【正文】 難焊金屬連接領(lǐng)域中的熱門研究方向。在一定范圍內(nèi)，增大壓力可細(xì)化化合物，改善微觀組織，提高接頭強(qiáng)度。 2）熱壓焊 熱壓焊鋁/銅零件焊前不要求清潔，加熱溫度低于鋁/銅的共晶點(diǎn)，焊接過程中鋁、銅母材不熔化。無需考慮熔焊時(shí)鋁、銅熔點(diǎn)相差大、易氧化、易產(chǎn)生裂紋和氣孔等問題。 1）冷壓焊 冷壓焊接頭在室溫下形成，在壓力作用下將鋁表面的氧化物或其他污染物破碎并排除，鋁與銅的結(jié)合面不發(fā)生熔化，不產(chǎn)生與熔化和凝固相關(guān)的焊接缺陷。與熔焊相比，壓焊工藝簡單，更易得到理想的焊接接頭。（2）采用壓力焊方法時(shí)，銅與鋁具有良好的塑性，鋁的壓縮率可達(dá)60% ~80% ，銅可達(dá)80%~ 90% ，因此采用壓焊方法可得到質(zhì)量優(yōu)異的鋁/銅接頭。但添加中間層使工藝變得復(fù)雜，加工效率低。鋁銅熔化焊時(shí)添加中間過渡層可控制金屬間化合物的生成厚度，強(qiáng)化焊縫金屬，提高鋁焊縫電極電位，避免因鋁銅電極電位相差過大造成的電化學(xué)腐蝕。國內(nèi)外主要采用熔化焊、壓力焊、釬焊和冷金屬過渡焊進(jìn)行銅鋁焊接。孕育期tH和溫度T為指數(shù)關(guān)系，降低溫度T，可以延長孕育期tH，避免金屬間化合物的生成。異種金屬的焊接中，在金屬間化合物的孕育期就能形成牢固的接頭，如果將焊接加熱時(shí)間限制在這個(gè)孕育期內(nèi)，就可避免金屬間化合物的生成。因此，鋁銅焊接的核心問題是避免金屬間化合物的產(chǎn)生或控制金屬間化合物厚度在臨界厚度以下[1]。金屬間化合物對(duì)性能的影響程度與它的類型、數(shù)量、形態(tài)及分布有關(guān)，焊縫中金屬間化合物越多，且呈網(wǎng)狀分布于晶界處，則焊接接頭的性能就越差。銅和鋁的熱物理性能相差很大，導(dǎo)致銅和鋁的焊接性較差，主要存在的問題為焊接過程中易生成Cu2Al、Cu3AlCu9AlCuAl、CuAl2等金屬間化合物。在眾多金屬中，鋁的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性僅次于銀、銅、金，居第四位，密度僅為銅的1/3，且資源豐富，價(jià)格便宜，因此以鋁代銅能減輕構(gòu)件重量、節(jié)約材料、降低成本。 welding current IV目 錄1 緒論 1 1 2 42 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法 6 6 6 7 8 8 9 CMT焊接基本參數(shù)設(shè)計(jì)與分析 10 10 11 11 123 鋁/銅CMT熔釬焊接頭組織及力學(xué)性能 14 14 14 16 20 22 22 244 結(jié)論 26致謝 27參考文獻(xiàn) 28附錄A 29附錄B 361 緒論 銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕性和良好的加工成形性，在電力、電氣、制冷和能源等領(lǐng)域作為導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料得到廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：鋁銅；熔釬焊；焊接電流 Abstract Hybrid structure of Al/Cu dissimilar metals have been gradually appreciated in energy and power industry. However, joining of aluminum and copper has a metallurgical challenge because of the great difference in their chemical and physical properties, and mass of brittle Al/Cu intermetallic pounds(IMCs) are formed at elevated temperatures seriously degrading the mechanical properties of the joints. Cold metal transfer(CMT) process is a new technique and bees a hot research field in dissimilar materials welding. The key feature of this process is that the wire motion has been integrated into the joining process. The wire retraction motion contributes the droplet into the welding pool without the aid of the electromagnetic force. As a result, The project impact on the intermetallic pound layer thickness by studying welding current, determine the relationship between the thickness of the copper and aluminum brazed joint organization CMT melting properties of the intermetallic pound layer.Keywords: Al/Cu。項(xiàng)目組前期試驗(yàn)表明，CMT焊可以用于鋁銅異種金屬焊接，通過調(diào)整焊接熱輸入選擇合適的釬料可以降低金屬間化合物層的厚度，改善了焊接接頭的力學(xué)性能，但對(duì)鋁銅CMT焊接時(shí)界面金屬間化合物的生長機(jī)理尚不清楚。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文摘 要鋁銅焊接因應(yīng)用廣泛而受到關(guān)注，但二者焊接性差，接頭極易形成金屬間化合物，鋁銅金屬間化合物硬而脆，嚴(yán)重降低接頭性能，限制了鋁銅焊接件的應(yīng)用。冷金屬過渡（CMT）焊通過外加回抽力實(shí)現(xiàn)短路過渡，可以精確控制能量，降低焊接熱輸入，適用于異種金屬熔釬焊。本文通過研究焊接電流對(duì)金屬間化合物層厚度的影響，確定金屬間化合物層的厚度與鋁銅CMT熔釬焊接頭組織性能的關(guān)系。 molten brazing。但銅為稀缺金屬，價(jià)格偏高，因此尋找銅的替代品成為科技工作者的首要任務(wù)。但鋁的強(qiáng)度較低，在一些承力構(gòu)件中鋁不能完全替代銅，因此鋁銅焊接成為以鋁代銅研究中的關(guān)鍵技術(shù)。金屬間化合物硬而脆，接頭生成大量金屬間化合物會(huì)導(dǎo)致塑性、韌性和導(dǎo)電性均下降。研究表明，厚度大于此值，強(qiáng)度和電導(dǎo)率迅速降低。 金屬間化合物生成會(huì)經(jīng)歷一個(gè)孕育、形核和長大（或增厚）的過程。鋁銅金屬間化合物孕育期符合指數(shù)規(guī)律，可用公式（1）表示： ()式中R是氣體常數(shù)，T是溫度。鋁銅金屬間化合物的厚度則取決于孕育期、溫度和保溫時(shí)間，見公式（2）： ()由公式（2）可知，降低焊接溫度、加快焊件的冷卻速度均可以減少金屬間化合物的厚度。（1）采用熔化焊方法，焊接過程中生成大量金屬間化合物，嚴(yán)重惡化了接頭力學(xué)性能，鋁銅結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用。Ni、Zn、Ag、Sn、Cd、Ti、Mo、W等純金屬鍍層，NiSn、NiZn復(fù)合鍍層和銀基釬料都可以添加在銅側(cè)，其中Ni、Zn和Ag的效果較好。采用壓力焊如低溫摩擦焊、冷壓焊等，能夠?qū)崿F(xiàn)銅鋁接頭的優(yōu)質(zhì)連接，缺點(diǎn)是對(duì)工件尺寸、接頭形狀限制嚴(yán)格，工藝條件復(fù)雜苛刻，設(shè)備昂貴，限制了在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用。在壓焊過程中采用銅鋁過渡接頭，可避開銅與鋁熔焊存在的問題，將異種金屬的焊接轉(zhuǎn)變?yōu)殇X與鋁、銅與銅之間同種金屬的焊接。室溫下進(jìn)行的壓焊稱為冷壓焊；高于室溫100℃ ~300℃的壓焊稱為熱壓焊。接頭附近無熱影響區(qū)，接頭內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生鋁/銅脆性化合物。因此相對(duì)來講，冷壓焊容易獲得質(zhì)量較高的焊縫接頭，焊接銅帶和鋁箔較為理想。由于壓力和溫度的作用，接頭中形成AlCu機(jī)械混合帶，含有CuAl、CuAl2和Cu9Al4等金屬間化合物。熱壓焊常用于較大截面鋁/銅零件對(duì)接。熔釬焊是以焊接熱源對(duì)不同材質(zhì)的母材進(jìn)行加熱，利用兩種母材在熔點(diǎn)上的差異，保證高熔點(diǎn)母材不發(fā)生熔化的前提下，讓低熔點(diǎn)母材金屬熔化，熔化的低熔點(diǎn)母材金屬與填充金屬一方面形成熔化接頭，另一方面二者混合后在高熔點(diǎn)母材金屬表面鋪展，形成釬焊接頭，因此熔釬焊過程兼具熔化焊和釬焊的雙重特性。（3）鋁/銅釬焊具有加熱溫度低、變形小、設(shè)備簡單操作、方便生產(chǎn)、成本低及周期短等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為研究熱點(diǎn)。鋁/銅直接釬焊難度較大，釬焊時(shí)為去除鋁的氧化膜須使用腐蝕性強(qiáng)的釬劑，釬劑殘?jiān)焙笮纬呻娊庖?，?gòu)成強(qiáng)烈的腐蝕性；鋁/銅電極電位相差較大，易引起腐蝕；CuAl2的電極電位比鋁的電極電位高，易產(chǎn)生晶間腐蝕；鋁、銅原子擴(kuò)散較快，易在接頭中形成易熔的脆性AlCuAl2低熔點(diǎn)共晶，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度較低。鍍層金屬可供選擇的有Ti、Mo、W、Ni、Cu、Ag、Zn和Sn等，比較合適的金屬是Ni。 1）電阻釬焊 電阻釬焊的優(yōu)點(diǎn)是加熱極快、生產(chǎn)率高。電阻釬焊鋁/銅接頭的靜力性能好，但在動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)中，性能較差。 2）超聲波釬焊 鋁/銅超聲波釬焊是利用超聲波振動(dòng)傳入熔化釬料，利用釬料內(nèi)發(fā)生的空化現(xiàn)象破壞和去除母材表面的氧化物，使熔化釬料潤濕母材表面而實(shí)現(xiàn)釬焊。超聲波釬焊存在兩個(gè)問題：①超聲波開始啟動(dòng)時(shí)，釬料對(duì)母材有局部強(qiáng)烈沖擊；②釬料不易填滿釬縫，易形成未填滿或間隙。 3）擴(kuò)散釬焊 鋁/銅擴(kuò)散釬焊必須在真空或保護(hù)氣氛中進(jìn)行，防止加熱和保溫過程中金屬氧化。擴(kuò)散釬焊的優(yōu)點(diǎn)是接頭質(zhì)量好，零件變形小，一次可完成多個(gè)接頭，可釬焊大面積接頭或較為復(fù)雜的工件。擴(kuò)散釬焊缺點(diǎn)是工件尺寸受到真空爐的限制；抽真空和釬焊時(shí)間長；費(fèi)用高昂。針對(duì)上述鋁/銅釬焊中存在的問題，釬焊研究從釬料、釬劑和設(shè)備等方面著手取得了較大進(jìn)展：①在釬焊過程中采用銅磷釬料火焰釬焊鋁/銅，釬料中的磷能還原氧化物而起到釬劑的作用，因此不需要釬劑，焊后也不需要清洗；②采用鎢極氬弧焊，鎢極氬弧焊的陰極霧化作用可以有效去除熔點(diǎn)高而且致密的Al2O3膜；③采用含稀土元素的鋅基釬料釬焊鋁/銅，釬料中的稀土元素可以起到除氣排污和細(xì)化晶粒的作用，在一定程度上提高了接頭的抗腐蝕性能和強(qiáng)度，但腐蝕后強(qiáng)度仍下降較大。薛松柏等人采用改進(jìn)型CsFAlF3中溫?zé)o腐蝕釬劑配合中溫釬料，利用火焰釬焊實(shí)現(xiàn)鋁/銅管接頭的連接，克服了釬劑腐蝕性問題，獲得了性能良好的釬焊接頭?？拷~側(cè)的過渡層由Cu3Al2和CuAl2金屬間化合物構(gòu)成；釬縫主要由αAl固溶體、Cu3Al2和CuAl2構(gòu)成；同時(shí)還含有εCu15Si4相、AlSi相和CuZn2相；靠近鋁的過渡層中硅在鋁中形成固溶體。CMT是在短路過渡基礎(chǔ)上開發(fā)的一種全新的MIG/MAG焊接方法。該方法已成功應(yīng)用于鋁/鍍鋅鋼板的焊接，并正嘗試用于鋁鎂、鎳鋼、鋁鈦和鈦銅等異種金屬的熔釬焊。 鋁銅形成連接件后可以降低成本，減輕重量，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用與電力、電氣、制冷能源等領(lǐng)域。本試驗(yàn)利用CMT熱輸入小的特點(diǎn)進(jìn)行鋁銅熔釬焊，通過研究合金元素和釬劑對(duì)金屬間化合物生成機(jī)理的影響，控制金屬間化合物層的厚度，得到合格的接頭，既能保證質(zhì)量，又能兼具效率，因此對(duì)鋁銅CMT熔釬焊的研究有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值[3]。影響鋁銅CMT熔釬焊組織性能的因素有很多，比如焊接電流、焊接速度、電弧電壓、保護(hù)氣體流量、填絲速度等。本次試驗(yàn)主要研究焊接電流對(duì)鋁銅CMT熔釬焊組織性能的影響。提高焊接電流，則熱輸入增大，熔深熔寬均增大；反之降低焊接電流，則熱輸入減小，熔深熔寬均減小。2 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法 本試驗(yàn)中研究的母材為純鋁1060和純銅T2板。相組成（少量的或可能的）：α+α(Al2Fe3Si) 。鋁銅熔釬焊對(duì)釬料的要求是：（1） 在電弧加熱條件下，釬料穩(wěn)定性好，不易于揮發(fā)；（2） 釬料與鋁母材有良好的融合性；（3） 液態(tài)釬料在銅表面有良好的潤濕性；（4） 釬料中的合金元素能夠控制界面化合物層的生長。然而在電弧加熱條件下，Zn元素極易揮發(fā)，限制了鋅基釬料的應(yīng)用，因此目前采用的主要是鋁基釬料。本研究中選用鋁基釬料，結(jié)合國內(nèi)外已有研究成果，并經(jīng)過多次試驗(yàn)嘗試，證實(shí)Si、Mg元素在提高釬料流動(dòng)性、潤濕性及控制界面反應(yīng)等方面具有顯著的效果，同時(shí)分析認(rèn)為Si、Mg元素在鋁銅界面反應(yīng)中具有不同的作用，因此選取Si、Mg元素作為主要的添加合金[4]。 S301（純鋁焊絲）的主要化學(xué)成分成分 Si Fe Cu Mg Al標(biāo)準(zhǔn)值≤≤≤≤≥實(shí)測值 。在焊接過程中，工件裝夾在焊接平臺(tái)上，焊槍固定不動(dòng)，平臺(tái)勻速直線行走。CMT焊接系統(tǒng)特有的焊絲回抽技術(shù)使熔滴順利過渡，可以實(shí)現(xiàn)把焊接短路電流降到很低，故焊接時(shí)熱輸入量很低。為了形成對(duì)比，同時(shí)做了以純鋁焊絲作為填充金屬的鋁銅異種金屬CMT焊接試驗(yàn)。 CMT焊接基本參數(shù)設(shè)計(jì)與分析工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量起至關(guān)重要的作用，經(jīng)過前期的工藝試驗(yàn)，總結(jié)出影響焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)包括焊接電流、電壓、送絲速度、焊接速度、焊槍位置及姿態(tài)、保護(hù)氣流量等。若噴嘴末端與工件距離過長，電弧燃燒容易不穩(wěn)定，而且保護(hù)氣容易分散造成保護(hù)效果不好；噴嘴束端與工件距離過短，不能滿足CMT特有的焊絲回抽技術(shù)所需要的回抽空間，且容易燒損導(dǎo)電嘴。干伸長是指焊絲伸出導(dǎo)電嘴的長度，過長則起弧不穩(wěn)定，焊絲容易熔斷；過短則起弧稍困難，影響焊接質(zhì)量。鋁是極活潑的金屬，在焊接極易被氧化。氬氣流量的大小在一定程度上影響焊接質(zhì)量，流量過小則起不到保護(hù)效果，流量過大氣流容易紊亂，影響電弧穩(wěn)定性，且造成資源的浪費(fèi)。本試驗(yàn)是研究焊接電流對(duì)焊接成形質(zhì)量的影響。焊接時(shí)電弧穩(wěn)定，基本無飛濺產(chǎn)生。而當(dāng)電流為110A時(shí)如圖（c）所示焊縫成形勻稱，焊縫表面光亮，氧化較少，背面基本熔透，焊縫根部兩種金屬的結(jié)合面較狹窄[6]。試驗(yàn)嘗試填充不同的焊絲金屬進(jìn)行焊接，第一種填充純鋁S301焊絲，第二種填充鋁硅ER4043焊絲。通過對(duì)焊接接頭的