电弧在钨极和工件之间燃烧，利用电弧产生的热量熔化被 焊处，并填充焊丝，把两块分离的金属连接在一起，从而获得牢固的焊接接头。 m i g 焊即熔化极氩弧焊，采用心或加+ h e 作保护气。其采用焊丝做电极， 电弧是在纯氩或高氩保护气中燃烧，焊接过程中焊丝不断熔化并填充到熔池中 去，冷凝后即形成焊缝。t i g 焊和m i g 焊都要使热集中在铜的一侧，为了改 善焊接性能需要在铜一侧预镀隔离层【1 8 1 。 电子束焊是利用会聚的高速电子流轰击工件接缝处所产生的热能，使金属熔 合的一种焊接方法。电子束焊具有电子束能量特别集中，能量密度特别高，焊缝 熔深大、熔宽小等优点，比较适合铜铝焊接。但铜铝易产生晶间化合物，接头 强度低，强度只有母材的6 5 。还有一个缺点就是焊接前必须进行严格清理， 这是因为铝和氧的亲和力很大，在空气中极易与氧结合，生成致密结实的a 1 2 0 3 薄膜，厚度约为o 1 岬。在焊接过程中，a 1 2 0 3 薄膜会阻碍金属之间的良好结合， 并易生成夹渣，氧化膜还会吸附水份，而氢是熔焊时产生气孔的主要原因，焊接 时氢会促使焊缝生成气孔【1 9 】。 前苏联的里亚博夫【2 0 】介绍采用铜侧开坡口、自动埋弧焊以及非熔化极氩弧 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 m ，铜侧开坡口7 5 0 ，得到了较好效果。镀层的应用减少了 会属间夹层的厚度，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。 9 薄壁铜铝管电阻压力焊界面的微观结构及耐腐蚀性能研究 熔焊过程中，接头中铜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，不可避免地产生晶间化合物。接头的净载荷强度随着金属间化 合物的增加而下降，特别是金属间化合物层处于致密状时尤为严重，因此最好不 要采用熔焊方法f 1 8 】。同时，由于铜和铝能形成多种金属间化合物，影响焊接接头 的强度、塑性，因此，在实际生产中，往往利用压焊的方法制成铜铝过渡接头， 从而避开异种金属熔焊的困难1 2 。 压焊，也称压力焊，是焊接过程中必须对焊件施加压力( 加热或不加热) 以 完成焊接的方法。用于铜铝焊接的压焊方法主要有电阻焊、摩擦焊、爆炸焊、超 声波焊等。 电阻焊是焊件组合后，通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及临 近区域产生的电阻热进行焊接的方法。电阻焊的优点是接头质量高，辅助工序少， 无须填加焊接材料及文明生产等优点，尤其易于机械化，自动化，生产效率高， 使其经济效益显著。但其缺点是接头质量的无损检验较为困难，电阻焊设备复杂， 维修困难且一次性投资较高。 摩擦焊是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性流动所 产生的热量，使接触面及其临近区金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变 形，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接的【1 7 】。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1 1 1 。 爆炸焊是利用炸药爆炸产生的冲击力造成焊件的迅速碰撞，实现连接焊件的 一种压焊方法。爆炸焊通过应用高压使金属界面发生大塑性变形而实现焊接。塑 性变形增大了板材的接触面积。爆轰压力驱使飞板加速与母板高速碰撞，飞板速 度急骤下降，这种减速被转化为非常高的压力，高压在碰撞点破坏了金属氧化膜， 露出了原子间的新鲜表面而实现了冶余连接2 2 1 。对于连接异种金属，爆炸焊有 着独特的优势。与常规的异种金属焊接工艺相比，爆炸焊的异种金属在品种和数 量上实际上是不受限制的。它们在形状和形式、面积和其他尺寸、结合强度和使 用性能上有许多特点。这一切决定了爆炸焊对于大量异种金属材料有许多卓有成 效的应用【2 3 1 。但用爆炸焊焊接铜铝时，管状焊件易变形，连接管的内外都要进 1 0 薄壁铜铝管电阻压力焊界面的微观结构及耐腐蚀性能研究 行加工修整。两零件的角度和彼此靠拢的速度在特别的范围内才能获得优质接 头。在铜铝基体中间加入铜中间层可以有效减少因碰撞而消耗的能量i l 引。 钎焊方法也是焊接铜铝时常用的一种方法。它是使基本金属不熔化，而靠填 充金属熔化后填满间隙，并与基本金属之间存在溶解、扩散等现象的金属焊接方 法，因此特别适合异种材料的焊接。不过铝与其他金属相比，钎焊较困难。原因 是：铝对氧的亲和力极大，表面易生成一层致密而化学稳定、熔点很高的氧化 铝，颇难去除。从而阻碍钎料与母材的润湿和结合，成为钎焊的主要障碍之一。 用硬钎剂钎焊时，由于钎料的熔点与铝的熔点相差不大，所以必须严格控制 好钎焊温度。用软钎剂时，由于钎料和母材之间电极电位相差悬殊，给钎焊 接头的抗腐蚀性带来不利因素。为清除氧化铝膜使用的钎剂具有强烈的腐蚀 性，如果钎焊后不立即清除干净，接头有很快被腐蚀破坏的危险【2 4 】。 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，调整钎缝间隙及基体表面粗糙度，进行焊后 处理，可以获得具有一定强度的铜铝钎焊接头：z n 4 0 s n 2 c u 及 z n 5 5 s n 2 5 s i 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。 扩散焊是在一定的温度和压力下使待焊表面相互接触，通过微观塑性变形或 待焊面产生的微量液相而扩大待焊面的物理接触面积，然后经较长时间的原子互 扩散而实现冶金结合的一种焊接方法。在温度和压力作用下，粗糙表面的微观凸 起部分首先接触和变形，挤破氧化膜等，然后被挤平并达到紧密接触的程度而形 成交界面，再通过界面原子扩散和再结晶使晶界迁