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焊接电流对铝铜cmt熔钎焊组织性能的大学论文

摘要

铝铜焊接因应用广泛而受到关注，但二者焊接性差，接头极易形成金属间化合物，铝铜金属间化合物硬而脆，严重降低接头性能，限制了铝铜焊接件的应用。

冷金属过渡（CMT）焊通过外加回抽力实现短路过渡，可以精确控制能量，降低焊接热输入，适用于异种金属熔钎焊。

项目组前期试验表明，CMT焊可以用于铝铜异种金属焊接，通过调整焊接热输入选择合适的钎料可以降低金属间化合物层的厚度，改善了焊接接头的力学性能，但对铝铜CMT焊接时界面金属间化合物的生长机理尚不清楚。

本文通过研究焊接电流对金属间化合物层厚度的影响，确定金属间化合物层的厚度与铝铜CMT熔钎焊接头组织性能的关系。

关键词：

铝铜；熔钎焊；焊接电流

Abstract

HybridstructureofAl/Cudissimilarmetalshavebeengraduallyappreciatedinenergyandpowerindustry.However,joiningofaluminumandcopperhasametallurgicalchallengebecauseofthegreatdifferenceintheirchemicalandphysicalproperties,andmassofbrittleAl/Cuintermetalliccompounds（IMCs）areformedatelevatedtemperaturesseriouslydegradingthemechanicalpropertiesofthejoints.Coldmetaltransfer（CMT）processisanewtechniqueandbecomesahotresearchfieldindissimilarmaterialswelding.Thekeyfeatureofthisprocessisthatthewiremotionhasbeenintegratedintothejoiningprocess.Thewireretractionmotioncontributesthedropletintotheweldingpoolwithouttheaidoftheelectromagneticforce.Asaresult,Theprojectimpactontheintermetalliccompoundlayerthicknessbystudyingweldingcurrent,determinetherelationshipbetweenthethicknessofthecopperandaluminumbrazedjointorganizationCMTmeltingpropertiesoftheintermetalliccompoundlayer.

Keywords:

Al/Cu;moltenbrazing;weldingcurrent

1绪论1

1.1课题研究的目的及意义1

1.2铝/铜异种金属焊接的研究现状2

1.3本文研究的意义和内容4

2试验材料、设备及方法6

2.1试验材料6

2.1.1试验母材6

2.1.2填充材料的选定7

2.1.3焊丝的选择8

2.2试验装置及设备8

2.3铝硅焊丝焊接铝和铜的工艺9

2.3.1CMT焊接基本参数设计与分析10

2.3.2铝/铜异种金属CMT焊接工艺试验10

2.4试验方法与过程11

2.4.1试验流程11

2.4.2试验与检测方法12

3铝/铜CMT熔钎焊接头组织及力学性能14

3.1铝/铜CMT熔钎焊接头组织特性14

3.1.1焊缝表面成形与接头形貌14

3.1.2界面区的显微组织16

3.1.3铝/铜熔钎焊接头产生的缺陷及防止措施20

3.2焊接接头的力学性能22

3.2.1接头的拉伸性能和断口分析22

3.2.2接头的显微硬度24

4结论26

致谢27

参考文献28

附录A29

附录B36

1绪论

1.1课题研究的目的及意义

铜具有优良的导电、导热、耐蚀性和良好的加工成形性，在电力、电气、制冷和能源等领域作为导电、导热材料得到广泛应用。

但铜为稀缺金属，价格偏高，因此寻找铜的替代品成为科技工作者的首要任务。

在众多金属中，铝的导电性和导热性仅次于银、铜、金，居第四位，密度仅为铜的1/3，且资源丰富，价格便宜，因此以铝代铜能减轻构件重量、节约材料、降低成本。

但铝的强度较低，在一些承力构件中铝不能完全替代铜，因此铝铜焊接成为以铝代铜研究中的关键技术。

铜和铝的热物理性能相差很大，导致铜和铝的焊接性较差，主要存在的问题为焊接过程中易生成Cu2Al、Cu3Al2、Cu9Al4、CuAl、CuAl2等金属间化合物。

金属间化合物硬而脆，接头生成大量金属间化合物会导致塑性、韧性和导电性均下降。

金属间化合物对性能的影响程度与它的类型、数量、形态及分布有关，焊缝中金属间化合物越多，且呈网状分布于晶界处，则焊接接头的性能就越差。

研究表明，铝铜接头金属间化合物层的临界厚度为2.5µm，厚度大于此值，强度和电导率迅速降低。

因此，铝铜焊接的核心问题是避免金属间化合物的产生或控制金属间化合物厚度在临界厚度以下[1]。

金属间化合物生成会经历一个孕育、形核和长大（或增厚）的过程。

异种金属的焊接中，在金属间化合物的孕育期就能形成牢固的接头，如果将焊接加热时间限制在这个孕育期内，就可避免金属间化合物的生成。

铝铜金属间化合物孕育期符合指数规律，可用公式

（1）表示：

（1.1）

式中R是气体常数，T是温度。

孕育期tH和温度T为指数关系，降低温度T，可以延长孕育期tH，避免金属间化合物的生成。

铝铜金属间化合物的厚度则取决于孕育期、温度和保温时间，见公式

（2）：

（1.2）

由公式

（2）可知，降低焊接温度、加快焊件的冷却速度均可以减少金属间化合物的厚度。

1.2铝/铜异种金属焊接的研究现状

国内外主要采用熔化焊、压力焊、钎焊和冷金属过渡焊进行铜铝焊接。

（1）采用熔化焊方法，焊接过程中生成大量金属间化合物，严重恶化了接头力学性能，铝铜结构件的应用。

铝铜熔化焊时添加中间过渡层可控制金属间化合物的生成厚度，强化焊缝金属，提高铝焊缝电极电位，避免因铝铜电极电位相差过大造成的电化学腐蚀。

Ni、Zn、Ag、Sn、Cd、Ti、Mo、W等纯金属镀层，Ni-Sn、Ni-Zn复合镀层和银基钎料都可以添加在铜侧，其中Ni、Zn和Ag的效果较好。

但添加中间层使工艺变得复杂，加工效率低。

采用压力焊如低温摩擦焊、冷压焊等，能够实现铜铝接头的优质连接，缺点是对工件尺寸、接头形状限制严格，工艺条件复杂苛刻，设备昂贵，限制了在生产实际中的应用。

（2）采用压力焊方法时，铜与铝具有良好的塑性，铝的压缩率可达60%~80%，铜可达80%~90%，因此采用压焊方法可得到质量优异的铝/铜接头。

在压焊过程中采用铜-铝过渡接头，可避开铜与铝熔焊存在的问题，将异种金属的焊接转变为铝与铝、铜与铜之间同种金属的焊接。

与熔焊相比，压焊工艺简单，更易得到理想的焊接接头。

室温下进行的压焊称为冷压焊；高于室温100℃~300℃的压焊称为热压焊。

1）冷压焊冷压焊接头在室温下形成，在压力作用下将铝表面的氧化物或其他污染物破碎并排除，铝与铜的结合面不发生熔化，不产生与熔化和凝固相关的焊接缺陷。

接头附近无热影响区，接头内部不会产生铝/铜脆性化合物。

无需考虑熔焊时铝、铜熔点相差大、易氧化、易产生裂纹和气孔等问题。

因此相对来讲，冷压焊容易获得质量较高的焊缝接头，焊接铜带和铝箔较为理想。

2）热压焊热压焊铝/铜零件焊前不要求清洁，加热温度低于铝/铜的共晶点，焊接过程中铝、铜母材不熔化。

由于压力和温度的作用，接头中形成Al-Cu机械混合带，含有CuAl、CuAl2和Cu9Al4等金属间化合物。

在一定范围内，增大压力可细化化合物，改善微观组织，提高接头强度。

热压焊常用于较大截面铝/铜零件对接。

近年来，熔钎焊方法成为异种难焊金属连接领域中的热门研究方向。

熔钎焊是以焊接热源对不同材质的母材进行加热，利用两种母材在熔点上的差异，保证高熔点母材不发生熔化的前提下，让低熔点母材金属熔化，熔化的低熔点母材金属与填充金属一方面形成熔化接头，另一方面二者混合后在高熔点母材金属表面铺展，形成钎焊接头，因此熔钎焊过程兼具熔化焊和钎焊的双重特性。

熔钎焊要求焊接热源能够实现对热输入的严格控制，常用的熔钎焊方法有电弧焊、激光焊和电子束焊，其中电弧焊是最为常用的焊接方法，其焊接质量高，应用范围广，环境适应性强，操作简单方便，如果能以电弧为热源实现铜铝异种金属的熔钎焊将具有重要的意义。

（3）铝/铜钎焊具有加热温度低、变形小、设备简单操作、方便生产、成本低及周期短等优点，近年来成为研究热点。

美国HARRIS及LocasMilhaupt公司、韩国鲜光AMPA公司等一直致力于铝/铜钎焊材料的研究，并推出了各自的焊料产品。

铝/铜直接钎焊难度较大，钎焊时为去除铝的氧化膜须使用腐蚀性强的钎剂，钎剂残渣吸潮后形成电解液，构成强烈的腐蚀性；铝/铜电极电位相差较大，易引起腐蚀；CuAl2的电极电位比铝的电极电位高，易产生晶间腐蚀；铝、铜原子扩散较快，易在接头中形成易熔的脆性Al-CuAl2低熔点共晶，导致接头强度较低。

为了阻止铝、铜原子直接接触形成脆性化合物，同时避免强腐蚀性钎剂引起的腐蚀问题，可在铝表面先镀一层金属，再与铜钎焊，这样可采用腐蚀性小或无腐蚀性钎剂，使接头强度和抗腐蚀性得到提高。

镀层金属可供选择的有Ti、Mo、W、Ni、Cu、Ag、Zn和Sn等，比较合适的金属是Ni。

铝/铜钎焊包括直接钎焊、电阻钎焊、超声波钎焊和扩散钎焊等方法。

1）电阻钎焊电阻钎焊的优点是加热极快、生产率高。

一般用于钎焊接头尺寸不大、形状不太复杂的工件。

电阻钎焊铝/铜接头的静力性能好，但在动应力试验中，性能较差。

另外，这种方法要使用腐蚀性钎剂，接头易受腐蚀。

2）超声波钎焊铝/铜超声波钎焊是利用超声波振动传入熔化钎料，利用钎料内发生的空化现象破坏和去除母材表面的氧化物，使熔化钎料润湿母材表面而实现钎焊。

其特点是不需要钎剂，避免了钎剂带来的腐蚀问题，接头的抗腐蚀能力得到提高。

超声波钎焊存在两个问题：

①超声波开始启动时，钎料对母材有局部强烈冲击；②钎料不易填满钎缝，易形成未填满或间隙。

另外超声波设备昂贵复杂，要求工人有熟练的维护保养水平。

3）扩散钎焊铝/铜扩散钎焊必须在真空或保护气氛中进行，防止加热和保温过程中金属氧化。

即使在这种高真空条件下，铝也能同氧结合形成氧化膜。

扩散钎焊的优点是接头质量好，零件变形小，一次可完成多个接头，可钎焊大面积接头或较为复杂的工件。

铝/铜扩散钎焊使用铝基钎料，加入锡能松弛热应力和促进铝氧化膜的破裂，再加入其它元素可进一步提高接头的强度。

扩散钎焊缺点是工件尺寸受到真空炉的限制；抽真空和钎焊时间长；费用高昂。

4）直接钎焊铝/铜直接钎焊较为困难，接头质量不容易保证。

针对上述铝/铜钎焊中存在的问题，钎焊研究从钎料、钎剂和设备等方面着手取得了较大进展：

①在钎焊过程中采用铜磷钎料火焰钎焊铝/铜，钎料中的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；②采用钨极氩弧焊，钨极氩弧焊的阴极雾化作用可以有效去除熔点高而且致密的Al2O3膜；③采用含稀土元素的锌基钎料钎焊铝/铜，钎料中的稀土元素可以起到除气排污和细化晶粒的作用，在一定程度上提高了接头的抗腐蚀性能和强度，但腐蚀后强度仍下降较大。

杨瑞鹏等人对铝铜直接钎焊的研究表明，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，进行焊后处理，调整钎缝间隙及基体表面粗糙度，可以获得强度较高的铝/铜钎焊接头。

薛松柏等人采用改进型CsF-AlF3中温无腐蚀钎剂配合中温钎料，利用火焰钎焊实现铝/铜管接头的连接，克服了钎剂腐蚀性问题，获得了性能良好的钎焊接头。

XiaChunzhi等人采用Al-Si钎料进行了铝1035/铜T2的真空钎焊，研究表明铝/铜钎焊的接触面由三部分组成，即靠近铜侧过渡层、中间钎缝和靠近铝侧过渡层。

靠近铜侧的过渡层由Cu3Al2和CuAl2金属间化合物构成；钎缝主要由α-Al固溶体、Cu3Al2和CuAl2构成；同时还含有ε-Cu15Si4相、Al-Si相和CuZn2相；靠近铝的过渡层中硅在铝中形成固溶体。

（4）冷金属过渡焊接（ColdMetalTransfer）焊接是电弧焊的一种。

CMT是在短路过渡基础上开发的一种全新的MIG/MAG焊接方法。

CMT焊接方法利用外力回抽帮助熔滴过渡，通过协调送丝监控和过程监控实现焊接过程中“冷”和“热”的交替，能精确地控制能量，减小热输入，适合异种金属的熔钎焊。

该方法已成功应用于铝/镀锌钢板的焊接，并正尝试用于铝-镁、镍-钢、铝-钛和钛-铜等异种金属的熔钎焊。

可见，CMT在控制铝铜异种金属熔钎焊界面金属间化合物的厚度方面存在巨大的优势和潜力[2]。

1.3本文研究意义和内容

铝铜形成连接件后可以降低成本，减轻重量，发挥各自的优点，大量应用与电力、电气、制冷能源等领域。

大部分铝铜接头的失效都是由接头处的金属间化合物引起，因此解决铝铜焊接的关键问题，控制金属间化合物层的厚度，不仅可以提高铝铜接头的使用性能，还可以进一步扩大铝铜的应用范围，创造巨大的经济和社会效益。

本试验利用CMT热输入小的特点进行铝铜熔钎焊，通过研究合金元素和钎剂对金属间化合物生成机理的影响，控制金属间化合物层的厚度，得到合格的接头，既能保证质量，又能兼具效率，因此对铝铜CMT熔钎焊的研究有重要的理论意义和应用价值[3]。

本试验研究的是焊接电流对铝铜CMT熔钎焊组织性能的影响。

影响铝铜CMT熔钎焊组织性能的因素有很多，比如焊接电流、焊接速度、电弧电压、保护气体流量、填丝速度等。

合理的焊接参数是获得优质焊接接头的重要保证。

本次试验主要研究焊接电流对铝铜CMT熔钎焊组织性能的影响。

当焊接速度、电弧电压、保护气体流量等因素不变时，改变焊接电流的大小可以获得不同的铝铜CMT熔钎焊组织性能。

提高焊接电流，则热输入增大，熔深熔宽均增大；反之降低焊接电流，则热输入减小，熔深熔宽均减小。

本次试验，其他的焊接参数以及环境都保证一样，通过改变电流大小来调节焊接热输入，进而改变铝铜金属间化合物层的厚度和焊缝的力学性能，从而来分析焊接电流对铜铝CMT熔钎焊组织性能的影响。

2试验材料、设备及方法

2.1试验材料

2.1.1试验母材

本试验中研究的母材为纯铝1060和纯铜T2板，板厚均为3.0mm。

其中纯铝1060的主要化学成分如表2.1所示。

表2.1纯铝1060化学成分

牌号

化学成分（质量分数）/%

其他

1060

0.25

0.35

0.05

0.03

0.05

V0.05

0.03

99.60

立方α相成为工业纯铝的最为常见的α相。

相组成（少量的或可能的）：

α+α（Al2Fe3Si）

纯铜T2的主要化学成分如表2.2所示，其微观组织如图2.1所示。

表2.2纯铜T2化学成分

牌号

化学成分（质量分数）/%

Cu+Ag

杂质总和

≥99.90

≤0.001

≤0.002

≤0.005

≤0.1

（a）（b）

（c）

图2.1纯铜T2的微观组织（a）100倍（b）200倍（c）500倍

2.1.2填充材料的选定

在铝-铜异种金属熔钎焊中，填充材料的选取是实现可靠连接的一个关键因素，谨记只能选择比母材熔点低的填充材料，填充材料包括钎料、钎剂（替代金属镀层）等。

铝-铜熔钎焊对钎料的要求是：

（1）在电弧加热条件下，钎料稳定性好，不易于挥发；

（2）钎料与铝母材有良好的融合性；

（3）液态钎料在铜表面有良好的润湿性；

（4）钎料中的合金元素能够控制界面化合物层的生长。

由于铝与任何一种元素都不能形成连续固溶体，其中Zn在铝中具有最高溶解度，与铝具有良好结合性的只有两类合金：

锌基钎料和铝基钎料。

然而在电弧加热条件下，Zn元素极易挥发，限制了锌基钎料的应用，因此目前采用的主要是铝基钎料。

进一步，通过在铝基钎料中添加特殊的合金元素，增强钎料在铜表面的湿润铺展性，并起到控制化合物层生长的作用，最终实现铝-铜的可靠连接，因此合金元素的选取起到至关重要的作用。

本研究中选用铝基钎料，结合国内外已有研究成果，并经过多次试验尝试，证实Si、Mg元素在提高钎料流动性、润湿性及控制界面反应等方面具有显著的效果，同时分析认为Si、Mg元素在铝-铜界面反应中具有不同的作用，因此选取Si、Mg元素作为主要的添加合金[4]。

2.1.3焊丝的选择

本次试验选用纯铝焊丝和铝硅焊丝，其中纯铝焊丝的化学成分见表2.3。

表2.3S301（纯铝焊丝）的主要化学成分

成分

标准值

≤0.20

≤0.25

≤0.04

≤0.03

≥99.70

实测值

0.04

0.13

99.83

铝硅焊丝的主要化学成分如表2.4所示。

表2.4ER4043（铝硅焊丝）的主要化学成分

成分

标准值

4.5~6.0

≤0.8

≤0.30

≤0.05

≤0.10

≤0.20

Rem（余量）

实测值

5.20

0.18

0.15

0.03

0.02

0.06

0.10

Rem（余量）

2.2试验装置及设备

本研究中采用TransPulsSynergic4000型CMT焊机进行试验，该焊机具有尖端技术、操作简单、应用范围广泛以及引弧可靠、精确度高等优点。

在焊接过程中，工件装夹在焊接平台上，焊枪固定不动，平台匀速直线行走。

试验用焊接装置如图2.2所示。

图2.2焊接装置

2.3铝硅焊丝焊接铝和铜的工艺

铝铜异种金属熔焊的最大困难就是极易产生大量的金属间化合物，这种脆性相严重降低了接头的力学性能，而产生金属间化合物的重要原因是熔焊时较多的热量输入。

CMT焊接系统特有的焊丝回抽技术使熔滴顺利过渡，可以实现把焊接短路电流降到很低，故焊接时热输入量很低。

本章应用CMT这种低热输入的方法来焊接铝铜异种金属，以ER4043铝硅焊丝作为填充金属，通过工艺参数的控制和调节，以达到减小热输入量，尽量减少焊接过程中金属间化合物生成的目的。

为了形成对比，同时做了以纯铝焊丝作为填充金属的铝铜异种金属CMT焊接试验。

本次试验采用铝铜搭接的接头方式进行焊接。

2.3.1CMT焊接基本参数设计与分析

工艺参数对焊接质量起至关重要的作用，经过前期的工艺试验，总结出影响焊接质量的工艺参数包括焊接电流、电压、送丝速度、焊接速度、焊枪位置及姿态、保护气流量等。

CMT焊接过程中，焊枪喷嘴与工件距离和焊丝干伸长是影响焊接质量的一个因素。

若喷嘴末端与工件距离过长，电弧燃烧容易不稳定，而且保护气容易分散造成保护效果不好；喷嘴束端与工件距离过短，不能满足CMT特有的焊丝回抽技术所需要的回抽空间，且容易烧损导电嘴。

根据经验，喷嘴末端与工件距离9~10mm为宜。

干伸长是指焊丝伸出导电嘴的长度，过长则起弧不稳定，焊丝容易熔断；过短则起弧稍困难，影响焊接质量。

试验中调整干伸长为7~8mm。

铝是极活泼的金属，在焊接极易被氧化。

试验中采用纯氩气的保护环境。

氩气流量的大小在一定程度上影响焊接质量，流量过小则起不到保护效果，流量过大气流容易紊乱，影响电弧稳定性，且造成资源的浪费。

保护气流量的大小一般根据焊接电流大小、喷嘴孔径和焊接接头形式来调整，试验中选择的保护气流量为20L/min[5]。

2.3.2铝铜异种金属CMT焊接工艺试验

本试验是研究焊接电流对焊接成形质量的影响。

即在固定实验中焊接速度6.62mm/s，保护气流量为20L/min，通过调节焊接电流来研究焊接规范对焊接质量的影响。

焊接时电弧稳定，基本无飞溅产生。

图2.3为不同焊接电流时的焊缝正面的宏观形貌。

由图看出，当电流为（a）90A和（b）101A时焊缝正面有细小的水波纹形状，随着焊接电流的增高，即焊接线能量的增高，焊缝金属的填充量增加，熔宽变大；焊缝背面呈现由完全熔透到来熔透的过渡，由于铝比热较大且热导率比铜低，铝侧熔化较多。

而当电流为110A时如图（c）所示焊缝成形匀称，焊缝表面光亮，氧化较少，背面基本熔透，焊缝根部两种金属的结合面较狭窄[6]。

（a）（b）

（c）

图2.3不同焊接电流时的焊缝正面的宏观形貌（a）90A（b）101A（c）110A

2.4试验方法与过程

2.4.1试验流程

本课题采用熔化极惰性气体保护焊的方法，利用CMT技术来焊接纯铝1060和纯铜T2。

试验尝试填充不同的焊丝金属进行焊接，第一种填充纯铝S301焊丝，第二种填充铝硅ER4043焊丝。

探索铝铜异种金属的焊接工艺参数，通过调整工艺参数和改善工艺条件，研究工艺参数对焊接成形质量的影响。

通过对焊接接头的力学性能测试来分析接头组织的性能和分布以及断裂的方式和机理。

利用光学显微、SEM的手段分析焊接接头微观形貌、各部分组织和成分的变化，研究铝铜异种金属的熔焊机理，进一步分析影响接头强度的原因，探讨接头缺陷的产生原因和改进措施。

2.4.2试验与检测方法

（1）试样预处理

由于铝为活泼金属，很容易与空气中的氧结合形成A12O3氧化膜，A12O3结构致密且熔点很高（2050℃）。

母材表面的氧化膜不溶于金属，不仅阻碍两种金属的连接，而且使焊接接头区容易产生夹杂、裂纹、气孔等缺陷，使接头结合性能变差。

焊前将铝、铜板按等同的尺寸、大小切割，用橡胶锤将铝、铜板在水平地面敲打平滑，以便焊接时两板间实现无间隙连接。

然后用钢丝刷打磨焊接部位，将焊缝处以及焊缝侧边大约10mm处的氧化膜清理干净，露出金属光泽。

注意打磨铝和铜要用不同的钢丝刷，而且打磨方向一致，切勿来回打磨，防止异种金属颗粒粘滞在钢丝刷上进入母材而引起夹杂。

打磨后如图2.4所示。

铝和铜都极易被氧化，处理后的试样应尽快进行焊接试验，试验前用丙酮擦拭待焊部位，去除油污的干扰。

图2.4打磨过的铝、铜板

（2）试验过程

将工件固定在试验平台的夹具上，CMT焊机系统自带经过优化的焊接专家库，通

过焊机的控制盒选择焊丝种类、焊丝直径、保护气类型进入到专家库中，专家库里的参数经过大量试验优化得到，其焊接电流、电压和送丝速度为一元化调节，通过选择合适的送丝速度来调节焊接电流和电压，也可以通过电感修正和弧长修正来进行微调，以得到不同的焊接规范。

采用直流反接的焊接方式，焊丝接电极正极，发热量大，利于焊丝的熔化；焊件接负极，利用阴极破碎作用去除焊缝表面的氧化膜。

通过焊接小车的控制来制定焊接时焊枪的运动轨迹，选择焊接电流，进行焊接试验[7]。

（3）焊接接头力学性能测试

1）静载强度测试

用线切割的

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