鋁與異種金屬的焊接

1、第四節(jié) 鋁與異種金屬的焊接現(xiàn)代工業(yè)對零部件的性能提出了更高的要求，如耐蝕性、導電性、導熱性、磁性、熔點、硬度及耐磨性、低溫韌性、耐高溫持久強度等多方面的性能。有些情況下，任何一種金屬材料都不可能全面滿足使用性能要求，或者即使某種金屬比較理想，卻由于十分稀貴，不能在工程實際中大量應用。當需要制作一個在不同工作部位上具有不同性能的機件或構件，卻找不到一種同時都能滿足這些性能要求的金屬材料時，最合理而又經(jīng)濟的辦法是：對任何一個部位都根據(jù)其最重要的工作性能，選擇相對最合適的金屬材料制作，然后用焊接方法把這些各具特殊性能的金屬材料連接成一個整體。這種把化學性能或物理性能有差異的金屬焊接在一起的工藝過程稱

2、為異種金屬焊接。 目前，在石油化工、能源、機車車輛、海洋開發(fā)、軍工及航窯航天技術等方面，越來越多的鋁與異種金屬韻焊接結構投入了實際應用。主要有鋁與銅、鋁與鈦、鋁與鋼及不同型號鋁合金之間的焊接。 異種金屬的焊接要比同種金屬焊接困難和復雜：不同母材之間、母材與填充金屬之間的相互作用是不同的，這給焊接帶來了冶金上的困難；又有因物理性能上存在差異帶來焊接工藝上的困難。一、鋁與銅的焊接 鋁和銅導電性能都很好，都是常用于制造導電體的材料。鋁比銅的密度?。▽儆谳p金屬），價格便宜，許多場合需要以鋁代銅，因此常常需要將鋁、銅連接起來，鋁-銅接頭廣泛用于化工、電器和制冷工業(yè)中。鋁與銅之間采用機械連接是不可靠的，需

3、用焊接方法連接。 從表2-4-1中可以歸納出鋁與銅的以下幾點特性： 1.鋁與銅的特性 表2-4-1 鋁和銅的物理性能及主要力學性能材料特性密度(g/cm3)(20)熔點()熱導率W/(m·K)(20)比熱容J/g·k)(20)線膨脹系數(shù)（×10-6K-1）(20)電阻率(W/m·k)(20)抗拉強度(MPa)相對延伸率(%)鋁(Al)2.699660.2222O.899623.62.667810840銅(Cu)8.941083394O.384916.51.6721623560 （1）鋁和銅的導電及導熱性很好。在所有金屬中，銅居第二位，鋁居第四位。 （2）

4、鋁和銅都是面心立方品格，具有極好的塑性，因此都能夠通過冷、熱壓力加工。 （3）鋁與銅在液態(tài)時相互無限固溶，固態(tài)時有限固溶。 （4）鋁和銅在液態(tài)時流動性都很大。 （5）鋁的強度比銅低得多。鋁在550以上強度顯著降低。雖然鋁可經(jīng)冷變形加工硬化提高強度，但同時塑性也會下降。 （6）鋁在固態(tài)和液態(tài)都極易氧化，其表面會形成致密的氧化膜(A12O3)；銅對氧的親和力也很大，高溫下生成多種氧化物(CuO和Cu20)。 （7）鋁與銅直接融合在一起會形成多種且電阻值極高的脆性金屬間化合物（如A1Cu2,A12Cu3、AlCu、A12Cu等）。 2.鋁與銅的焊接性 由于鋁與銅的物理化學性能有很大差別，使鋁與銅焊接

5、時會產(chǎn)生以下幾個主要方面的問題： （1）鋁和銅的熔點相差很大（達423），焊接時很難同時熔化。 （2）鋁與銅形成的脆性金屬間化合物影響接頭的強度、塑性。為防止金屬間化合物形成，應盡量縮短液態(tài)鋁與液態(tài)銅的接觸時間。鋁-銅合金中含銅量在13%以下時，綜合性能最好，所以熔焊時應設法控制焊縫金屬的鋁一銅合金中含銅量不超過上述范圍，或是采用鋁基合金。 （3）由于鋁和銅對氧的親和力都很大，高溫下強烈氧化，在熔池結晶時，靠近鋁母材金屬側產(chǎn)生氧化鋁，靠近銅母材金屬側產(chǎn)生氧化銅，在同樣情況下，銅側氧化膜的厚度比鋁側的大。形成的氧化物難以除掉，這些氧化物使鋁與銅及填充材料不能很好地熔合，同時會在晶界形成低熔點共晶

6、或脆性化合物，常常引起焊縫裂紋。 （4）合金元素的燒損 銅的熔點比鋁高0.6倍。而鋁和銅的合金元素Sn、Pb、Zn、Mn的熔點均低于銅，所以當焊接溫度超過銅的熔點，使兩種母材都熔化時，必然會產(chǎn)生低熔點合金元素的蒸發(fā)和燒損，使異質焊縫的性能受到影響。如Zn的蒸發(fā)和燒損會降低鋁與銅焊縫的耐蝕性和力學性能。 （5）裂紋 鋁與銅焊接時易產(chǎn)生裂紋，主要原因是： 1)銅的線膨脹系數(shù)比鋁大0.5倍。在焊接熱循環(huán)作用下，鋁與銅的焊接接頭經(jīng)歷不同的膨脹和收縮，會產(chǎn)生接頭熱應力。一旦應力值超過接頭強度極限就會產(chǎn)生裂紋。 2)鋁與銅形成的脆性金屬間化合物極易導致熱裂紋。 3)銅與鉛、鉍等金屬能形成低熔點共晶，引起熱

7、脆性。而銅與氧、硫等能形成脆性化合物，引起冷脆性。 4)鋁與銅形成的氧化物熔點低、脆性大，且分布于晶界，使焊縫裂紋傾向增大。 5)高溫下熔池中形成的C02、CO和H2等氣體，在焊縫結晶過程中會產(chǎn)生一定的壓力，增大焊縫裂紋傾向。 （6）氣孔 1)鋁與銅在液態(tài)時，能強烈地溶解和吸收氣體，如氫隨著溫度的升高而溶解度顯著增大；當冷卻時，氫的溶解度又顯著下降，在700和1100會發(fā)生突變，過飽和的氫析出形成氣泡外逸，當氣泡來不及全部浮出熔池表面，而在焊縫中形成氣孔。 2)由于鋁與銅的導熱性能非常好，熔池結晶過程很快，因此，冶金反應產(chǎn)生的氣體很可能來不及逸出熔池表面，殘留在焊縫之中形成氣孔。 3)由于兩種

8、母材金屬表面的氧化膜都會吸附水，當被焊接頭清理不凈存有油脂或雜質，或填充材料潮濕，或保護氣體不純及空氣侵入焊接區(qū)時，也能使焊縫產(chǎn)生氣孔。 3.鋁和銅的焊接工藝 鋁與銅的焊接可以用熔焊、壓焊和釬焊。但綜合以上所述的鋁與銅的焊接性可以看出，鋁與銅用熔焊是非常困難的，所以應用最多的是壓焊。 1熔焊 (1)氬弧焊 鋁與銅組合的熔焊最好采用TIG焊、MIG焊，由于用氬氣保護，使熔池不受大氣污染，焊接質量較好。缺點是不能使用直流電源，采用50 Hz交流電（每秒鐘100次過零點而改變方向）；電離電位高的氬弧易斷弧，所以焊接過程的穩(wěn)定性較差。 工藝要點主要有以下幾點： 1)采用純鋁或鋁-硅焊絲作為填充金屬。

9、2)焊縫金屬中加入某些合金元素可改善鋁-銅熔接接頭質量：加入鋅、鎂能限制銅向鋁中過渡；加入鈣、鎂能使表面活化，易于填滿樹枝狀結晶的間隙；加入鈦、鋯、鉬等難熔金屬有助于細化組織；加入硅、鋅能減少金屬間化合物。試驗證明，lm厚的金屬化合物不會影響接頭的強度。 加入方法：可在焊前將需加的合金元素涂到銅的待焊表面。 3)焊接時，電弧要向銅的側偏移，偏移距離約相當于厚度的1/2，以達到兩側同時熔化，在接頭的銅側形成約310m厚的金屬化合物，在接頭的鋁側形成銅在鋁中的固溶體帶。 (2)埋弧自動焊 工藝要點如下： 1)接頭形式及坡口 通常采用對接接頭，J形坡口形式（銅側開J形，鋁側為直邊）。 2)在坡口內填

10、鋁絲 為增加焊縫中鋁的成分，減少銅的成分，防止脆性，可在坡口內填加鋁焊絲(3mm)或鋅條。 3)焊劑 選用牌號為HJ431的焊劑。 4)機頭偏離為保證銅充分熔化，焊接時機頭應偏離焊縫或坡口的中心線，偏向銅母材一側，見圖2-4-1圖2-4-1 坡口形式5)正確選擇焊接參數(shù)幾種不同厚度的鋁銅埋弧自動焊的焊接規(guī)范可參見表2-4-2。 表2-4-2 鋁-銅埋弧自動焊的焊接規(guī)范焊件厚度(mm)焊絲直徑(mm)焊接電流(A)電弧電壓(V)焊接速度（m/h）焊絲偏離(mm)焊道數(shù)目焊劑層密度 (mm)高度(mm)62.5340350323427.4341301082.5360380353824.445l32

11、12102.5380400384021.55613812122.6390410394221.56724012163.0430500434419.881124214203.2520550404418.681234614 實例：當工件厚度為10 mm時，按上述工藝要點，采用焊絲直徑2.5 mm,焊接電流380400A，電弧電壓3839v，焊接速度21m/h進行嫜接。這樣，焊縫金屬中含銅量只有8%10%，可以得到滿意的接頭力學性能。 6)焊后熱處理 對焊好的焊接接頭要緩冷，并進行清理和質量檢驗。 2壓焊 屬于壓焊的各種焊接方法都是固態(tài)下進行焊接的方法。鋁與銅均為塑性很好的金屬，因此鋁-銅接頭采用壓焊

12、方法焊接可以獲得良好的質量。利用壓焊制成鋁-銅過渡接頭，就可避開鋁-銅熔焊的困難，而變?yōu)殇X與鋁、銅與銅的同種金屬的熔焊。 常用于鋁-銅焊接的幾種壓焊方法比較見表2-4-3。 表2-4-3 用于鋁-銅的壓焊方法比較 焊接方法 冷壓焊 閃光對焊 摩擦焊儲能對焊焊接質量很好（無脆性層）好（有脆性層，但不影響使用）很好（無脆性層）好（有脆性層，但不影響使用）常焊面積（直徑）0.5200mm22501600mm26400.510mm2斷面形狀不限，實心件矩形圓形棒料線材、管材生產(chǎn)率（平均）自動120件/h60件/h 80120件/h自動300件/h；半自動150件/h焊前準備工作硬銅線要退火，表面清理一

13、般，端面要求不高須嚴格退火，表面清理一般，端面要求不高須退火，端面要求平整，不能有油污、水等臟物硬銅件須退火，清理要求較高焊后工作去毛刺，加工量不太大車去毛邊，通常須鍛扁或機械加工銼去或用砂輪磨去飛刺，管件清理內壁 材料消耗約為工件直徑或厚度的2.53倍，易回收銅燒掉4.56mm，鋁燒掉4.56mm不易回收銅約67mm，鋁約410mm，能回收 銅：線徑的1.52倍，鋁：線徑的11.5倍，不易回收 常用設備LHJ-15型冷壓焊機QL-25型冷壓焊機UN9-200塑鋁銅閃光對焊機；LQ-200型對焊機；LQ-300型對焊機改裝蜘MCMY-150型閃光對焊機自制設備自制設備UR2-800型電容儲能自

14、動對焊機、UR3-l200型電容儲能半自動對焊機 附加設備手焊鉗電源變壓器、空壓機，抽風機鍛壓機、機械加工機 砂輪機主要應用場合 適用于制造相當于213的鋁-銅過渡接頭由專業(yè)廠或車間制造大截面鋁-銅過渡接頭由專業(yè)廠或車間制造中型斷面鋁-銅過渡接頭線材、管材等鋁-銅過渡接頭 (1)冷壓焊 鋁與銅的冷壓焊是在室溫下（再結晶溫度）使鋁和銅共同承受巨太的壓力而產(chǎn)生相當大的塑性變形，鋁與銅接頭的結合面上原子相互靠攏（達到0.30.5m）而產(chǎn)生強大的原子間吸引力，從而使結合面在固態(tài)下形成牢固的接頭。主要優(yōu)點為接頭中不產(chǎn)生鋁銅脆性化合物，接頭在室溫下形成，緊鄰接頭處無熱影響區(qū)。 冷壓焊不能加工過細的導線，也

15、不能加工直徑超過100mm的導線。 1)l異種金屬冷壓焊應具備的條件 母材金屬本身的塑性變形大。 母材金屬的氧化膜薄而脆，在塑性變形對容易被壓碎。 母材金屬在塑性變形過程中，接觸面部位的彈性小，有利于原子相互結合。 2)冷壓焊金屬的壓縮率 冷壓焊金屬的焊接性與兩種母材金屬在壓力作用下的壓縮率有關，兩種金屬只要達到一定壓縮率就能實現(xiàn)冷壓焊。銅的壓縮率為80%90%，鋁的壓縮率為60%80%。 異種金屬冷壓焊的壓縮率e可用下式計算： e=（1+2 -）/1+2×100%式中異種金屬冷壓焊壓縮后的厚度(mm)； 1、2兩種母材金屬冷壓焊壓縮前的厚度(mm)。 各參數(shù)的意義可參考圖2-4-2

16、。 3)鍋與銅的冷壓焊工藝要點圖2-4-2異種金屬冷壓焊的壓縮率1銅2壓力3異質結合面4鋁 焊前將鋁與銅母材進行退火處理，使之軟化而增加塑性變形量。 冷壓焊對焊材準備工作要求嚴格。將退火后的兩種母材金屬氧化膜及油污徹底清理干凈，并對接頭的接合表面進行精確加工使之具有一定的粗糙度并使軸線與表面精確垂直。 鋁與銅的導線或薄板采用搭接接頭，而棒料、厚板可采用對接接頭。 選用合適的冷壓焊設備和壓接工具。 鋁與銅搭接時，壓力為9801500MPa。對接時，由于形變過程中向外部擴展的飛邊也需一起加壓，因此壓力比搭接高34倍。 冷壓焊后，應清理焊接接頭，并進行焊接質量檢驗。 (2)電阻對焊、閃光對焊和電容儲

17、能焊 電阻對焊和閃光對焊在鋁與銅連接上應用由來已久。這兩種焊接方法都是在焊接時將兩工件待焊端面始終壓緊，壓緊后通以大電流，利用電阻熱加熱至塑性狀態(tài)（閃光對焊則加熱至液態(tài)），然后迅速施加頂鍛壓力而實現(xiàn)焊接。例如：閃光對焊時需采用大電流（比焊鋼時大1倍）、高送料速度（比焊鋼時大4倍）、高壓快速頂鍛(100300 mm/s)和極短的通電頂鍛時間(0.020.04 s)。焊接時應保證對接處加熱均勻，并使兩個零件的焊口處附近有足夠的塑性變形區(qū)。因這兩種材料的熔點相差很大，鋁的熔化速度比銅快1.7倍，所以要相應增大鋁的伸出長度。 電容儲能焊利用電容儲存的電能，通過瞬時放電，使鋁與銅接頭在極短時間內通過強大

18、的電流，而使接觸面局部熔化，在頂鍛力的作用下，擠出有害雜質而實現(xiàn)焊接。電容儲能焊由于電流密度大、放電時間極短（小于0.0005s）、焊接變形小、節(jié)省電能、生產(chǎn)率高，所以非常適于鋁與銅的焊接。 這三種壓焊都是依靠提高頂鍛速度和足夠大的頂鍛力，同時嚴格控制通電頂鍛時間，除了必須將已形成的氧化物和金屬間化合物（脆化物）隨液體金屬一起擠出接口，或盡量減少脆性層厚度并使之不連續(xù)之外，還要保證接觸面處產(chǎn)生較大的塑性變形，以獲得性能較好的接頭。 為了防止產(chǎn)生脆性化合物，這三種方法都常需事先在銅表面上鍍上鋅、鋁或銀釬料鋁-銅閃光對焊的工藝參數(shù)見表2-4-4。表2-4-4 鋁，銅閃光對焊的工藝參數(shù)工藝參數(shù)棒材直

19、徑 (mm)帶材焊接截面(mm2)202540×5050×10伸出長度銅13434(mm)鋁34383036燒化留量（mm）17201820閃光時間(s)1.51.91.61.9閃光平均速度(mm/s)11.310.511.310.5頂鍛留量(mm)131368頂鍛單位壓力(MPa)190270225268頂鍛速度(mm/s)100120100120100120100120最大電流(A)63000630005800063000 實例：截面為10 mm×100 mm的鋁板(L3)與銅板（T2）過渡接頭采用閃光對焊進行焊接。 1)下料時應注意留出燒化量。 2)由于鋁、

20、銅導熱快，因此必須要求較大的焊接功率。 3)由于鋁的燒化速度快，因此鋁的伸出長度應遠大于銅。4)為避免導熱快而帶來的能量損失，焊接時應用高速燒化、高速頂鍛及較大頂鍛留量，最大程度地擠出焊口間的金屬間化合物以保證接頭質量。 5)焊接工藝參數(shù)見表2-4-5。 表2-4-5 焊接工藝參數(shù)燒化留量（mm）燒化速度 (mm/min)頂鍛速度(mm/min)頂鍛總量(mm)頂鍛壓強(MPa)閃光時間(s)19All5.0 + Cr4.01.22.41304.5A13.0 + Cul.53654 (3)摩擦焊 摩擦焊是利用焊件接觸端面相對運動中相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端部達到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛而實現(xiàn)焊接

21、的一種壓焊方法。摩擦焊主要用于圓柱形或管狀的鋁件與銅件的對接。不能焊接太長的、固定的、質量大和不對稱的母材。 摩擦焊工藝要點如下： 1)摩擦焊在焊前需對銅件進行退火。 2)焊前需銼平接合表面去除氧化膜并盡快焊接，以免沾污或重新生成氧化膜。 3)鋁與銅摩擦焊加熱溫度應低于鋁-銅共晶溫度(548)，一般控制在460480。這樣既能防止產(chǎn)生脆性的金屬間化合物，又能保證有足夠的塑性變形。 4)鋁-銅摩擦焊焊接工藝參數(shù)見表2-4-6。 表2-4-6 鋁-銅摩擦焊焊接工藝參數(shù)焊件直徑(mm)68101214161820222426303640主軸轉速 (r/min)10308405404503853203

22、00270245225208180170160焊前預壓力(MPa)232345567891011121314151617181820212223242526摩擦時間(s)44444444444444摩擦壓力(MPa)137147167186186196216235245265274294323343頂鍛壓力(MPa)588490441392392392392392392392392392392392持壓時間(s)22222222222222鋁伸出模量(mm)1010131320202020202424242628銅伸出模量(mm)l1222222222222床軸給進速度 (mm/s)1.41.

23、42.12.13.23.23.23.23.23.73.73.73.73.7 (4)真空擴散焊 鋁與銅的真空擴散焊可獲得導熱、導電性能都很好的牢固接頭。焊時不需要加中間過渡層。 1)真空擴散焊過程 真空擴散焊是依靠焊接表面微觀塑性流變后，使原子相互大量擴散達到焊接表面緊密接觸而實現(xiàn)焊接的。擴散焊的基本過程分為三個階段，如圖2-4-3所示。 變形和交界面的形成。在溫度和壓力作用下，兩種母材金屬接觸表面上的微觀觸點因塑性變形而被擠平，從而達到緊密接觸而形成晶向連接（即金屬鍵連接）。 晶界遷移和孔洞消除。通過原子擴散使晶界發(fā)生遷移，離開接頭的原始界面，達到新的平衡狀態(tài)，界面孔洞基本消除。原子擴散，達到

24、冶金連接。由于原子進一步擴散，界面的再結晶和晶粒長大，使氧化物溶解，界面和孔洞完全消失，形成新的晶界，達到冶金連接，實現(xiàn)原子結合。 圖2-4-3異種金屬擴散焊的基本過程a)變形和交界面的形成b）晶界遷移和孔洞消除c）原子擴散，達到冶金連接1一銅（鈦、鋼） 2一金屬界面 3一孔洞 4一鋁 2)鋁一銅真空擴散焊過程可分為三個階段： 第一階段：鋁與銅接觸表面之間物理接觸，即個別凹凸點接觸，實際接觸面積僅為名義接觸（全部接觸）面積的1%3%。 第二階段：鋁與銅接頭表面原子之間相互持續(xù)擴散，而使界面上許多微孔消失。 第三階段：原子之間繼續(xù)擴散，界面與微孔完全消失形成新的晶界，即實現(xiàn)原子之間的晶內結合，最

25、后接頭的成分趨于均勻，形成牢固的焊接接頭。 上述擴散焊縫形成的三階段，溫度決定了第一階段中接觸面的大小，也決定了第二、第三階段中消除微孔的擴散速度；壓力主要在第一階段起作用，它能使接觸面加大。而形成接頭所需的時間，則取決于所加的溫度和壓力，隨著溫度和壓力的增加，時間可縮短。 3)鋁-銅真空擴散焊的壓縮率 在整個擴散焊過程中，鋁-銅接頭的總變形量，等于加壓產(chǎn)生的壓縮率、焊接時間內的蠕變壓縮率和冷卻過程中的壓縮率所占比例之和。在溫度為500焊接時，接頭各階段的壓縮率比例見表2-4-7。表2-4-7 鋁-銅真空擴散焊各階段的壓縮率焊接溫度()壓力(MPa)加壓結束時的壓縮率(%)蠕變時變形量 (%)

26、冷卻過程的壓縮率(%)總壓縮率(%)50019.814.96520.110050012.618.253.628.21005009.821.742.935.3100 4)真空擴散焊工藝要點 接頭形式 擴散焊接頭的基本形式有對接接頭、T形接頭和搭接接頭，其中搭接接頭最為合適，所以應用最多。為增加接合面積，對接接頭有時采用斜面對接或曲面對接，這樣可提高對接接頭的承載能力。必要時也可采用對接接頭局部搭接化。 待焊表面的制備與清理 待焊表面的狀態(tài)對擴散焊接過程和接頭質量影響很大，特別是固態(tài)擴散焊，必須在裝焊前進行仔細制各和清理。 a)表面機械加工。待焊面要求達到平整光滑，使焊接間隙最小，微觀接觸點盡可能

27、地多。一般要求表面粗糙度在Ra3.2m以下。用精車、精刨（銑）、磨削、研磨、拋光等方法都可比加工出所需的表面平直度和粗糙度。若是加入軟中間層的擴散焊或過渡液相擴散焊，則粗糙度可以放寬。 b)表面凈化處理。目的是清除氧化膜、油污和吸附物。去除表面氧化物多用化學腐蝕方法，腐蝕劑參考金相腐蝕劑的配方。腐蝕速度不能過大，以防止產(chǎn)生腐蝕坑。當腐蝕至露出金屬光澤，就立即用水沖凈和烘干。除油可用乙醇、丙酮、洗滌痢或其他清潔劑。也可以在真空中加熱去除焊件表面的有機物、水或氣吸附層。 真空擴散機有ZKL-1、ZKL-2和超高真空擴散焊機。（主要焊接工藝參數(shù)采用真空擴散焊焊接厚度為0.20.5 mm的鋁與銅時，其

28、真空度為6.67×lO-3 Pa，焊接溫度應為500520;壓力為9.8 MPa，時間10min。符合上述條件可獲得優(yōu)良的焊接接頭。 (5)超聲波焊 鋁與銅焊接用超聲波焊較合適。 1)超聲波焊的特點 焊件不通電，不加熱，焊接過程中不出現(xiàn)宏觀的氣相和液相，因此不會出現(xiàn)任何鑄態(tài)熔核或脆性金屬間化合物。 焊區(qū)金屬的物理和力學性能不發(fā)生宏觀變化，其焊接接頭的靜載強度和疲勞強度都比較高，且穩(wěn)定性好。 可焊的材料范圍廣，尤其是高導電、高導熱和性能相差懸殊的異種材料，這對鋁、銅尤為適用。適宜焊接薄壁以及多層箔片等特殊結構。被焊金屬表面氧化膜或涂層對焊接質量影響較小，因而焊前表面準備工作比較簡單。

29、超聲波焊適宜焊接硬度較低的材料，鋁、銅的硬度恰恰都較小(A1的硬度為HB2530，Cu硬度為HB37)。 最適合的接頭形式為搭接接頭。 所需的電能少，不到電阻焊的5%。 焊接變形小。 2)超聲波焊的主要工藝參數(shù)有功率P、頻率f、振幅A、靜壓力F、焊接時間tw等。 超聲波焊機功率P計算公式： P=4 ,SFAf式中摩擦系數(shù)； S焊點面積(mm)； F靜壓力(MPa)； A振幅(m)； f振動頻率(Hz)。實例：某廠在平板太陽能集熱器芯片制造中，用超聲波焊能較好地解決銅管（紫銅）鋁翅（工業(yè)純鋁）管板的焊接問題，獲得滿意的結果，工藝參數(shù)見表2-4-8。表2-4-8 工藝參數(shù)頻率f（kHz）振幅A(m

30、)靜壓力F (MPa)縫焊時超聲波作用時間tw(s)縫焊時連續(xù)焊接的焊接速度v(m/min) 20 525 0.40.6 0.0051 10 3釬焊 在電器元件制造中鋁和銅焊接經(jīng)常采用釬焊。 鋁和銅直接釬焊困難很大，接頭質量不好。因直接釬焊時不能有效地減少鋁和銅原子的直接接觸，也就無法避免在釬縫中生成鋁-銅脆性化合物。再是接頭易腐蝕，使接頭的性能及使用壽命降低，這是因鋁和銅間的電極電位、釬料與母材間的電極電位都相差很大，冷卻時釬縫里有大量沿晶界CuAl2析出，CuAl2的電極電位比Al的電極電位高，這些都極易產(chǎn)生電化學腐蝕；為去除致密的鋁氧化膜，需要用腐蝕性大的釬劑，釬劑的殘渣吸潮后形成腐蝕劑

31、，對接頭有強烈的腐蝕作用。 針對上述問題，鋁-銅釬焊關鍵取決于找到同時適用于二者的釬料和釬劑。可從下面幾個方面著手： (1)利用鋅基釬料(Zn-40Sn-2Cu及Zn-55Sn-2.5A1-2.5Ag)釬焊鋁和銅 作為鋁-銅釬焊的釬料除了應與鋁和銅均能相互作用，且電極電位應盡可能與鋁接近。鋅正滿足上述要求，故可做釬料的基體。鋅在釬料中還起到除氣排污和細化晶粒的作用，使接頭的抗腐蝕性能和強度有一定提高。 (2)在釬料中添加微量的稀土元素（Re）可提高鋁-銅釬焊接頭的強度和抗腐蝕性。 (3)選用活性較強、釬焊溫度相匹配的鋁反應釬劑（劑203）。 作為釬焊鋁-銅接頭的釬劑，應具有同時去除鋁和銅表面氧

32、化膜及提高釬料潤濕性的作用。與鋁相比，銅表面氧化膜容易去除，故關鍵為鋁表面氧化膜的清除。鋁表面氧化膜的熔點高、穩(wěn)定性好，并致密地附在金屬基體的表面上，故應選用活性較強、釬焊溫度相匹配的鋁反應釬劑。 用鋅基釬料與鋁反應釬劑匹配可取得釬焊鋁-銅接頭較理想的結果。 (4)采用中間鍍層 可在鋁表面先鍍一層金屬層（比較合適的金屬是鎳），再與銅釬焊，這時可采用腐蝕性小或無腐蝕性釬劑，以提高接頭強度和抗腐蝕性。 采取這種方法能盡量阻止鋁、銅原子直接接觸生成鋁銅脆性化合物。同時也避免強腐蝕性釬劑引起的腐蝕問題。 使用鎳層不僅可以避免鋁、銅原子的直接接觸，而且能更有效地阻止鋁、銅原子通過擴散而引起的相互接觸，從

33、而保證了較高的強度。鎳層在釬料和母材中溶解少，與釬料中的錫生成的相生長率低，鍍層均勻，有較好的抗腐蝕性，與基體金屬有較強的結合力。缺點是采用鍍鎳層后，釬料不易在鎳層上鋪展，要采用氮氣保護，才能獲得滿意的漫流性和潤濕性，增加了成本和技術難度。 如果采用復合鍍層，即在鎳層的基礎上再鍍覆一層與鎳層結合良好而且釬焊性優(yōu)良的金屬，就可以不用氣體保護，只使用無腐蝕性的釬劑，從而既解決了抗腐蝕性問題，又簡化了工藝。這方面的研究將有助于獲得令人滿意的鋁-銅接頭，并推動鋁-銅接頭在工業(yè)中的廣泛應用。 (5)用銅-磷釬料火焰釬焊鋁和銅，由于釬料中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。

34、銅-鋁釬焊工藝要點，以下面例子說明。 實例：厚3mm純鋁(L2)板和厚2mm純銅(T4)釬焊。焊前將銅與鋁的接頭表面清洗干凈，徹底去除油污、雜質和氧化物。鋁材表面鍍覆金屬層鎳。再將裝配好的接頭浸潤釬劑，釬劑為ZnC12 - 8NH4C - 1.2KF - 0.6LiF - 0.2NaF。當用釬焊溫度高于275的鋅基釬料時，必須用反應釬劑（劑203），浸潤釬劑的溫度為450480。施加釬劑后，在其尚未干燥和剝離前便立即將釬焊部件按要求裝配、定位好。需要預先安置釬料的，在裝配的同時把釬料放到預定的位置。本例中采用的釬料工藝性能見表2-4-9。表2-4-9 釬料的工藝性能序號釬料種類潤濕面積（mm2

35、）流動長度(mm)填充間歇長度 (mm)對母材的溶蝕備注1 Zn-5Al2802722明顯 釬焊工藝參數(shù)為：釬焊溫度440，保溫5 min2 Zn-3Al-2Ag2903023明顯3Zn-2.5A1-2.5Ag-0.15Si2803020明顯4Zn-40Sn-2Cu3402728輕微5Zn-55Sn-2.5A1-2.5Ag3603231輕微 上述釬料的工藝性能均較好，焊出的釬縫飽滿、外表美觀。其中，Zn-40Sn-2Cu和Zn-55Sn-2.5Al-2.5Ag這兩種釬料具有良好的工藝性能，對Al的溶蝕性最小、潤濕性及填充間歇能力最高，而且熔點低(300350)、釬焊施工方便，與反應釬劑（劑20

36、3）匹配，獲得的釬焊接頭有較高強度和抗腐蝕性，因而是釬焊鋁-銅接頭較理想的釬料。 (6)為防止接頭氧化，焊接在惰性氣氛爐中進行，可采用電阻加熱或火焰加熱。焊好后要及時把接頭殘留物清洗干凈，防止剩余釬劑對焊接接頭的腐蝕作用。 4熔焊-釬焊 這是熔焊和釬焊聯(lián)合用于鋁-銅接頭的一種焊接技術。 通常是對銅用釬焊，即在銅的待焊表面先搪一層鋅基釬料或鍍二層5060m的鋅層。然后與鋁進行熔焊，只熔化鋁的一側。如果用氣焊，則用CJ401焊劑和純鋁焊絲進行焊接；用鎢極氬弧焊時只需填充鋁焊絲。二、鋁與鋼的焊接由于鋁及鋁合金的密度小、比強度高,并且具有良好的導電性、導熱性和耐蝕性。因此與鋼結合形成構件很有實際意義。

37、1鋁與鋼的焊接性由于鋁與鋼在物理化學性能方面存在很大的差異和特點，使這兩者之間焊接存在很大的困難。從表2-4-10中可以看出鋁與鋼物理性能相差很大。這就給焊接造成下列困難：（1）很難達到同時熔化兩者熔點相差達8001000，因此同時達到熔化很困難。也就是說。當鋁合金已完全熔化時，鋼卻還保持著固態(tài)，很難熔合而且液態(tài)的鋁對固態(tài)的鋼也很難浸潤。表2-4-10 鐵、鋼、部分鋁及鋁合金的物理性能材料熔點()熱導率W/ (m·k)線膨脹系數(shù)(10-6 K-1)密度(g/cm3)(20)比熱容(J/(gk)(20)電阻率（·m）（20）鋁(Al)660.222223.62.699O. 8

38、9962.66鐵(Fe)1536.57511.767.870.46029.7l鋼碳鋼150677.511.761Cr18Ni9不銹鋼145016.316.6鋁及鋁合金1060 (L2)純鋁658217.324.O5A03 (LF3)防銹鋁610146.523.55A06(LF6)防銹鋁580117.224.75A12 (LF12)防銹鋁690163.323.22A12 (LY12)硬鋁502121.422.72A14 (LD10)硬鋁510159.122.54（2）很難均勻加熱鋁與鋼的熱導率相差23倍，同一熱源很難均勻加熱。（3）焊接熱應力和焊接變形大鋁與鋼線膨脹系數(shù)相差較大（1.42倍），焊

39、接時在接頭界面兩側必然引起很大的殘余熱應力，并且無法通過熱處理消除。這也造成焊接接頭會產(chǎn)生嚴重的變形。（4）焊縫成分不均勻由于鋼的熔點比鋁的熔點高，故焊接時，鋁完全熔化為液態(tài)。同時，兩種母材金屬的密度相差很大，當鋼完全熔化時，液態(tài)鋁浮在鋼液上面，冷卻結晶后焊縫成分不均勻。（5）被焊接頭容易氧化鋁及鋁合金與鋼焊接時，在鋁母材金屬接頭表面易形成難熔的氧化膜(A12O3)。這種氧化膜也可以存在于熔池表面，溫度越高，熔池表面的氧化膜越厚。這種氧化膜阻礙液態(tài)金屬的結合，使焊縫容易產(chǎn)生夾渣，力學性能降低。（6）鐵在鋁中的溶解度很小共晶溫度為645時，鐵在鋁中的溶解度為0.053%；共晶溫度在225600時

40、，溶解度為0.01%0.022%；共晶溫度在室溫時，溶解度為0.002%。（7）焊接接頭容易產(chǎn)生裂紋在鋁與鋼的焊接過程中，鋁與鋼中的鐵及合金元素極易形成脆性化合物（如FeA1、FeAL2、FeAL3、Fe2AL5、Fe2AL7等），還能夠與鋼中的碳形成化合物。這就降低了焊縫的塑性和韌性，在焊接應力作用下，焊接接頭很容易產(chǎn)生裂紋，甚至拉裂。（8）電化學腐蝕鋁與不銹鋼焊接時由于Al-Fe電極存在易引起電化學腐蝕。2.鋁與鋼的焊接工藝綜上所述，鋁與鋼的焊接性很差,必須采取特殊工藝措施和選擇合適的焊接方法，才能獲得滿意的焊接接頭。很顯然采用熔化焊是極其困難的，而壓焊較易實現(xiàn)。（1）壓焊壓焊是鋁與鋼焊接

41、較適用的方法，尤其是冷壓焊、擴散焊和超聲波焊等。一般在焊接界面上都不會形成金屬間化合物。1)冷壓焊 焊前必須徹底清潔鋁（鋁合金）與鋼的連接表面，清除氧化物及薄膜。要實現(xiàn)冷壓結合，焊接時接頭處須有足夠塑性變形量，鋁及鋁合金的最小變形量應在70%80%以上。冷壓焊接頭純鋁與碳鋼的強度可達80100 MPa，鋁-鎂合金與18-8型不銹鋼可達200300MPa。由于鋁與鋼的塑性差別很大，采用楔焊法焊接效果很好?？砂演^硬的鋼母材加工成尖銳的楔形，焊接時用強大的壓力把它壓人較軟的鋁母材之中而實現(xiàn)連接，原理見圖2-4-4。鋁與鋼楔焊可在共晶溫度以上進行，也可在共晶溫度以下進行。圖2-4-4異種金屬的楔焊原理

42、1鋼件2鋁件 3焊接接頭4特制模具 5支座例如：采用楔焊法焊接18-8鋼與LF6合金。在溫度為520570時加壓，使鋼母材金屬尖銳的楔形壓人鋁合金母材金屬之中，產(chǎn)生塑性變形，使接觸面的氧化膜破碎而擠出，從而形成具有很高強度的楔形接頭。楔焊的工藝：焊前可在鋼母材金屬接頭表面上電鍍一層銅。將它們加熱到600654，壓入鋁母材金屬，則鋁與銅產(chǎn)生共晶體而形成焊接接頭?？稍阡撃覆慕饘偕想婂円粚鱼y，由于銀與銅相比不易氧化，因此焊接效果更佳。也可在鋼母材金屬上電鍍鋅，這樣也能獲得良好的焊接接頭。2)摩擦焊采用摩擦焊焊接鋁（或鋁合金）與鋼時。由于母材金屬不熔化，加熱范圍小，冷卻速度快，因而接頭結合處不發(fā)生變化

43、，容易獲得優(yōu)良的焊接接頭。摩擦焊接頭多為對接，且其中一個焊件須旋轉。連接面經(jīng)摩擦升溫可能形成金屬化合物，因此，摩擦焊時應盡可能縮短接頭加熱時間并施加較大的擠壓力，將可能形成的金屬間化合物擠出接頭區(qū)。但加熱時間也不可過短，以免塑性變形量不足而不能形成完全結合。摩擦焊的操作過程如下：徹底清除鋁與鋼接觸表面的氧化物。鋁與鋼的摩擦加熱過程開始時，在摩擦表面上相互作用著較大的摩擦壓力并且有很高的相對運動速度，因此摩擦表面金屬很快產(chǎn)生塑性變形。隨著摩擦時間的增加，摩擦表面達到全面接觸，溫度很快升高，接觸表面平整并產(chǎn)生黏結現(xiàn)象。摩擦過程中，異種金屬表面焊合后又被扭矩拉斷，高溫金屬質點在摩擦表面上互相過渡。當

44、溫度繼續(xù)升高時，摩擦所產(chǎn)生的熱量不斷向鋁和鋼的母材金屬傳導，對焊接很有利。在鋁與鋼的摩擦表面形成塑性狀態(tài)時，用較大的壓力進行頂鍛，擠出接頭中的氧化物，完成摩擦焊接過程。采用的摩擦焊機型號為TZH102 (30kW)。純鋁與鋼摩擦焊的焊接參數(shù)見表2-4-11。表2-4-11 純鋁與鋼(Q235)摩擦焊的焊接參數(shù)焊件直徑（mm）鉗口處伸出長度(mm)轉速(r/min)壓力(MPa)加熱時間(s)頂鍛量(mm)接頭彎曲角加熱頂鍛加熱總量301510005012041014180301675050504.5101518040207505050512131805026400501207lO1510018

45、03)真空擴散焊 鋁與鋼擴散焊時，為了防止產(chǎn)生金屬間化合物，最好加入鎳、銅等中間層。 擴散焊的工藝： 焊前準備 a.接頭形式多為對接、搭接和T形接頭。 b.焊件結合表面加工至粗糙度為Ra3.26.3m，以增加擴散焊時實際接觸面積?？刹捎冒刖?、磨削、精銑和拋光等方法進行加工。 c.被焊件表面要進行凈化處理。通常用乙醇、三氯乙烯、丙酮、洗滌劑等除油污，也可用超聲波凈化處理。 d.焊前在鋼表面用電鍍法加入鎳、銅中間層。 焊接主要工藝參數(shù) a.焊接溫度500550。 b.選擇合適的擴散焊溫度，是獲得優(yōu)質焊接接頭的重要保證。鋁與鋼的擴散溫度在一定范圍內，溫度越高，擴散過程越快，接頭強度也越高。通常選擇

46、擴散溫度為(0.60.8)Tm(K)（Tm為鋁母材金屬熔點）。 c.壓力為7.514MPa。 d.焊接時間（即擴散時間是指被焊工件在焊接溫度下保持的時間）520 min。擴散時間過短，接頭強度不穩(wěn)定；擴散時間過長，母材金屬晶粒長大，易形成脆性化合物接頭。 e.保護氣氛：，常用保護氣體是氨氣，真空度為(120)×lO-3Pa。 異種金屬真空擴散焊機如圖2-4-5所示。 (2)熔焊、 鋼與鋁及鋁合金在熔焊時必須加中間層，宜采用鎢極氬弧焊（熔焊-釬焊）。圖2-4-5異種金屬真空擴散焊機示意圖1油缸2真空室3高頻加熱線圈4鋼件5鋁件6真空抽氣系統(tǒng)7油池8高頻電源9加壓系統(tǒng) 焊接主要工藝要點如

47、下： 1)對接焊時，一般采用K形坡口，坡口開在鋼的一側，坡口角度為70°時，接頭強度最高。 2)坡口表面需徹底清理。 3)在鋼的坡口表面鍍上一層與鋁相匹配的第三種金屬作中間層：奧氏體不銹鋼表面最好鍍鋁。碳鋼及低合金鋼表面多為鍍鋅、銀等，但不宜鍍鋁，因鍍鋁過程中會產(chǎn)生金屬間化合物，從而排擠出碳，形成增碳層，嚴重降低接頭強度。 若在鋼的表面先鍍一層銅或鎳，然后再鍍鋅，獲得復合鍍層如Cu-Zn (46m+ 30 40m)或Ni-Zn (56m+3040m)效果更好，能使金屬間化合物層的厚度減小，硬度降低，接頭強度提高。 4)用交流電源。 5)鎢極直徑為25mm。 6)采用含少量硅的純鋁焊絲

48、，可以較穩(wěn)定地形成優(yōu)質接頭，這類焊接接頭的拉伸強度和疲勞強度都可達到與鋁母材相當?shù)乃?。不宜使用鋁-鎂焊絲，因為鎂不溶于鐵，鎂的晶格與鐵結合力很弱，而且鎂還強烈促使金屬間化合物增長，這些都會降低接頭的強度。 7)焊接電流可根據(jù)金屬厚度按表2-4-12選擇。 8)操作電弧與焊絲，使鋁為熔焊，而鋼為釬焊。焊接時先將電弧指向鋁焊絲，待開始移動進行焊接時則指向焊絲和已形成的焊道表面，這樣能保護鍍層不致被破壞，使熔化的鋁漫流封已鍍層的鋼表面上去。表2-4-12 鋼與鋁鎢極氬弧的焊接電流母材厚度 （mm）368910焊接電流 (A)110130130160180200另一種方法則是使電弧沿鋁側表面移動而鋁

49、焊絲沿鋼側移動；使液態(tài)鋁流到鋼的坡口表面，注意保護坡口上的鍍層，不要使其過早燒失而失去作用。 實例：圖2-4-6所示為某產(chǎn)品的鋁管與鋼管的焊接接頭。 圖2-4-6鋁與鋼產(chǎn)品的焊接接頭a)坡口及焊接順序矗）車削后的焊接接頭1鋁 2外側焊接順序 3鋼 4內側焊接順序 5焊縫主要特點：鋁管壁厚比鋼管壁厚大1倍。鋁管外徑比鋼管外徑大，410 mm。鋁管內徑比鋼管內徑小410 mm。要求焊接接頭高強度并具有高氣密性。焊接操作技術：接頭開X形坡口，鋼管坡口為70°；鋁管坡口為40°。將鋼管進行機械清理。對鋼管坡口鍍過渡層。對鋁管進行脫脂、酸洗及鈍化處理。采用NSA-500-1型氬弧焊機

50、焊接。將鋁與鋼接頭進行定位，并裝配，接頭間隙為1.52 mm。將鋁管預熱到100200，然后用氬弧焊進行多道焊。釷鎢極直徑為3.2mm，焊絲直徑為2mm。焊接時按圖2-4-6所示先進行內側焊接，焊接電流為45 A，隨后進行外側順序焊接，焊接電流為6070A。接頭內外表面焊完之后，要進行質量檢驗，發(fā)現(xiàn)焊接缺陷及時返修。最后將焊接接頭在車床上進行車削加工，以保證焊接接頭的表面質量。(3)釬焊 形成脆性金屬間化合物Fe3Al是影響鋁與不銹鋼釬焊的主要因素，會直接導致釬焊性變差。因此，應采取措施盡量防止鐵與鋁原子的相互擴散。過渡層（鎳層）釬焊法能較好地解決鋁和不銹鋼釬焊中遇到的脆性化合物和釬料不易鋪展

51、的問題。鎳層具有阻擋作用：一方面阻擋了鋁穿過鎳層向不銹鋼層擴散；另一方面也阻擋了鐵原子穿過鎳層向鋁基體擴散，從而避免了鋁-鐵脆性化合物的形成，這是鎳層的最主要的作用，也是與直接釬焊相比最突出的優(yōu)點。鎳層還可避免釬料的腐蝕性并提高釬縫的塑性。實例：某大學研究人員采用電刷鍍鎳-銅-鎳過渡層的方法進行鋁與不銹鋼的釬焊工藝試驗，較好地實現(xiàn)了兩者的連接。鎳層在整個接頭中起到了關鍵的作用：鎳層起到阻擋作用。鎳與銅和鋁原子在邊界部位都有相互擴散，鎳層與不銹鋼基體和釬料有較強的結合力。鎳、銅是面心立方結構，具有較高的致密度，所以鋁與不銹鋼的原子在鎳層里擴散困難。1)設備及材料設備SXZ-10 -12型箱式電阻爐，STD-200-C數(shù)控鍍電源及附件。材料30 mm×20 mm×3mm的5A03（LF3）鋁片，30 mm×20 mm×1.5mm的0Crl8Ni9不銹鋼片。釬料成分及熔點見表2-4-13。如果直接進行鋁與不銹鋼的釬焊或選用鋁-硫共晶釬料釬焊，會生成大量的脆性金屬間化合物，且由于兩母材的線膨脹系數(shù)相差較大，易發(fā)生斷裂。因此，應在鋁-硫共晶釬料的基礎上加入少量的銅以增加釬縫的塑性。釬焊溫度越高