铝与异种金属的焊接

1、第四节 铝与异种金属的焊接现代工业对零部件的性能提出了更高的要求，如耐蚀性、导电性、导热性、磁性、熔点、硬度及耐磨性、低温韧性、耐高温持久强度等多方面的性能。有些情况下，任何一种金属材料都不可能全面满足使用性能要求，或者即使某种金属比较理想，却由于十分稀贵，不能在工程实际中大量应用。当需要制作一个在不同工作部位上具有不同性能的机件或构件，却找不到一种同时都能满足这些性能要求的金属材料时，最合理而又经济的办法是：对任何一个部位都根据其最重要的工作性能，选择相对最合适的金属材料制作，然后用焊接方法把这些各具特殊性能的金属材料连接成一个整体。这种把化学性能或物理性能有差异的金属焊接在一起的工艺过程称

2、为异种金属焊接。 目前，在石油化工、能源、机车车辆、海洋开发、军工及航窑航天技术等方面，越来越多的铝与异种金属韵焊接结构投入了实际应用。主要有铝与铜、铝与钛、铝与钢及不同型号铝合金之间的焊接。 异种金属的焊接要比同种金属焊接困难和复杂：不同母材之间、母材与填充金属之间的相互作用是不同的，这给焊接带来了冶金上的困难；又有因物理性能上存在差异带来焊接工艺上的困难。一、铝与铜的焊接 铝和铜导电性能都很好，都是常用于制造导电体的材料。铝比铜的密度小（属于轻金属），价格便宜，许多场合需要以铝代铜，因此常常需要将铝、铜连接起来，铝-铜接头广泛用于化工、电器和制冷工业中。铝与铜之间采用机械连接是不可靠的，需

3、用焊接方法连接。 从表2-4-1中可以归纳出铝与铜的以下几点特性： 1.铝与铜的特性 表2-4-1 铝和铜的物理性能及主要力学性能材料特性密度(g/cm3)(20)熔点()热导率W/(m·K)(20)比热容J/g·k)(20)线膨胀系数（×10-6K-1）(20)电阻率(W/m·k)(20)抗拉强度(MPa)相对延伸率(%)铝(Al)2.699660.2222O.899623.62.667810840铜(Cu)8.941083394O.384916.51.6721623560 （1）铝和铜的导电及导热性很好。在所有金属中，铜居第二位，铝居第四位。 （2）

4、铝和铜都是面心立方品格，具有极好的塑性，因此都能够通过冷、热压力加工。 （3）铝与铜在液态时相互无限固溶，固态时有限固溶。 （4）铝和铜在液态时流动性都很大。 （5）铝的强度比铜低得多。铝在550以上强度显著降低。虽然铝可经冷变形加工硬化提高强度，但同时塑性也会下降。 （6）铝在固态和液态都极易氧化，其表面会形成致密的氧化膜(A12O3)；铜对氧的亲和力也很大，高温下生成多种氧化物(CuO和Cu20)。 （7）铝与铜直接融合在一起会形成多种且电阻值极高的脆性金属间化合物（如A1Cu2,A12Cu3、AlCu、A12Cu等）。 2.铝与铜的焊接性 由于铝与铜的物理化学性能有很大差别，使铝与铜焊接

5、时会产生以下几个主要方面的问题： （1）铝和铜的熔点相差很大（达423），焊接时很难同时熔化。 （2）铝与铜形成的脆性金属间化合物影响接头的强度、塑性。为防止金属间化合物形成，应尽量缩短液态铝与液态铜的接触时间。铝-铜合金中含铜量在13%以下时，综合性能最好，所以熔焊时应设法控制焊缝金属的铝一铜合金中含铜量不超过上述范围，或是采用铝基合金。 （3）由于铝和铜对氧的亲和力都很大，高温下强烈氧化，在熔池结晶时，靠近铝母材金属侧产生氧化铝，靠近铜母材金属侧产生氧化铜，在同样情况下，铜侧氧化膜的厚度比铝侧的大。形成的氧化物难以除掉，这些氧化物使铝与铜及填充材料不能很好地熔合，同时会在晶界形成低熔点共晶

6、或脆性化合物，常常引起焊缝裂纹。 （4）合金元素的烧损 铜的熔点比铝高0.6倍。而铝和铜的合金元素Sn、Pb、Zn、Mn的熔点均低于铜，所以当焊接温度超过铜的熔点，使两种母材都熔化时，必然会产生低熔点合金元素的蒸发和烧损，使异质焊缝的性能受到影响。如Zn的蒸发和烧损会降低铝与铜焊缝的耐蚀性和力学性能。 （5）裂纹 铝与铜焊接时易产生裂纹，主要原因是： 1)铜的线膨胀系数比铝大0.5倍。在焊接热循环作用下，铝与铜的焊接接头经历不同的膨胀和收缩，会产生接头热应力。一旦应力值超过接头强度极限就会产生裂纹。 2)铝与铜形成的脆性金属间化合物极易导致热裂纹。 3)铜与铅、铋等金属能形成低熔点共晶，引起热

7、脆性。而铜与氧、硫等能形成脆性化合物，引起冷脆性。 4)铝与铜形成的氧化物熔点低、脆性大，且分布于晶界，使焊缝裂纹倾向增大。 5)高温下熔池中形成的C02、CO和H2等气体，在焊缝结晶过程中会产生一定的压力，增大焊缝裂纹倾向。 （6）气孔 1)铝与铜在液态时，能强烈地溶解和吸收气体，如氢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700和1100会发生突变，过饱和的氢析出形成气泡外逸，当气泡来不及全部浮出熔池表面，而在焊缝中形成气孔。 2)由于铝与铜的导热性能非常好，熔池结晶过程很快，因此，冶金反应产生的气体很可能来不及逸出熔池表面，残留在焊缝之中形成气孔。 3)由于两种

8、母材金属表面的氧化膜都会吸附水，当被焊接头清理不净存有油脂或杂质，或填充材料潮湿，或保护气体不纯及空气侵入焊接区时，也能使焊缝产生气孔。 3.铝和铜的焊接工艺 铝与铜的焊接可以用熔焊、压焊和钎焊。但综合以上所述的铝与铜的焊接性可以看出，铝与铜用熔焊是非常困难的，所以应用最多的是压焊。 1熔焊 (1)氩弧焊 铝与铜组合的熔焊最好采用TIG焊、MIG焊，由于用氩气保护，使熔池不受大气污染，焊接质量较好。缺点是不能使用直流电源，采用50 Hz交流电（每秒钟100次过零点而改变方向）；电离电位高的氩弧易断弧，所以焊接过程的稳定性较差。 工艺要点主要有以下几点： 1)采用纯铝或铝-硅焊丝作为填充金属。

9、2)焊缝金属中加入某些合金元素可改善铝-铜熔接接头质量：加入锌、镁能限制铜向铝中过渡；加入钙、镁能使表面活化，易于填满树枝状结晶的间隙；加入钛、锆、钼等难熔金属有助于细化组织；加入硅、锌能减少金属间化合物。试验证明，lm厚的金属化合物不会影响接头的强度。 加入方法：可在焊前将需加的合金元素涂到铜的待焊表面。 3)焊接时，电弧要向铜的侧偏移，偏移距离约相当于厚度的1/2，以达到两侧同时熔化，在接头的铜侧形成约310m厚的金属化合物，在接头的铝侧形成铜在铝中的固溶体带。 (2)埋弧自动焊 工艺要点如下： 1)接头形式及坡口 通常采用对接接头，J形坡口形式（铜侧开J形，铝侧为直边）。 2)在坡口内填

10、铝丝 为增加焊缝中铝的成分，减少铜的成分，防止脆性，可在坡口内填加铝焊丝(3mm)或锌条。 3)焊剂 选用牌号为HJ431的焊剂。 4)机头偏离为保证铜充分熔化，焊接时机头应偏离焊缝或坡口的中心线，偏向铜母材一侧，见图2-4-1图2-4-1 坡口形式5)正确选择焊接参数几种不同厚度的铝铜埋弧自动焊的焊接规范可参见表2-4-2。 表2-4-2 铝-铜埋弧自动焊的焊接规范焊件厚度(mm)焊丝直径(mm)焊接电流(A)电弧电压(V)焊接速度（m/h）焊丝偏离(mm)焊道数目焊剂层密度 (mm)高度(mm)62.5340350323427.4341301082.5360380353824.445l32

11、12102.5380400384021.55613812122.6390410394221.56724012163.0430500434419.881124214203.2520550404418.681234614 实例：当工件厚度为10 mm时，按上述工艺要点，采用焊丝直径2.5 mm,焊接电流380400A，电弧电压3839v，焊接速度21m/h进行嫜接。这样，焊缝金属中含铜量只有8%10%，可以得到满意的接头力学性能。 6)焊后热处理 对焊好的焊接接头要缓冷，并进行清理和质量检验。 2压焊 属于压焊的各种焊接方法都是固态下进行焊接的方法。铝与铜均为塑性很好的金属，因此铝-铜接头采用压焊

12、方法焊接可以获得良好的质量。利用压焊制成铝-铜过渡接头，就可避开铝-铜熔焊的困难，而变为铝与铝、铜与铜的同种金属的熔焊。 常用于铝-铜焊接的几种压焊方法比较见表2-4-3。 表2-4-3 用于铝-铜的压焊方法比较 焊接方法 冷压焊 闪光对焊 摩擦焊储能对焊焊接质量很好（无脆性层）好（有脆性层，但不影响使用）很好（无脆性层）好（有脆性层，但不影响使用）常焊面积（直径）0.5200mm22501600mm26400.510mm2断面形状不限，实心件矩形圆形棒料线材、管材生产率（平均）自动120件/h60件/h 80120件/h自动300件/h；半自动150件/h焊前准备工作硬铜线要退火，表面清理一

13、般，端面要求不高须严格退火，表面清理一般，端面要求不高须退火，端面要求平整，不能有油污、水等脏物硬铜件须退火，清理要求较高焊后工作去毛刺，加工量不太大车去毛边，通常须锻扁或机械加工锉去或用砂轮磨去飞刺，管件清理内壁 材料消耗约为工件直径或厚度的2.53倍，易回收铜烧掉4.56mm，铝烧掉4.56mm不易回收铜约67mm，铝约410mm，能回收 铜：线径的1.52倍，铝：线径的11.5倍，不易回收 常用设备LHJ-15型冷压焊机QL-25型冷压焊机UN9-200塑铝铜闪光对焊机；LQ-200型对焊机；LQ-300型对焊机改装蜘MCMY-150型闪光对焊机自制设备自制设备UR2-800型电容储能自

14、动对焊机、UR3-l200型电容储能半自动对焊机 附加设备手焊钳电源变压器、空压机，抽风机锻压机、机械加工机 砂轮机主要应用场合 适用于制造相当于213的铝-铜过渡接头由专业厂或车间制造大截面铝-铜过渡接头由专业厂或车间制造中型断面铝-铜过渡接头线材、管材等铝-铜过渡接头 (1)冷压焊 铝与铜的冷压焊是在室温下（再结晶温度）使铝和铜共同承受巨太的压力而产生相当大的塑性变形，铝与铜接头的结合面上原子相互靠拢（达到0.30.5m）而产生强大的原子间吸引力，从而使结合面在固态下形成牢固的接头。主要优点为接头中不产生铝铜脆性化合物，接头在室温下形成，紧邻接头处无热影响区。 冷压焊不能加工过细的导线，也

15、不能加工直径超过100mm的导线。 1)l异种金属冷压焊应具备的条件 母材金属本身的塑性变形大。 母材金属的氧化膜薄而脆，在塑性变形对容易被压碎。 母材金属在塑性变形过程中，接触面部位的弹性小，有利于原子相互结合。 2)冷压焊金属的压缩率 冷压焊金属的焊接性与两种母材金属在压力作用下的压缩率有关，两种金属只要达到一定压缩率就能实现冷压焊。铜的压缩率为80%90%，铝的压缩率为60%80%。 异种金属冷压焊的压缩率e可用下式计算： e=（1+2 -）/1+2×100%式中异种金属冷压焊压缩后的厚度(mm)； 1、2两种母材金属冷压焊压缩前的厚度(mm)。 各参数的意义可参考图2-4-2

16、。 3)锅与铜的冷压焊工艺要点图2-4-2异种金属冷压焊的压缩率1铜2压力3异质结合面4铝 焊前将铝与铜母材进行退火处理，使之软化而增加塑性变形量。 冷压焊对焊材准备工作要求严格。将退火后的两种母材金属氧化膜及油污彻底清理干净，并对接头的接合表面进行精确加工使之具有一定的粗糙度并使轴线与表面精确垂直。 铝与铜的导线或薄板采用搭接接头，而棒料、厚板可采用对接接头。 选用合适的冷压焊设备和压接工具。 铝与铜搭接时，压力为9801500MPa。对接时，由于形变过程中向外部扩展的飞边也需一起加压，因此压力比搭接高34倍。 冷压焊后，应清理焊接接头，并进行焊接质量检验。 (2)电阻对焊、闪光对焊和电容储

17、能焊 电阻对焊和闪光对焊在铝与铜连接上应用由来已久。这两种焊接方法都是在焊接时将两工件待焊端面始终压紧，压紧后通以大电流，利用电阻热加热至塑性状态（闪光对焊则加热至液态），然后迅速施加顶锻压力而实现焊接。例如：闪光对焊时需采用大电流（比焊钢时大1倍）、高送料速度（比焊钢时大4倍）、高压快速顶锻(100300 mm/s)和极短的通电顶锻时间(0.020.04 s)。焊接时应保证对接处加热均匀，并使两个零件的焊口处附近有足够的塑性变形区。因这两种材料的熔点相差很大，铝的熔化速度比铜快1.7倍，所以要相应增大铝的伸出长度。 电容储能焊利用电容储存的电能，通过瞬时放电，使铝与铜接头在极短时间内通过强大

18、的电流，而使接触面局部熔化，在顶锻力的作用下，挤出有害杂质而实现焊接。电容储能焊由于电流密度大、放电时间极短（小于0.0005s）、焊接变形小、节省电能、生产率高，所以非常适于铝与铜的焊接。 这三种压焊都是依靠提高顶锻速度和足够大的顶锻力，同时严格控制通电顶锻时间，除了必须将已形成的氧化物和金属间化合物（脆化物）随液体金属一起挤出接口，或尽量减少脆性层厚度并使之不连续之外，还要保证接触面处产生较大的塑性变形，以获得性能较好的接头。 为了防止产生脆性化合物，这三种方法都常需事先在铜表面上镀上锌、铝或银钎料铝-铜闪光对焊的工艺参数见表2-4-4。表2-4-4 铝，铜闪光对焊的工艺参数工艺参数棒材直

19、径 (mm)带材焊接截面(mm2)202540×5050×10伸出长度铜13434(mm)铝34383036烧化留量（mm）17201820闪光时间(s)1.51.91.61.9闪光平均速度(mm/s)11.310.511.310.5顶锻留量(mm)131368顶锻单位压力(MPa)190270225268顶锻速度(mm/s)100120100120100120100120最大电流(A)63000630005800063000 实例：截面为10 mm×100 mm的铝板(L3)与铜板（T2）过渡接头采用闪光对焊进行焊接。 1)下料时应注意留出烧化量。 2)由于铝、

20、铜导热快，因此必须要求较大的焊接功率。 3)由于铝的烧化速度快，因此铝的伸出长度应远大于铜。4)为避免导热快而带来的能量损失，焊接时应用高速烧化、高速顶锻及较大顶锻留量，最大程度地挤出焊口间的金属间化合物以保证接头质量。 5)焊接工艺参数见表2-4-5。 表2-4-5 焊接工艺参数烧化留量（mm）烧化速度 (mm/min)顶锻速度(mm/min)顶锻总量(mm)顶锻压强(MPa)闪光时间(s)19All5.0 + Cr4.01.22.41304.5A13.0 + Cul.53654 (3)摩擦焊 摩擦焊是利用焊件接触端面相对运动中相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻而实现焊接

21、的一种压焊方法。摩擦焊主要用于圆柱形或管状的铝件与铜件的对接。不能焊接太长的、固定的、质量大和不对称的母材。 摩擦焊工艺要点如下： 1)摩擦焊在焊前需对铜件进行退火。 2)焊前需锉平接合表面去除氧化膜并尽快焊接，以免沾污或重新生成氧化膜。 3)铝与铜摩擦焊加热温度应低于铝-铜共晶温度(548)，一般控制在460480。这样既能防止产生脆性的金属间化合物，又能保证有足够的塑性变形。 4)铝-铜摩擦焊焊接工艺参数见表2-4-6。 表2-4-6 铝-铜摩擦焊焊接工艺参数焊件直径(mm)68101214161820222426303640主轴转速 (r/min)10308405404503853203

22、00270245225208180170160焊前预压力(MPa)232345567891011121314151617181820212223242526摩擦时间(s)44444444444444摩擦压力(MPa)137147167186186196216235245265274294323343顶锻压力(MPa)588490441392392392392392392392392392392392持压时间(s)22222222222222铝伸出模量(mm)1010131320202020202424242628铜伸出模量(mm)l1222222222222床轴给进速度 (mm/s)1.41.

23、42.12.13.23.23.23.23.23.73.73.73.73.7 (4)真空扩散焊 铝与铜的真空扩散焊可获得导热、导电性能都很好的牢固接头。焊时不需要加中间过渡层。 1)真空扩散焊过程 真空扩散焊是依靠焊接表面微观塑性流变后，使原子相互大量扩散达到焊接表面紧密接触而实现焊接的。扩散焊的基本过程分为三个阶段，如图2-4-3所示。 变形和交界面的形成。在温度和压力作用下，两种母材金属接触表面上的微观触点因塑性变形而被挤平，从而达到紧密接触而形成晶向连接（即金属键连接）。 晶界迁移和孔洞消除。通过原子扩散使晶界发生迁移，离开接头的原始界面，达到新的平衡状态，界面孔洞基本消除。原子扩散，达到

24、冶金连接。由于原子进一步扩散，界面的再结晶和晶粒长大，使氧化物溶解，界面和孔洞完全消失，形成新的晶界，达到冶金连接，实现原子结合。 图2-4-3异种金属扩散焊的基本过程a)变形和交界面的形成b）晶界迁移和孔洞消除c）原子扩散，达到冶金连接1一铜（钛、钢） 2一金属界面 3一孔洞 4一铝 2)铝一铜真空扩散焊过程可分为三个阶段： 第一阶段：铝与铜接触表面之间物理接触，即个别凹凸点接触，实际接触面积仅为名义接触（全部接触）面积的1%3%。 第二阶段：铝与铜接头表面原子之间相互持续扩散，而使界面上许多微孔消失。 第三阶段：原子之间继续扩散，界面与微孔完全消失形成新的晶界，即实现原子之间的晶内结合，最

25、后接头的成分趋于均匀，形成牢固的焊接接头。 上述扩散焊缝形成的三阶段，温度决定了第一阶段中接触面的大小，也决定了第二、第三阶段中消除微孔的扩散速度；压力主要在第一阶段起作用，它能使接触面加大。而形成接头所需的时间，则取决于所加的温度和压力，随着温度和压力的增加，时间可缩短。 3)铝-铜真空扩散焊的压缩率 在整个扩散焊过程中，铝-铜接头的总变形量，等于加压产生的压缩率、焊接时间内的蠕变压缩率和冷却过程中的压缩率所占比例之和。在温度为500焊接时，接头各阶段的压缩率比例见表2-4-7。表2-4-7 铝-铜真空扩散焊各阶段的压缩率焊接温度()压力(MPa)加压结束时的压缩率(%)蠕变时变形量 (%)

26、冷却过程的压缩率(%)总压缩率(%)50019.814.96520.110050012.618.253.628.21005009.821.742.935.3100 4)真空扩散焊工艺要点 接头形式 扩散焊接头的基本形式有对接接头、T形接头和搭接接头，其中搭接接头最为合适，所以应用最多。为增加接合面积，对接接头有时采用斜面对接或曲面对接，这样可提高对接接头的承载能力。必要时也可采用对接接头局部搭接化。 待焊表面的制备与清理 待焊表面的状态对扩散焊接过程和接头质量影响很大，特别是固态扩散焊，必须在装焊前进行仔细制各和清理。 a)表面机械加工。待焊面要求达到平整光滑，使焊接间隙最小，微观接触点尽可能

27、地多。一般要求表面粗糙度在Ra3.2m以下。用精车、精刨（铣）、磨削、研磨、抛光等方法都可比加工出所需的表面平直度和粗糙度。若是加入软中间层的扩散焊或过渡液相扩散焊，则粗糙度可以放宽。 b)表面净化处理。目的是清除氧化膜、油污和吸附物。去除表面氧化物多用化学腐蚀方法，腐蚀剂参考金相腐蚀剂的配方。腐蚀速度不能过大，以防止产生腐蚀坑。当腐蚀至露出金属光泽，就立即用水冲净和烘干。除油可用乙醇、丙酮、洗涤痢或其他清洁剂。也可以在真空中加热去除焊件表面的有机物、水或气吸附层。 真空扩散机有ZKL-1、ZKL-2和超高真空扩散焊机。（主要焊接工艺参数采用真空扩散焊焊接厚度为0.20.5 mm的铝与铜时，其

28、真空度为6.67×lO-3 Pa，焊接温度应为500520;压力为9.8 MPa，时间10min。符合上述条件可获得优良的焊接接头。 (5)超声波焊 铝与铜焊接用超声波焊较合适。 1)超声波焊的特点 焊件不通电，不加热，焊接过程中不出现宏观的气相和液相，因此不会出现任何铸态熔核或脆性金属间化合物。 焊区金属的物理和力学性能不发生宏观变化，其焊接接头的静载强度和疲劳强度都比较高，且稳定性好。 可焊的材料范围广，尤其是高导电、高导热和性能相差悬殊的异种材料，这对铝、铜尤为适用。适宜焊接薄壁以及多层箔片等特殊结构。被焊金属表面氧化膜或涂层对焊接质量影响较小，因而焊前表面准备工作比较简单。

29、超声波焊适宜焊接硬度较低的材料，铝、铜的硬度恰恰都较小(A1的硬度为HB2530，Cu硬度为HB37)。 最适合的接头形式为搭接接头。 所需的电能少，不到电阻焊的5%。 焊接变形小。 2)超声波焊的主要工艺参数有功率P、频率f、振幅A、静压力F、焊接时间tw等。 超声波焊机功率P计算公式： P=4 ,SFAf式中摩擦系数； S焊点面积(mm)； F静压力(MPa)； A振幅(m)； f振动频率(Hz)。实例：某厂在平板太阳能集热器芯片制造中，用超声波焊能较好地解决铜管（紫铜）铝翅（工业纯铝）管板的焊接问题，获得满意的结果，工艺参数见表2-4-8。表2-4-8 工艺参数频率f（kHz）振幅A(m

30、)静压力F (MPa)缝焊时超声波作用时间tw(s)缝焊时连续焊接的焊接速度v(m/min) 20 525 0.40.6 0.0051 10 3钎焊 在电器元件制造中铝和铜焊接经常采用钎焊。 铝和铜直接钎焊困难很大，接头质量不好。因直接钎焊时不能有效地减少铝和铜原子的直接接触，也就无法避免在钎缝中生成铝-铜脆性化合物。再是接头易腐蚀，使接头的性能及使用寿命降低，这是因铝和铜间的电极电位、钎料与母材间的电极电位都相差很大，冷却时钎缝里有大量沿晶界CuAl2析出，CuAl2的电极电位比Al的电极电位高，这些都极易产生电化学腐蚀；为去除致密的铝氧化膜，需要用腐蚀性大的钎剂，钎剂的残渣吸潮后形成腐蚀剂

31、，对接头有强烈的腐蚀作用。 针对上述问题，铝-铜钎焊关键取决于找到同时适用于二者的钎料和钎剂。可从下面几个方面着手： (1)利用锌基钎料(Zn-40Sn-2Cu及Zn-55Sn-2.5A1-2.5Ag)钎焊铝和铜 作为铝-铜钎焊的钎料除了应与铝和铜均能相互作用，且电极电位应尽可能与铝接近。锌正满足上述要求，故可做钎料的基体。锌在钎料中还起到除气排污和细化晶粒的作用，使接头的抗腐蚀性能和强度有一定提高。 (2)在钎料中添加微量的稀土元素（Re）可提高铝-铜钎焊接头的强度和抗腐蚀性。 (3)选用活性较强、钎焊温度相匹配的铝反应钎剂（剂203）。 作为钎焊铝-铜接头的钎剂，应具有同时去除铝和铜表面氧

32、化膜及提高钎料润湿性的作用。与铝相比，铜表面氧化膜容易去除，故关键为铝表面氧化膜的清除。铝表面氧化膜的熔点高、稳定性好，并致密地附在金属基体的表面上，故应选用活性较强、钎焊温度相匹配的铝反应钎剂。 用锌基钎料与铝反应钎剂匹配可取得钎焊铝-铜接头较理想的结果。 (4)采用中间镀层 可在铝表面先镀一层金属层（比较合适的金属是镍），再与铜钎焊，这时可采用腐蚀性小或无腐蚀性钎剂，以提高接头强度和抗腐蚀性。 采取这种方法能尽量阻止铝、铜原子直接接触生成铝铜脆性化合物。同时也避免强腐蚀性钎剂引起的腐蚀问题。 使用镍层不仅可以避免铝、铜原子的直接接触，而且能更有效地阻止铝、铜原子通过扩散而引起的相互接触，从

33、而保证了较高的强度。镍层在钎料和母材中溶解少，与钎料中的锡生成的相生长率低，镀层均匀，有较好的抗腐蚀性，与基体金属有较强的结合力。缺点是采用镀镍层后，钎料不易在镍层上铺展，要采用氮气保护，才能获得满意的漫流性和润湿性，增加了成本和技术难度。 如果采用复合镀层，即在镍层的基础上再镀覆一层与镍层结合良好而且钎焊性优良的金属，就可以不用气体保护，只使用无腐蚀性的钎剂，从而既解决了抗腐蚀性问题，又简化了工艺。这方面的研究将有助于获得令人满意的铝-铜接头，并推动铝-铜接头在工业中的广泛应用。 (5)用铜-磷钎料火焰钎焊铝和铜，由于钎料中磷能还原氧化物而起到钎剂的作用，因此不需要钎剂，焊后也不需要清洗。

34、铜-铝钎焊工艺要点，以下面例子说明。 实例：厚3mm纯铝(L2)板和厚2mm纯铜(T4)钎焊。焊前将铜与铝的接头表面清洗干净，彻底去除油污、杂质和氧化物。铝材表面镀覆金属层镍。再将装配好的接头浸润钎剂，钎剂为ZnC12 - 8NH4C - 1.2KF - 0.6LiF - 0.2NaF。当用钎焊温度高于275的锌基钎料时，必须用反应钎剂（剂203），浸润钎剂的温度为450480。施加钎剂后，在其尚未干燥和剥离前便立即将钎焊部件按要求装配、定位好。需要预先安置钎料的，在装配的同时把钎料放到预定的位置。本例中采用的钎料工艺性能见表2-4-9。表2-4-9 钎料的工艺性能序号钎料种类润湿面积（mm2

35、）流动长度(mm)填充间歇长度 (mm)对母材的溶蚀备注1 Zn-5Al2802722明显 钎焊工艺参数为：钎焊温度440，保温5 min2 Zn-3Al-2Ag2903023明显3Zn-2.5A1-2.5Ag-0.15Si2803020明显4Zn-40Sn-2Cu3402728轻微5Zn-55Sn-2.5A1-2.5Ag3603231轻微 上述钎料的工艺性能均较好，焊出的钎缝饱满、外表美观。其中，Zn-40Sn-2Cu和Zn-55Sn-2.5Al-2.5Ag这两种钎料具有良好的工艺性能，对Al的溶蚀性最小、润湿性及填充间歇能力最高，而且熔点低(300350)、钎焊施工方便，与反应钎剂（剂20

36、3）匹配，获得的钎焊接头有较高强度和抗腐蚀性，因而是钎焊铝-铜接头较理想的钎料。 (6)为防止接头氧化，焊接在惰性气氛炉中进行，可采用电阻加热或火焰加热。焊好后要及时把接头残留物清洗干净，防止剩余钎剂对焊接接头的腐蚀作用。 4熔焊-钎焊 这是熔焊和钎焊联合用于铝-铜接头的一种焊接技术。 通常是对铜用钎焊，即在铜的待焊表面先搪一层锌基钎料或镀二层5060m的锌层。然后与铝进行熔焊，只熔化铝的一侧。如果用气焊，则用CJ401焊剂和纯铝焊丝进行焊接；用钨极氩弧焊时只需填充铝焊丝。二、铝与钢的焊接由于铝及铝合金的密度小、比强度高,并且具有良好的导电性、导热性和耐蚀性。因此与钢结合形成构件很有实际意义。

37、1铝与钢的焊接性由于铝与钢在物理化学性能方面存在很大的差异和特点，使这两者之间焊接存在很大的困难。从表2-4-10中可以看出铝与钢物理性能相差很大。这就给焊接造成下列困难：（1）很难达到同时熔化两者熔点相差达8001000，因此同时达到熔化很困难。也就是说。当铝合金已完全熔化时，钢却还保持着固态，很难熔合而且液态的铝对固态的钢也很难浸润。表2-4-10 铁、钢、部分铝及铝合金的物理性能材料熔点()热导率W/ (m·k)线膨胀系数(10-6 K-1)密度(g/cm3)(20)比热容(J/(gk)(20)电阻率（·m）（20）铝(Al)660.222223.62.699O. 8

38、9962.66铁(Fe)1536.57511.767.870.46029.7l钢碳钢150677.511.761Cr18Ni9不锈钢145016.316.6铝及铝合金1060 (L2)纯铝658217.324.O5A03 (LF3)防锈铝610146.523.55A06(LF6)防锈铝580117.224.75A12 (LF12)防锈铝690163.323.22A12 (LY12)硬铝502121.422.72A14 (LD10)硬铝510159.122.54（2）很难均匀加热铝与钢的热导率相差23倍，同一热源很难均匀加热。（3）焊接热应力和焊接变形大铝与钢线膨胀系数相差较大（1.42倍），焊

39、接时在接头界面两侧必然引起很大的残余热应力，并且无法通过热处理消除。这也造成焊接接头会产生严重的变形。（4）焊缝成分不均匀由于钢的熔点比铝的熔点高，故焊接时，铝完全熔化为液态。同时，两种母材金属的密度相差很大，当钢完全熔化时，液态铝浮在钢液上面，冷却结晶后焊缝成分不均匀。（5）被焊接头容易氧化铝及铝合金与钢焊接时，在铝母材金属接头表面易形成难熔的氧化膜(A12O3)。这种氧化膜也可以存在于熔池表面，温度越高，熔池表面的氧化膜越厚。这种氧化膜阻碍液态金属的结合，使焊缝容易产生夹渣，力学性能降低。（6）铁在铝中的溶解度很小共晶温度为645时，铁在铝中的溶解度为0.053%；共晶温度在225600时

40、，溶解度为0.01%0.022%；共晶温度在室温时，溶解度为0.002%。（7）焊接接头容易产生裂纹在铝与钢的焊接过程中，铝与钢中的铁及合金元素极易形成脆性化合物（如FeA1、FeAL2、FeAL3、Fe2AL5、Fe2AL7等），还能够与钢中的碳形成化合物。这就降低了焊缝的塑性和韧性，在焊接应力作用下，焊接接头很容易产生裂纹，甚至拉裂。（8）电化学腐蚀铝与不锈钢焊接时由于Al-Fe电极存在易引起电化学腐蚀。2.铝与钢的焊接工艺综上所述，铝与钢的焊接性很差,必须采取特殊工艺措施和选择合适的焊接方法，才能获得满意的焊接接头。很显然采用熔化焊是极其困难的，而压焊较易实现。（1）压焊压焊是铝与钢焊接

41、较适用的方法，尤其是冷压焊、扩散焊和超声波焊等。一般在焊接界面上都不会形成金属间化合物。1)冷压焊 焊前必须彻底清洁铝（铝合金）与钢的连接表面，清除氧化物及薄膜。要实现冷压结合，焊接时接头处须有足够塑性变形量，铝及铝合金的最小变形量应在70%80%以上。冷压焊接头纯铝与碳钢的强度可达80100 MPa，铝-镁合金与18-8型不锈钢可达200300MPa。由于铝与钢的塑性差别很大，采用楔焊法焊接效果很好。可把较硬的钢母材加工成尖锐的楔形，焊接时用强大的压力把它压人较软的铝母材之中而实现连接，原理见图2-4-4。铝与钢楔焊可在共晶温度以上进行，也可在共晶温度以下进行。图2-4-4异种金属的楔焊原理

42、1钢件2铝件 3焊接接头4特制模具 5支座例如：采用楔焊法焊接18-8钢与LF6合金。在温度为520570时加压，使钢母材金属尖锐的楔形压人铝合金母材金属之中，产生塑性变形，使接触面的氧化膜破碎而挤出，从而形成具有很高强度的楔形接头。楔焊的工艺：焊前可在钢母材金属接头表面上电镀一层铜。将它们加热到600654，压入铝母材金属，则铝与铜产生共晶体而形成焊接接头。可在钢母材金属上电镀一层银，由于银与铜相比不易氧化，因此焊接效果更佳。也可在钢母材金属上电镀锌，这样也能获得良好的焊接接头。2)摩擦焊采用摩擦焊焊接铝（或铝合金）与钢时。由于母材金属不熔化，加热范围小，冷却速度快，因而接头结合处不发生变化

43、，容易获得优良的焊接接头。摩擦焊接头多为对接，且其中一个焊件须旋转。连接面经摩擦升温可能形成金属化合物，因此，摩擦焊时应尽可能缩短接头加热时间并施加较大的挤压力，将可能形成的金属间化合物挤出接头区。但加热时间也不可过短，以免塑性变形量不足而不能形成完全结合。摩擦焊的操作过程如下：彻底清除铝与钢接触表面的氧化物。铝与钢的摩擦加热过程开始时，在摩擦表面上相互作用着较大的摩擦压力并且有很高的相对运动速度，因此摩擦表面金属很快产生塑性变形。随着摩擦时间的增加，摩擦表面达到全面接触，温度很快升高，接触表面平整并产生黏结现象。摩擦过程中，异种金属表面焊合后又被扭矩拉断，高温金属质点在摩擦表面上互相过渡。当

44、温度继续升高时，摩擦所产生的热量不断向铝和钢的母材金属传导，对焊接很有利。在铝与钢的摩擦表面形成塑性状态时，用较大的压力进行顶锻，挤出接头中的氧化物，完成摩擦焊接过程。采用的摩擦焊机型号为TZH102 (30kW)。纯铝与钢摩擦焊的焊接参数见表2-4-11。表2-4-11 纯铝与钢(Q235)摩擦焊的焊接参数焊件直径（mm）钳口处伸出长度(mm)转速(r/min)压力(MPa)加热时间(s)顶锻量(mm)接头弯曲角加热顶锻加热总量301510005012041014180301675050504.5101518040207505050512131805026400501207lO1510018

45、03)真空扩散焊 铝与钢扩散焊时，为了防止产生金属间化合物，最好加入镍、铜等中间层。 扩散焊的工艺： 焊前准备 a.接头形式多为对接、搭接和T形接头。 b.焊件结合表面加工至粗糙度为Ra3.26.3m，以增加扩散焊时实际接触面积。可采用半精车、磨削、精铣和抛光等方法进行加工。 c.被焊件表面要进行净化处理。通常用乙醇、三氯乙烯、丙酮、洗涤剂等除油污，也可用超声波净化处理。 d.焊前在钢表面用电镀法加入镍、铜中间层。 焊接主要工艺参数 a.焊接温度500550。 b.选择合适的扩散焊温度，是获得优质焊接接头的重要保证。铝与钢的扩散温度在一定范围内，温度越高，扩散过程越快，接头强度也越高。通常选择

46、扩散温度为(0.60.8)Tm(K)（Tm为铝母材金属熔点）。 c.压力为7.514MPa。 d.焊接时间（即扩散时间是指被焊工件在焊接温度下保持的时间）520 min。扩散时间过短，接头强度不稳定；扩散时间过长，母材金属晶粒长大，易形成脆性化合物接头。 e.保护气氛：，常用保护气体是氨气，真空度为(120)×lO-3Pa。 异种金属真空扩散焊机如图2-4-5所示。 (2)熔焊、 钢与铝及铝合金在熔焊时必须加中间层，宜采用钨极氩弧焊（熔焊-钎焊）。图2-4-5异种金属真空扩散焊机示意图1油缸2真空室3高频加热线圈4钢件5铝件6真空抽气系统7油池8高频电源9加压系统 焊接主要工艺要点如

47、下： 1)对接焊时，一般采用K形坡口，坡口开在钢的一侧，坡口角度为70°时，接头强度最高。 2)坡口表面需彻底清理。 3)在钢的坡口表面镀上一层与铝相匹配的第三种金属作中间层：奥氏体不锈钢表面最好镀铝。碳钢及低合金钢表面多为镀锌、银等，但不宜镀铝，因镀铝过程中会产生金属间化合物，从而排挤出碳，形成增碳层，严重降低接头强度。 若在钢的表面先镀一层铜或镍，然后再镀锌，获得复合镀层如Cu-Zn (46m+ 30 40m)或Ni-Zn (56m+3040m)效果更好，能使金属间化合物层的厚度减小，硬度降低，接头强度提高。 4)用交流电源。 5)钨极直径为25mm。 6)采用含少量硅的纯铝焊丝

48、，可以较稳定地形成优质接头，这类焊接接头的拉伸强度和疲劳强度都可达到与铝母材相当的水平。不宜使用铝-镁焊丝，因为镁不溶于铁，镁的晶格与铁结合力很弱，而且镁还强烈促使金属间化合物增长，这些都会降低接头的强度。 7)焊接电流可根据金属厚度按表2-4-12选择。 8)操作电弧与焊丝，使铝为熔焊，而钢为钎焊。焊接时先将电弧指向铝焊丝，待开始移动进行焊接时则指向焊丝和已形成的焊道表面，这样能保护镀层不致被破坏，使熔化的铝漫流封已镀层的钢表面上去。表2-4-12 钢与铝钨极氩弧的焊接电流母材厚度 （mm）368910焊接电流 (A)110130130160180200另一种方法则是使电弧沿铝侧表面移动而铝

49、焊丝沿钢侧移动；使液态铝流到钢的坡口表面，注意保护坡口上的镀层，不要使其过早烧失而失去作用。 实例：图2-4-6所示为某产品的铝管与钢管的焊接接头。 图2-4-6铝与钢产品的焊接接头a)坡口及焊接顺序矗）车削后的焊接接头1铝 2外侧焊接顺序 3钢 4内侧焊接顺序 5焊缝主要特点：铝管壁厚比钢管壁厚大1倍。铝管外径比钢管外径大，410 mm。铝管内径比钢管内径小410 mm。要求焊接接头高强度并具有高气密性。焊接操作技术：接头开X形坡口，钢管坡口为70°；铝管坡口为40°。将钢管进行机械清理。对钢管坡口镀过渡层。对铝管进行脱脂、酸洗及钝化处理。采用NSA-500-1型氩弧焊机

50、焊接。将铝与钢接头进行定位，并装配，接头间隙为1.52 mm。将铝管预热到100200，然后用氩弧焊进行多道焊。钍钨极直径为3.2mm，焊丝直径为2mm。焊接时按图2-4-6所示先进行内侧焊接，焊接电流为45 A，随后进行外侧顺序焊接，焊接电流为6070A。接头内外表面焊完之后，要进行质量检验，发现焊接缺陷及时返修。最后将焊接接头在车床上进行车削加工，以保证焊接接头的表面质量。(3)钎焊 形成脆性金属间化合物Fe3Al是影响铝与不锈钢钎焊的主要因素，会直接导致钎焊性变差。因此，应采取措施尽量防止铁与铝原子的相互扩散。过渡层（镍层）钎焊法能较好地解决铝和不锈钢钎焊中遇到的脆性化合物和钎料不易铺展

51、的问题。镍层具有阻挡作用：一方面阻挡了铝穿过镍层向不锈钢层扩散；另一方面也阻挡了铁原子穿过镍层向铝基体扩散，从而避免了铝-铁脆性化合物的形成，这是镍层的最主要的作用，也是与直接钎焊相比最突出的优点。镍层还可避免钎料的腐蚀性并提高钎缝的塑性。实例：某大学研究人员采用电刷镀镍-铜-镍过渡层的方法进行铝与不锈钢的钎焊工艺试验，较好地实现了两者的连接。镍层在整个接头中起到了关键的作用：镍层起到阻挡作用。镍与铜和铝原子在边界部位都有相互扩散，镍层与不锈钢基体和钎料有较强的结合力。镍、铜是面心立方结构，具有较高的致密度，所以铝与不锈钢的原子在镍层里扩散困难。1)设备及材料设备SXZ-10 -12型箱式电阻炉，STD-200-C数控镀电源及附件。材料30 mm×20 mm×3mm的5A03（LF3）铝片，30 mm×20 mm×1.5mm的0Crl8Ni9不锈钢片。钎料成分及熔点见表2-4-13。如果直接进行铝与不锈钢的钎焊或选用铝-硫共晶钎料钎焊，会生成大量的脆性金属间化合物，且由于两母材的线膨胀系数相差较大，易发生断裂。因此，应在铝-硫共晶钎料的基础上加入少量的铜以增加钎缝的塑性。钎焊温度越高