铜与铝、钢异种金属焊接工艺设计

1、河南机电高等专科学校毕业论文毕业论文题目：铜与铝/钢异种金属焊接工艺设计系 部 材料工程系 专 业 焊接技术及自动化 班 级 焊接123班 学生姓名 学 号 1213033 指导教师 周慧琳 2015年4月29日 铜与铝/钢异种金属焊接工艺设计 摘要近年来,随着生活水平的不断提高,人类生活的各个方面已经越来越离不开电冰箱和空调器等制冷设备的使用。制冷设备中,换热器的性能直接影响设备的制冷性能。国内外制冷设备管路系统中的蒸发器和冷凝器采用铝管代替铜管己成趋势。但铜管在一些制冷管路构件中仍是不可替代的,近年来铜价攀升和铜资源的短缺，然而铝/钢的资源较丰富，可以成为铜的很好的替代材料。因此必然带来铜

2、铝/钢管连接问题。而铜与铝/钢性能差异较大,焊接时存在多种问题。铜铝/钢属于异种金属，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/钢管应用的一个很大问题。本文通过分析异种合金的物理、化学性能差异，了解了异种合金焊接性特点以及容易出现的焊接缺陷，列举和介绍了常用的几种铜与铝焊接方法的基本原理和焊接规范。本文对于铜与钢的焊接做出了新的焊接工艺设计，通过用激光对铜钢接头进行焊接，缩短了焊接时间，优化了焊接性能，使焊接热输入量更加容易且精准的控制，能够更易得到较好的接头。关键词： Cu/Al管；Cu/Fe管，电阻压焊；钎焊，激光焊 铜与铝/钢异种金属焊接工艺设计 Abstract

3、In recent years, with the continuous improvement of living standards, every aspect of human life has been more and more used without refrigeration equipment, refrigerators and air conditioners and other more away. Refrigeration equipment, refrigeration performance of the heat exchanger performance d

4、irectly influence the equipment.The evaporator and condenser cooling equipment in the pipeline system at home and abroad by using aluminum instead of copper has become a trend. But the copper in some refrigeration piping components is still irreplaceable in recent years, the shortage of copper price

5、s rose and copper resources, however, aluminum / steel resources are abundant, can be a good substitute material of copper. So it will inevitably bring about the copper and aluminum / steel connection problems.Copper and aluminum / steel performance differences, there are many problems in welding. A

6、luminum / steel dissimilar metal belongs to, easy to form brittle phases in the process of welding, influence of joint performance. Therefore, the welding problem become a big problem of aluminum / steel.In this paper, through physical, chemical properties analysis of the difference of dissimilar al

7、loys, and easy to understand the welding defects dissimilar alloy welding characteristics, the basic principle and several commonly used are copper and aluminum introduced welding method and welding specification.In this paper, the welding of copper and steel making process design of new welding, th

8、e joint of steel and copper by laser welding, shorten the time of welding, the welding performance optimization, the control of welding heat input is more easily and accurately, can more easily get good joint.Keywords: Cu/Al; Cu/Fe pipe, electric resistance pressure welding; brazing, laser welding目录

9、1绪论12异种金属焊接性32.1异种金属性能差异及影响32.1.1物理性能的差异32.1.2结晶化学性能的差异32.1.3材料的表面状态42.2影响异种金属焊接的主要因素53铜铝焊接性分析及常用焊接方法73.1铜铝性能比较73.2铜与铝焊接时存在的主要问题83.2.1铜铝焊接时的氧化问题83.2.2铜与铝的裂纹问题83.2.3铜与铝的气孔问题93.3铜铝常用焊接方法104.铜钢激光焊接144.1激光焊接在异种材料焊接中的应用144.2铜钢激光焊接的特点及激光深熔焊原理154.3深熔焊的主要影响因素184.4铜钢异种材料激光焊接的焊接性分析与工艺设计194.5试验方案及内容264.6试验材料27

10、4.7焊接试验274.8焊缝内缺陷产生原因分析284.9铜的熔化量对焊缝拉伸力学性能及组织的影响305结论32致谢33参考文献34河南机电高等专科学校毕业设计论文1绪论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。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。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）年份电冰箱产量比

11、上年增加房间空调器产量比上年增加20095584.98153.2720107055.226.30%10287.820.70%2011869920.33%1374524.59%20128427.05-3.14%12650-7.95%20139340.610.60%14332.911.6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。制冷系统是制冷设备的最重

12、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50%70%，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。在性能方面铝的导热率接近铜，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2.34、铜3.97，单位：W/cm）,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

13、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，因此铝代铜已成为一种趋势。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；另一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

14、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。2异种金属焊接性制冷管路的质量要求很高，而铜铝/钢焊接存在很多困难，导致目前正在采用的铜铝/钢管接头很多不符合制冷系统的致密性和洁净度要求。铜铝/钢焊接属于异种金属焊接，比同种金属焊接要困难得多。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。理想的焊接性就是对材料的冷、热裂纹，再热裂纹和氢诱裂纹均不敏感，

15、在热影响区无脆化问题。金属焊接性具体含义包括两个方面内容：第一是接合性能。接合性能是指金属材料在给定的焊接工艺条件下，形成完整焊接接头的能力。焊接生产中，常用接合性能评定焊接接头缺陷的敏感性，以便提出防止焊接缺陷的措施。第二是使用性能。使用性能是指金属材料在焊接以后，接头在长期使用条件下适用使用要求的程度。焊接生产中，常用使用性能评定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。2.1异种金属性能差异及影响异种金属在给定的焊接工艺条件下，能否形成优质焊接接头主要取决于被焊金属的物理性能、结晶化学性能的差异和材料的表面状态。2.1.1物理性能的差异两种材料物理性能的差异主要是指熔化

16、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。当异种材料热物理的较大差异会使熔化情况不一致时，就会给焊接造成困难；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，易使焊缝及热影响区产生裂纹。异种材料电磁性相差较大时，则使焊接电弧不稳定，焊缝成形不好甚至形成不了焊缝。2.1.2结晶化学性能的差异结晶化学性能的差异主要是指晶格的类型、晶格常数、原子半径、原子的外层电子结构等的差异，也就是通常所说的“冶金学上的不相容性”。两种被焊金属在冶金学上是否相容，取决于它们在液态和固态时的互溶性以及这两种材料在焊接过程中是否产生金属间化合物（脆性相）

17、。在液态下两种互不相溶的金属或合金一般不能用熔化焊的方法进行焊接，如铁与铅、铅与铜等。因为这类异种材料组合从熔化到冷凝过程中极易分层脱离而使焊接失败。只能在液态和固态下都具有良好互溶性的异种金属或合金，才能在熔焊时形成良好的焊接接头。一般说来，当两种金属的晶格类型相同，晶格常数、原子半径不超过10%15%,电化学性能的差异不太大时，溶质原子能够连续固溶于溶剂，形成连续固溶体；否则易形成金属间化合物，使焊缝性能大幅度降低。研究表明能够形成连续固溶体的异种材料具有良好的焊接性。焊接互溶性有限的两种金属或合金时，能否防止裂纹的产生主要取决于结晶条件。材料的相变性质以及受力状态。因此，当采用的冶金措施

18、和焊接工艺尚不足以克服因互溶性差造成的焊接困难时，就会影响这两种材料的焊接性。有限的溶解度有时会形成金属间化合物或使过饱和固溶体的剩余成分析出，从而降低接头的性能。为了改善异种材料的焊接性，对不能形成无限固溶体的异种金属和合金，可在两种被焊材料之间加入过渡层合金，所选择的过渡层合金应该满足与两种被焊金属均能形成无限固溶体的要求。2.1.3材料的表面状态材料的表面状态是很复杂的,表面氧化层(氧化膜)、结晶表面层吸附的氧离子和空气分子水油污杂质等状态，都直接影响异种材料的焊接性，必须给予充分的重视。在生产实践中，往往由于表面氧化膜和其他吸附物的存在给焊接带来极大的困难。此外，焊接异种材料时，必定会

19、产生一层成分组织及性能与母材不同的过渡层，过渡层的性能会给焊接接头的整体性能带来重大的影响，处理好异种材料焊接的过渡层对于获得满意的焊接质量至关重要。过大的熔合比，会增加焊缝金属的稀释率，使过渡层更为明显；焊缝金属与母材的化学成分相差越大，熔池内金属越不容易混合，过渡层越明显；熔池内金属液态存在的时间越长，越容易混合均匀。所以，焊接异种材料时需要采取相应的工艺措施来控制过渡层，以保证接头的性能。2.2影响异种金属焊接的主要因素（l）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，因此已熔化的金属容易渗入过热区的晶界，使过热

20、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400多度，易造成铝先熔化，液体铝流溢，铜不熔化。（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50，所以焊接冷却时会产生很大的应力，导致上述现象的

21、发生。（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。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（CuO、Cu2O、A

22、l2O3）。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Al2O3熔点高达2030，难以清除，形成Al2O3夹杂，影响接缝性能。此外，CuO和Cu2O均能与铜形成低熔点共晶（Cu+CuO和Cu+Cu2O）。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间化合物越多，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间化合物，主要有Cu9Al4、Cu4Al3、Cu3Al2、CuAl2、CuAl等。铜铝二元系状态图见图3-1。脆性的金属间化合物在中低温下具有高强度、低的延展性

23、、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。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。金属间化合物越多，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

24、等缺陷也会影响焊缝与母材达到等强度。3铜铝焊接性分析及常用焊接方法3.1铜铝性能比较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，这就决定了异种金属的焊接性。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3-1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3-1铜与铝的物理性能元素密度g

25、·cm-3熔点沸点比热容J·kg-1·K-1热导率W·m-1·K-1线膨胀系数10-6·K-1电阻系数10-8·m铜8.9210842578376.8359.216.61.67铝2.76602327934.8206.923.82.65表3-2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3-2铜与铝的化学性能元素原子序数相对原子质量原子半径r10-10m原子外层电子数晶格类型

26、晶格常数10-10m周期表中位置铜2963.541.281面心立方a=3.6147IB铝1326.981.431面心立方a=4.0496IIIA表3-3铜与铝的力学性能元素抗拉强度MPa屈服强度Mpa伸长率%硬度HBS弹性模量GPa铜2.933.36037128铝4050152050702035623.2铜与铝焊接时存在的主要问题3.2.1铜铝焊接时的氧化问题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CuO和Cu2O，靠

27、近铝一侧产生Al2O3，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。2Cu+O2=2CuO（1-1）4Cu+O2=2Cu2O（1-2）4Al+3O2=2Al2O3（1-3）图3-1铜铝二元相图3.2.2铜与铝的裂纹问题由于氧化原因，在靠近铜母材的一侧焊缝金属中，很容易形成Cu+Cu2O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Cu、Al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

28、，熔池中容易产生CO2、CO和H2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。3.2.3铜与铝的气孔问题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700和1000会发生突变，过饱和的氢析出形成气泡外逸，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

29、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）铜与铝的合金元素烧损问题在铜与铝的母材金属中，Al、Sn、Zn、及Pb等元素的熔点金属元素的熔点低于Cu。而Mg、Zn和Mn等元素的熔点低于Al。当焊接温度达到时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Zn极易蒸发，在空气中容易氧化成白色烟雾状的氧化锌（ZnO），Zn的蒸发不仅能使异质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

30、法，采取车间整体排风除尘和局部抽风等防护措施。（5）杂质元素影响如表3-4所示16，在纯铜和纯铝中含有一些杂质元素。在铜与铝的母材金属中，Al、Sn、Zn及Pb等元素的熔点低于Cu。当焊接温度达到使Cu熔化时，必然会产生铜与氧以及Pb、Bi、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3-4纯铜与纯铝的化学成分金属牌号CuAl杂质含量BiPbSPOFeSi杂质总量T199.950.0020.0050.0050.0200.0200.05T299.900.0020.0050.0050.0030.0060.10T399.700.0020.0100.0100.1000.100

31、0.30L10.01099.970.160.160.30L20.01099.600.250.200.40L30.01599.500.300.300.50L40.05099.300.300.350.60L50.02099.000.500.501.00L60.10098.800.500.551.203.3铜铝常用焊接方法1铜与铝的钎焊。（1）钎焊的主要特点1）钎焊只是钎料融化，母材金属不熔化，所以焊接变形很小，焊接质量稳定可靠。2）钎焊设备简单，成本较低，维修容易。3）钎焊工艺容易掌握，要求焊工技术等级不高。4）前汉操作方便，生产效率高5）钎焊应用广，适用于同种金属或异种金属的焊接，也适用于金属与

32、非金属的焊接（2）钎焊的操作过程1）焊前将铜与铝的接头表面清洗干净，彻底去除油污和杂质。2）将清理好的接头装在夹具内装配，装配间隙和接头形式根据技术条件要求确定。3）再将装配好的浸焊钎剂，钎剂成分及熔点见表3-2.浸焊钎剂的温度为450480。4）然后用钎料进行焊接，选用钎料的成分见表3-5。5）为防止接头氧化，钎焊在惰性气氛炉中进行，可采用电阻加热或火焰加热。6）焊好后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。2铜与铝的冷压焊（1）冷压焊的基本原理冷压焊即在室温下对接合区加压，使之产生显著变形而焊接的固态焊接方法。铜与铝的冷压焊是在再结晶温度以下进行的，所以也称常温压接法。

33、铜与铝的冷压焊，是使铜和铝承受巨大的压力而产生相当大的塑性变形，在铜与铝接头的结合面上原子相互靠拢(达0.3nm0.5nm)而产生强大的原于间吸引力，从而使结合面在固态下形成牢固的接头，如图3-2所示。(2)冷压焊会属的压缩率冷压焊金属的焊接性除与被焊金属表面状态有关外，还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。如铜的压缩率为80%-90%，铝的压缩率为60%80%。异种金属冷压焊的压缩率可用下式计算：（3-1）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)。异种金属冷堆焊的压缩率如图3-2所示。(3)异种金属冷压

34、焊具备的条件异种金属冷压焊必须具备如下条件：1)母材金属本身的塑性变形大2)母材金属的氧化膜薄而脆，在塑性变形时容易被压碎。3)母材金属在望性变形过程中，接触面部位的弹性能小，有利于原子相互结合。图3-2异种金属冷压挥的压缩率1-铜2压力3-异质结合面4-铝(4)铜与铝的冷压焊操作过程采用冷压焊焊接铜与铝的操作过程如下：1)焊前将铜和铝母材金属进行退火处理，使之软化增加塑性变形量。2)将遇火后的两种母材金属清理氧化膜及油污，并使接头的接合表面具有一定的粗糙度。3)铜与铝的管材采用套接接头，如图3-3，薄板采用搭接接头，而棒料、厚板可采用对接接头。4)选用合适的冷压焊设备和压接工具。铜与铝搭接时

35、，压力为980MPal500MPa对接时，由形变过程中同外部扩展的飞边也需一起加压，因此压力比搭接高3-4倍。5)冷压焊后，应清理焊接接头，并进行焊接质量检验。图3-3铜铝管扩口套接接头3铜与铝的电容储能焊目前，应用电容储能焊焊接铜与铝较好。电容储能焊是利用电容储存的电能，通过瞬时放电，使铜与铝接头在极短时间内通过强大的电流，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，所以非常适于铜与铝的焊接。4.铜与铝的低温摩擦焊铜与铝的低温摩擦焊，就是在摩擦加热焊接表面的温度低于铜与铝的共晶温

36、度(548)以下，即在460480实现焊接的。采用低温摩擦焊方法焊接的铜与铝典型产品时，为提高塑性，焊前两种母材金屑均应进行退火处理。铜棒加热温度为650，保温40min；铝棒加热温度为450，保温40min。退火后要清除接头表面的油污及氧化膜。4.铜钢激光焊接4.1激光焊接在异种材料焊接中的应用相比传统焊接方法，由于激光焊接可以精确控制热输入、加工效率高、极高的冷却速度、很小的热影响区等，为许多不同金属焊接熔化后有不同结构的材料相容创造了有利条件。近年来，国内外一些研究单位相继开展了一些激光焊接异种材料的研究，取得了很多有价值的成果。总结目前激光焊接技术在异种金属焊接中应用实例，大致上可以归

37、结为三种方法：激光熔焊、激光钎焊、激光熔-钎焊。（1）激光熔焊采用激光熔焊的方式连接异种金属，大都需要添加填充焊丝，通过调节焊丝的成分，控制焊缝区组织性能，可改善异种材料冶金上的相溶性。新加坡万度力实验室Z.Sun等人采用激光填丝焊将直径43.5mm，厚度4.5mm的13CrMo44的铁素体低合金钢和AlSi347奥氏体不锈钢管材焊接在一起25，选用1.2mm的EniCrMo-3镍基焊丝。焊接时，当激光束偏向奥氏体不锈钢，偏置量为0.25mm时，焊缝的组织和性能没有明显的变化，都能得到全部奥氏体组织。但如果偏向铁素体钢，当偏置量为超过0.1mm时，就会得到马氏体奥氏体的双相组织。（2）激光钎焊

38、20世纪80年代以来，随着高功率固体和半导体激光器的商品化，激光硬钎焊技术得到快速发展，激光钎焊异种金属与传统钎焊方法类似，都是通过钎料的熔化来实现异种材料的钎接。与其它热源钎焊、固相连接相比，待焊工件尺寸及接头形式不受限制，激光钎焊工艺参数高度灵活可调，可精确控制加热区域及加热时间，限制钎料与金属之间的有害界面反应；激光能量分布可调（单光束、双光束以及矩形光斑），可控制加热区域的温度场分布，不仅能改善钎料的润湿铺展，还能控制界面反应。（3）激光熔焊-钎焊最近，采用激光熔焊-钎焊技术连接异种金属的方法得到国内外研究机构广泛的关注。德国不莱梅应用射线技术研究采用激光熔钎焊接方法，实现了铝合金钛合

39、金、铝合金低碳钢薄板搭接接头的连接。哈尔滨工业大学封小松等人采用激光熔钎焊方法，通过熔化填充钎料实现了Al/Ti薄板对接接头的连接。但焊接过程对工艺参数要求严格，接头厚度不同位置的截面金属间化合物的厚度和形态各不相同。上海交通大学丁健军等人对AA6056铝合金和XC18低碳钢板的激光熔钎焊进行了研究。他们的研究结果表明，适当增加焊接温度，可以提高铝合金的流动性和润湿性，但温度高于钢的熔化温度是有裂纹倾向。4.2铜钢激光焊接的特点及激光深熔焊原理1、激光焊接的特点与传统焊接方法相比，激光焊接的主要优点是（1）激光束能量密度极高，焊接速度快、效率高，工件热影响区、变形小，深宽比大（最高可达12:1

40、），焊接质量好；（2）可以通过透明介质对密闭容器中的材料进行焊接；（3）可焊接难熔材料如：钛、石英、金刚石等，并能对异性材料进行焊接，效果良好；（4）焊接方位极为灵活，可进行全方位的焊接；（5）可进行微型焊接。激光束聚焦后可获得很小的光斑，且精密定位，可应用于大量自动化生产的微、小型组件中；（6）光纤的利用可对激光束实现远距离传输，光束能按时间与空间分布，能进行分光束多工位加工，并且加工柔性好,自动化程度高；（7）与电子束焊接相比，焊接质量相差不大，但激光焊不需要真空环境，保护气成分、压力可选择，焊接不受电磁影响，不产生X射线当然，激光焊接也存在一些局限性：（1）焊接装配的精度要求高，焦点的位

41、置和激光束的偏移量要求限制在很小的范围内；（2）激光器及加工系统结构复杂，成本高，一次性投资大。2、激光深熔焊小孔的形成如图4-1所示，高功率CO2激光深熔焊接的基本特征是小孔形成和光致等离子体产生，当激光功率密度达到106时，功率输入远大于材料热传导、对流及辐射散热速率，材料表面发生气化生成小孔，孔内金属蒸汽压力与四周液体的重力、表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中折射传到孔底，称为“小孔效应”。在激光焊接过程中形成的等离子体实际上是一种羽团状闪光的高温气体物质，它是由金属蒸汽原子和原子簇、电子和正离子组成。工件表面低密度等离子体的存在有利于增加材料对激光的吸收，使激光能量传输效率提高；但

42、是在高功率激光深熔焊接过程中，致密的等离子有时也会对入射激光产生强烈的屏蔽作用，严重影响深熔焊的进行。图4-1激光深熔焊接过程示意图如图4-2所示，低功率密度激光作用在金属工件表面时，材料对激光的吸收率很低，绝大多数激光能量反射。这一阶段金属材料对激光的吸收仅仅局限在表面。随着激光作用时间的延长，金属表面温度逐渐升高，金属表面逐渐熔化同时焊接深度也缓慢增长。随着激光功率密度的增加，表面金属蒸汽蒸发量增加，这样由于金属蒸汽的蒸发而形成的对熔池压力也增加，熔池下陷增加；同时下凹熔池表面的曲率半径将减小。当功率增大到某一临界值，材料的蒸发压力将在在熔池中形成小孔，焊接深度将突变式的增长，形成激光深熔

43、焊接。汽化的金属蒸汽在激光的作用下电离，电离的金属以离子及电子蒸汽极大的促进了激光能量的吸收。小孔内部充满了高密度的金属蒸汽离子以及自由电子。小孔的存在极大的促进了激光能量的吸收，小孔像一个黑体，几乎吸收了全部的激光能量。图4-2激光与金属材料作用的主要物理过程（a）固态加热（b）金属表面熔化（c）稀薄的等离子体（d）深熔小孔和致密等离子体3、深熔焊过程中的光致等离子体现象等离子是指气体粒子中至少有一部分离子化，从而由中性粒子、阳离子、电子等聚合在一起所组成的气体或蒸汽状态。焊接过程中由于激光辐照金属材料汽化而产生的光致等离子，称为光致等离子体。激光深熔焊过程中，入射光束的能量密度较大，可以使

44、得熔化的金属汽化，并在熔池中形成匙孔。在这一过程中，金属表面和小孔内喷出的金属蒸气及少量保护气体中的起始自由电子通过吸收光子能量而被加速，直至有足够的能量来碰撞蒸汽离子使其电离，此时电子密度便雪崩式增长形成致密等离子体。激光能量密度较低时，等离子体仅由金属离子蒸汽组成，自由电子动能不足，还不足以使金属蒸汽原子产生雪崩式地电离，此时电子密度较低，停留在小孔的内部或紧贴在熔池表面。这种稳定的稀薄等离子层的存在有助于激光与金属材料的能量耦合。对于CO2激光与钢的相互作用而言，稀薄的等离子体可以使工件对激光的吸收率由10%达到30%50%。在高功率密度激光深熔焊接条件下，产生的等离子体的电子密度很高，

45、形态为高亮的羽团状，它的存在和变化行为对于激光深熔焊接过程有着非常重要的影响。光致等离子体位于熔池和小孔的上方的光路上，其本身的物理特性使其对激光束有折射、散射和吸收作用。（1）光致等离子对激光束的吸收等离子体通过多种机制吸收在其中传播的激光束的能量，使其本身的温度升高、电离度增大。吸收机制可分为正常吸收和反常吸收两大类。正常吸收即为逆韧致吸收，是由电子离子碰撞引起的，处在激光电场中的电子被激励发生高频振荡，并且以一定的概率与粒子碰撞，把能量交给较重的粒子（离子、原子），从而使等离子体升温的过程。反常吸收是指通过多种非碰撞机制，使激光能量转化为等离子体波能量的过程。这些波能量通过各种耗散机制转

46、化为等离子体的内能，也会使等离子体升温。（2）光致等离子体对激光束的折射由于电子密度的不均匀性，等离子体具有异常折射率性质，使得入射激光束发散，使得激光束的实际焦点位置下移，如图2-3所示。通过光谱分析和理论估算，在激光深熔焊中，等离子对激光的折射作用大大降低了作用在工件表面的激光能量密度。有研究人员将等离子体描述为一个负透镜，而等离子体对激光的折射作用则被称为负透镜效应。4.3深熔焊的主要影响因素（1）激光功率密度进行深熔焊接的前提是聚焦激光光斑有足够高的功率密度（106W/cm2），因而激光功率密度对焊缝成形有决定性影响。激光功率同时控制熔透深度与焊接速度，一般来说，对一定直径的激光束，熔

47、深随着激光功率的增加而增加，焊接速度随着激光功率的增加而加快。由于功率高、焊接速度快，可以有效防止焊缝中气体的聚集，有利于防止焊接区域形成和聚集气体的不稳定焊接截面。对产生一定焊接熔深的激光功率似乎存在一个临界值，达不到这个值时熔深会急剧减小。由于焊接速度不同，这个功率临界值在0.8KW左右，一旦达到这一临界值，熔池激烈沸腾。另外，由于金属蒸汽的作用力，熔池内形成小孔，正是这个小孔导致深熔焊。（2）材料本性材料对光能量的吸收决定了激光深熔焊的效率，影响材料对激光的吸收率的因素有两个方面：一是材料电阻系数，经过对不同材料抛光表面的吸收率测量发现，材料对激光的吸收率与电阻系数的平方根成正比，而电阻

48、系数又随温度的变化而变化；材料吸收光束能量后的效应取决于材料的热特性，包括热导率、热扩散率、熔点、汽化温度、比热和潜热。例如，熔点高的金属由于消耗的热能大，远不如熔点低且热导率也低的金属容易焊接。二是材料的表面状态对光束吸收率有较重要的影响，因而对焊接效果产生明显作用。材料一旦熔化乃至汽化，它对光束的吸收将急剧增加。材料经过不同的表面处理（如表面涂层或生成氧化膜），材料表面性能有了变化，从而影响对激光的吸收率。上海交通大学硕士学位论文（3）保护气体激光焊接中采用保护气体的作用有两点：一方面排除空气，保护工件表面不受氧化；另一方面抑制高功率激光焊产生的等离子云。通过增加电子与离子和中性原子三体碰

49、撞来增加电子的复合速度，以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速度越高。氦气最轻且电离能量高，作为保护气体有最好的抑制等离子体效果，但氦气很贵，通常采用氩气或氮气作为保护气体。利用保护气体的流动，将金属蒸气和光致等离子体从激光光路中吹出。保护气体通过焊炬喷嘴以一定压力射出到达工件表面，只要侧吹的保护气体可驱使金属蒸汽从光束聚焦区强制移开，不管使用什么类型的保护气体，都可增加熔深。（4）焊接速度深熔焊时，焊接熔深与焊接速度成反比，在一定激光功率下，提高焊接速度，线能量（单位长度焊缝输入能量）下降，熔深减少，因而适当降低焊速可加大熔深。但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿

50、的现象。所以，对一定激光功率和一定厚度的特定材料都有一个合适的焊接速度范围，并在速度范围内获得最大的熔深。（5）焦点位置深熔焊时，为了保持足够功率密度，焦点位置至关重要。焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝宽度和深度。只有焦点位于工件表面内合适的位置，所得焊缝才能成平行断面并获得最大熔深。（6）工件接头装配间隙在深熔焊时，如果接头间隙超过光斑尺寸，则无法焊接。但接头间隙过小，有时在工艺上会产生对接板重叠，熔合困难等不良效果。接头装配间隙对薄板焊接尤为重要，间隙过大极易焊穿。慢速焊接可弥补一些因间隙过大而带来的焊缝缺陷，而告诉焊接使焊缝变窄，对装配间隙的要求更为严格。4.4铜钢异种材料激光焊

51、接的焊接性分析与工艺设计铜和钢因为在物理性能和化学性质上存在着差异，其焊接性不同于同种材料。对铜钢异种材料焊接性的分析有利于焊接工艺的制定，从而获得优质的铜钢异种材料焊接接头。1、铜和钢的焊接冶金反应对比铜与铁元素的各种性能参数（表4-1和表4-2）可以看出，在高温下，它们的原子半径、晶体类型、晶格常数、原子外层电子属等比较接近，这些都是实现钢与铜及铜合金之间焊接的有利因素。但是这两种材料的导热系数、热膨胀系数、熔点等又存在较大的差异，容易在焊接接头中产生应力集中，导致各种焊接裂纹，这又对获得优质接头非常不利，造成焊接困难。表4-1 Fe和Cu的物理性能化学元素比重(g/cm3)熔点()比热J

52、/(kg·K)导热系数W/(m·K)线膨胀系数(10-6K-1)电阻系数(10-6·m)Fe7.871537481.566.711.7610.1Cu8.921084376.8359.216.61.67表4-2 Fe和Cu的化学性能化学元素原子序数原子量原子半径(mm)原子外层电子数目点阵类型点阵常数(mm)Fe2655.850.1272体心立方（-Fe）面心立方（-Fe）体心立方（-Fe）a=0.2860a=0.3668Cu2963.540.1281面心立方a=0.365铁与铜在液相中能够相互无限固溶，在固态下为有限固溶。图4-3是Fe-Cu二元合金相图。由图可知

53、，铜在铁中的最大溶解度为6.5%，在铁中为8%，温度为850时，在铁中的溶解度1.4%。在室温平衡条件下，铜在铁中的溶解度小于0.3%。在温度为1094时，铁在铜中的溶解度为4%，在760是为0.46%，在650时为0.2%。当温度进一步降低时，铁在铜中的溶解度无明显变化。应该指出，钢中的碳能略微减少铜在铁中的溶解度，而硅和锰能提高铜在铁中的溶解度。图4-3 Fe-Cu二元合金相图由铁与铜二元相图还可以看出，在室温平衡条件下，铜的含量小于0.3%时，其组织为铜在铁中的固溶体；铁的含量小于0.2%时，其组织为铁在铜中的固溶体；在所有其他铁和铜含量的情况下，组织为的混合物。由此可见，在钢与铜或与铜

54、合金的焊缝中，不存在不熔合的间层，其组织主要是由组成，所以钢与铜或与铜合金可采用各种焊接方法进行焊接。2、铜和钢异种材料的焊接性分析铜与钢的焊接主要存在以下几个问题：（1）焊缝容易产生热裂纹热裂纹是指在较高温度下产生的裂纹。大部分热裂纹是在固、液相线温度区间产生的结晶裂纹，也有少量是在稍低于固相线温度时产生的。焊接钢与铜或铜合金时，焊缝区容易产生热裂纹。热裂纹主要是由焊缝中的低熔点共晶体、组织状态以及焊接应力造成的。由于在碳钢、高强钢、不锈钢和铜以及各种铜合金中，含有合金元素（如Ni，Si，V等）和杂质（如O，S，P等），因此在焊接过程中能形成各种低熔点共晶体和脆性化合物，容易产生偏析。氧在铜

55、中的溶解度比在钢中小，高温时主要是以CuO，Cu2O和FeO的形式存在。在温度为1200-1065冷却时，能从铜液中析出Cu2O，并与铜形成（Cu+Cu2O）共晶体（共晶点为1065），分布于脆性温度范围。当含P量大于0.6%时，焊缝中会出现Cu3P脆性化合物。如铜或铜合金中含有铅和铋时，焊缝中能形成（Cu+Bi）共晶体（共晶点为270）和（Cu+Pb）共晶体（共晶点为326）。焊接碳钢与铜或与铜合金时，焊缝中易形成FeS（熔点为1189），FeP（熔点为1050）和（Fe+FeS）共晶体（共晶点为985）。高强钢与不锈钢与铜或与铜合金焊接时，焊缝中容易形成Ni3S2（熔点为644），NiP（熔点为880）和（Ni+Ni3S2）共晶体（共晶点为625）。这些化合物和低熔点共晶体，严重地削弱了金属在高温时的晶间结合力，焊缝区容易产生热裂纹。另外，铜及铜合金无同素异构转变，焊缝中易生成大量的柱状晶，且铜及铜合金的线膨胀系数比铁大，而且导热性能好，所以焊接钢与铜或铜合金时，常采用较大的焊接热功率，因此热影响区增宽，使焊接接头承受较大的拉应力。综上所述，低熔点共晶体在焊缝晶粒间形成液