铜与铝、钢异种金属焊接工艺设计

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

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 directly 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 prices 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. Aluminum / 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 alloys, 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, the 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

1绪论 .................................................................... 1 2异种金属焊接性 .......................................................... 3 2.1异种金属性能差异及影响 ................................................ 3 2.1.1物理性能的差异 ...................................................... 3 2.1.2结晶化学性能的差异 .................................................. 3 2.1.3材料的表面状态 ...................................................... 4 2.2影响异种金属焊接的主要因素 ............................................ 5 3铜铝焊接性分析及常用焊接方法 ............................................ 7 3.1铜铝性能比较 .......................................................... 7 3.2铜与铝焊接时存在的主要问题 ............................................ 8 3.2.1铜铝焊接时的氧化问题 ................................................ 8 3.2.2铜与铝的裂纹问题 .................................................... 8 3.2.3铜与铝的气孔问题 .................................................... 9 3.3铜铝常用焊接方法 ..................................................... 10 4.铜钢激光焊接 .......................................................... 14 4.1激光焊接在异种材料焊接中的应用 ....................................... 14 4.2铜钢激光焊接的特点及激光深熔焊原理 ................................... 15 4.3深熔焊的主要影响因素 ................................................. 18 4.4铜钢异种材料激光焊接的焊接性分析与工艺设计 ........................... 19 4.5试验方案及内容 ....................................................... 26 4.6试验材料 ............................................................. 27 4.7焊接试验 ............................................................. 27 4.8焊缝内缺陷产生原因分析 ............................................... 28 4.9铜的熔化量对焊缝拉伸力学性能及组织的影响 ............................. 30 5结论 ................................................................... 32 致谢 .................................................................... 33 参考文献 ................................................................ 34

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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 2009 2010 2011 2012 2013 电冰箱产量 5584.9 7055.2 8699 8427.05 9340.6 比上年增加 — 26.30% 20.33% -3.14% 10.60% 房间空调器产量 8153.27 10287.8 13745 12650 14332.9 比上年增加 — 20.70% 24.59% -7.95% 11.6 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

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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。

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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，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

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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）。

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。

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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、Al2O3）。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

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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、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等缺陷也会影响焊缝与母材达到等强度。

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异种金属冷堆焊的压缩率如图3-2所示。

(3)异种金属冷压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，压力为980MPa～l500MPa．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。

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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度(548℃)以下，即在460℃～480℃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。

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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Ф1.2mm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

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

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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），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

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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

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5结论

通过对不同的铜熔化量的试验的分析，得出以下结论：

（1）当焊缝中铜熔化量远大于钢时，焊缝中存在大量弥散分布的双相固溶体，焊缝会出现大量气孔，焊接接头拉伸性能优良。

（2）当焊缝中铜熔化量接近钢时，结合界面处弥散分布着大量中间相颗粒，焊缝中柱状晶晶界处分布大量中间相颗粒，削弱晶间结合力，焊缝会出现大量气孔和裂纹等缺陷，焊接接头拉伸性能急剧下降。

（3）当焊缝中铜熔化量远小于钢时，焊缝组织为块状铁素体和马氏体，焊缝无明显缺陷，铜的熔化量沿厚度方向从上到下逐渐减小，界面清晰，且有湍流漩涡现象。焊接接头拉伸性能优良。

（4）添加过渡材料镍的试验结果表明，铜的熔化量对焊缝组织的影响不明显，大的铜熔化量导致大量气孔产生，焊缝拉伸性能低于铜侧母材，而当铜的熔化量较少时，焊缝内气孔较少，焊缝拉伸性能不低于铜侧母材。

（5）通过严格的气体保护措施，可以减少焊缝中气孔的产生，从而提高接头的成形质量和抗拉强度。

（6）对于304不锈钢和T1紫铜的焊接，晶间分布着大量且凝固区间大小对接头的影响并不明显。

中间相是降低

接头抗拉强度的主要原因，激光焊接因为熔池凝固速度很快，不会出现渗透裂纹，

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致谢

在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师周慧林老师的热情关怀和悉心指导。

在我撰写论文的过程中，周老师多次询问论文进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。周老师为此倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了周老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。

另外，也要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。感谢所有给我帮助的老师谢谢你们！

也衷心地感谢我的课题组成员赵金亮、曹旭东和袁礼阳一直以来对我的帮助和支持。

衷心感谢家人对我的关爱、鼓励、理解和支持。多年来，我在学业上取得的点滴成绩与父母的关怀疼惜、无私奉献是分不开的。

衷心地感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友们！

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参考文献

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（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，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

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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

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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

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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 Fe Cu 比重 (g/cm3) 7.87 8.92 熔点 (℃) 1537 1084 比热 [J/(kg·K)] 481.5 376.8 导热系数 [W/(m·K)] 66.7 359.2 线膨胀系数 (10K) 11.76 16.6 -6-1电阻系数 (10Ω·m) 10.1 1.67 -6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 体心立方（α-Fe） Fe 26 55.85 0.127 2 面心立方（γ-Fe） 体心立方（δ-Fe） Cu 29 63.54 0.128 1 面心立方 a=0.365 点阵常数 (mm) aα=0.2860 aγ=0.3668 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，铜在度为850℃时，在

铁中的最大溶解度为6.5%，在铁中为8%，温

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

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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

的混合物。由此可见，在钢

组成，所

体；在所有其他铁和铜含量的情况下，组织为

与铜或与铜合金的焊缝中，不存在不熔合的间层，其组织主要是由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态薄膜，是产生热裂纹的根

本原因；焊缝中存在拉应力，则是产生热裂纹的必要条件。

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另外，本次试验所设计的对接接头需要一定的装配精度，否则很难确保铜在厚度方向上的均匀熔化。为了增加激光焊接铜钢异种接头的工艺适应性范围，选用一种与钢、同时与铜及铜合金均具有良好焊接性的金属作填充材料进行试验。在众多种类的金属元素中，铁与镍可互相无限固溶，两者结晶性能、晶格类型、原子半径、外层电子数目均相近，所以焊接性良好。铜与镍的原子半径、晶格类型、密度及比热容等物理参数均无太大差异。Cu与Ni两元素之间可以无限互溶而形成Cu-Ni固溶体，铜与镍之间不易形成金属间化合物，这有利于焊接。因此选择镍作为铜钢异种接头的过渡填充金属进行焊接。 4.6试验材料

试验用材料为T1紫铜管和304不锈钢管，尺寸均为16x3mm，几何尺寸为200×16×3mm，化学成分见表4-3，物理性能见表4-4。

表4-3化学成分

材料 T1紫铜 化学成分（wt.%） P≦0.001；Bi≦0.001；Sb≦0.002；As≦0.002；Fe≦0.005；Ni≦0.002；Pb≦0.003；Sn≦0.002；S≦0.002；Zn≦0.005；O≦0.02；杂质≦0.05 304不锈钢 C≦0.07；Mn≦2.0；Si≦1.0；17.0≦Cr≦19.0；8.0≦Ni≦11.0；P=0.035；S=0.003 表4-4物理性能

材料 熔点℃ 导热系数（0～线膨胀系数抗拉强度σb/MPa 屈服强度σb2延伸率δ（%） 500℃）w/m·k （0~100℃） 10-5/℃-1 T1紫铜 304不锈钢 1083 1539 390 78 16.5 11.9 /MPa 215~225 540 70~90 400 ≧30 34 4.7焊接试验

为使沿板厚方向的铜的熔化量尽量一致，假定在焊接过程中熔合线沿板材厚度方向上的温度一致，按照熔合线的角度开斜坡口。测量该焊接参数下得到的焊缝熔合线的倾斜角度为83°。试验前用刨床将试板开斜坡口，坡口角度为83°。用丙酮擦拭试板待焊接部位，去除表面油污。然后将试板置于电炉中预热，预热温度为250℃。焊接过程中不填丝。用于添加的纯镍片厚度为0.3mm，焊前夹固在铜钢斜坡口之间。焊接参数的设定以能焊透3mm钢侧母材为标准，经过反复测

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试，激光功率设定为6kW，焊接速度设定为2m/min，离焦量为1mm。保护气体采用25%Ar+75%He的混合气体。激光焦点处光斑半径为0.41mm，因此对于无镍试验设计激光束最大偏移量为0.8mm，以获取最小的铜熔化量；为避免激光束全部作用在铜侧母材，设计最小光束偏移量为0.2mm，以获取最大的铜熔化量；为作对比，设计一组光束偏移量为0.5mm的试验，以获取铜钢相近的熔化量。对于添加镍片的试验，因为用于添加的纯镍片厚度为0.3mm，设计光束偏移量为0.2mm和0.4mm的两组试验，以区别铜的熔化量对接头的影响。 4.8焊缝内缺陷产生原因分析

（1）气孔

焊接过程中虽然有气体的保护作用，但是并不能完全做到隔绝空气。 对于未添加镍片的焊接试验结果表明，正如第2章对铜钢异种材料焊接困难的分析，试样焊缝中熔入大量的铜后，因为液态铜的氢溶解度很高，加上激光焊接熔池的凝固速度很快，凝固过程中过饱和的氢和冶金反应生成的水蒸气来不及逸出，焊缝凝固后形成气孔；试样焊缝中因为铜的熔化量少，所以并无明显气孔存在。

对于添加镍片的试样，焊接过程中熔池金属中溶入较多的氧，氧与镍形成NiO。而NiO与液态金属中的氢、碳发生反应产生水蒸气及一氧化碳，即

NiO+2H=Ni+H2O↑（4-1） NiO+C=Ni+CO↑（4-2）

激光焊接熔池凝固速度快，加上液态镍的粘度很高，当熔池冷却结晶时，H2O和CO未能全部逸出熔池表面便形成气孔。同时，氮的溶解度随熔池温度下降而急剧降低，过剩的氮来不及析出，在焊缝中形成氮气孔。

添加镍片的试样因为铜的熔入量较不加镍片试样要少，从而溶入的氢的量也较少，所以前者气孔的量比后者要小。

可通过严格控制气体保护效果的措施来减少气孔产生。 （2）裂纹

焊接前分析认为铜钢异种材料焊接容易产生热裂纹和渗透裂纹。根据本次试

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验结果分析，只有一个试样接头中发现有明显的裂纹存在，其余试样未发现裂纹的存在。

由于本次试验采用的碳钢的S、P杂质含量很低，焊接过程中产生的硫化物、磷化物等脆性化合物以及与硫磷有关的低熔共晶体较少，因而大大降低了热裂纹产生的可能性。另外，由于激光焊接熔池凝固速度很快，铜液来不及渗入近焊缝区的钢母材内，因此在本次试验结果中未发现渗透裂纹的存在。

试样中裂纹产生的原因主要是焊缝中晶间充满了大量的

中间相颗粒，提

高了焊缝的脆性，使得晶界弱化，从而在较大的应力作用下导致裂纹的产生。

试样焊缝虽然也有颗粒状的中间相，但是由于焊缝内含有大量的铜，且颗粒相的分布密度较低，韧性仍然较好，因而产生裂纹的可能性较低。尽管焊缝组织含有马氏体脆硬相，但是晶界处没有颗粒状的中间相的弱化作用，焊缝的强度高于铜侧母材。

含镍试样一方面因为有镍的加入，扩大了Fe的奥氏体化相区，减少了马氏体脆性相的生成，有利于提高焊缝的韧性，另一方面，没有分布于晶界处的中间相颗粒的脆化作用，因此没有裂纹的产生。

焊接过程中发现，当激光束偏移量大、铜熔化量较少时，焊缝气孔问题虽然减轻，但裂纹问题难以避免，产生的裂纹主要是冷裂纹。出现这种情况，主要是由于铜钢的线膨胀系数相差很大，在焊缝冷却过程中产生较大的拉应力，且焊缝形成了脆硬的马氏体组织，因此焊缝容易产生了冷裂纹。为防止裂纹的产生，试验过程中，在焊前对钢侧母材也进行预热，减小焊接过程中产生的残余应力，同时也因降低焊缝的冷却速度而减少焊缝中马氏体脆硬组织，裂纹情况得以改善，如图4-6所示。

图4-6焊前钢侧母材未预热的焊接接头横截面

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4.9铜的熔化量对焊缝拉伸力学性能及组织的影响

图4-7为不同铜熔化量的焊接接头拉伸力学性能，可见对于铜钢激光焊接，铜的熔化量接近钢时接头力学性能最差，抗拉强度最低，延伸率接近零，而铜的熔化量远大于钢和远小于钢时接头的力学性能均优良，抗拉强度和延伸率均接近铜侧母材。对于添加过渡材料镍的接头力学性能均良好，抗拉强度和延伸率均接近铜侧母材。

图4-7不同铜熔化量的焊接接头拉伸力学性能

铜的熔化量对接头的影响主要通过以下三个方面表现出来：

（1）焊缝组织铜熔化量远小于钢时，焊缝组织主要是块状铁素体和马氏体，熔化的铜基本上都和铁固溶生成了少量分布于铜侧界面的间相颗粒，焊缝组织主要是铜和大量分布于柱状晶晶界处的

中间相颗粒，对接

中

中间相颗粒，大

头力学性能影响不大。铜熔化量接近钢时，熔化的铜和铁基本上都生成了

大提高了焊缝脆性。铜熔化量远大于钢时，少量熔化的铁基本上都和铜固溶生成了

中间相颗粒，焊缝组织主要是铜和弥散分布于铜基体上的

中间相颗

粒，焊缝塑性有一定程度提高。对于添加镍片的试验，铜的熔化量对焊缝组织的影响不明显，主要是胞状晶和胞状树枝晶。

（2）铜侧界面形态铜熔化量远小于钢时，熔池中的液态金属主要是钢，铜侧界面处于临界熔化状态，此时其强度几乎为零，小孔壁上的钢液受到液态金属蒸发和喷射的反作用力和表面张力的作用，产生紊流，随后卷入铜侧母材基体，

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凝固后形成漩涡状界面。这种界面起到机械咬合的作用，有助于提高铜侧界面结合强度。

（3）焊缝成形质量当焊缝中铜大量熔入后，气孔的量急剧增加。气孔的存在减小了焊缝组织间的接触面积，大大降低了焊接接头的抗拉强度。而且，当铜的熔化量接近钢时，焊缝中柱状晶晶界处会分布着大量中间相颗粒，阻碍晶界位错运动，大大提高了焊缝脆性，在大的应力作用下，生成裂纹。

综上所述，晶间分布着大量

中间相是降低接头抗拉强度的主要原因，激

光焊接因为熔池凝固速度快，凝固区间大小对接头的影响并不明显。对于一般的铜钢异种材料激光焊接，要获得成形良好且力学性能优良的铜钢激光焊接接头，关键是要较小铜钢的熔合比，铜的熔化量远大于钢时焊缝中会产生大量气孔；铜的熔化量接近钢时，焊缝柱状晶晶界出会析出大量中间相颗粒，削弱晶间结合力，并且焊缝中会有大量气孔存在；当铜的熔化量远小于钢时，焊缝中无明显气孔和裂纹缺陷，只有少量颗粒相存在于焊缝与铜侧母材界面中上部，对接头力学性能影响不大，而铜侧界面中下部焊缝会呈漩涡状侵入铜侧基体，形成机械咬合，加强界面结合强度。

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