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Cu/Al异种金属连接的研究现状
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:3/7/2008 阅读:11522

 

 

 

 

Cu/Al异种金属连接的研究现状

 

 

山东大学  材料液态结构及遗传性教育部重点实验室(济南市  250061

 

夏春智  李亚江   

 

 

摘要:异种金属接头由于具有优良的性能,因而在许多领域得到广泛的应用,也使得异种金属连接成为当今研究的热点,但铜铝焊接时脆性相的生成,使得铜铝接头的性能很难保证。概述了近年来国内外铜铝异种金属焊接技术的研究现状,针对钎焊和摩擦焊技术做了重点介绍,分析了当前铜铝连接存在的主要困难,对于推动Cu/Al异种金属接头的研究及应用具有重要意义。

 

关键词:CU/Al异种金属  摩擦焊  钎焊  金属间化合物

中图分类号:TG457.1

 

O   

现代机器制造业最迫切的问题之一,是在提高结构和设备工作技术性能和可靠性的同时,降低金属消耗量1。由于铝合金具有密度低、强度高、耐腐蚀、热导和电导率高以及加工性能好等优良品质而发展迅速,已广泛应用于国民经济各领域及国防建设中,用量仅次于钢铁材料,成为第二大金属材料。铜及其合金具有优良的导电、电热性能、耐腐蚀和良好的加工成形性能,也获得了广泛的应用23。但铜为稀缺金属,属于战略资源,国内每年需要进口大量铜材4。通常零部件仅有一部分结构经受特定的负荷、温度和介质的作用,因此将铜、铝及其合金连接形成复合结构,不但能减轻构件的重量、节约材料,而且能发挥各自的性能优势5

近年来,国内外研究者从工艺参数制定、焊后结合界面组织、接头使用性能评定等方面对铜铝焊接做了大量研究,各种先进的连接方法得以采用;对于铜铝焊接接头的推广应用,以及铜铝异种金属连接理论的研究具有重要的意义6

1  研究现状

1.1  铜铝钎焊

近年来随着钎焊技术发展,异种材料钎焊特别是铜与铝及铝合金钎焊成为研究的热点。

1.1.1  有钎剂钎焊

孙德超等人7分析了铜铝直接钎焊的可行性,从钎料、钎剂和钎焊工艺参数等方面对铜铝直接钎焊进行了研究。研究结果表明: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,调整钎缝间隙及基体表面粗糙度,进行焊后处理,可以获得具有一定强度的铜铝钎焊接头:Zn40Sn2CuZn55Sn2.5Si2.5Ag钎料与Al反应钎剂匹配可取得钎焊铜铝较理想的结果。

南京航空航天大学薛松柏8采用火焰钎焊技术,实现了铜铝管的中温钎焊连接;采用改良的无腐蚀钎剂和中温钎料很大程度上减少了金属化合物的生成。苏文英等人9对铜铝火焰钎焊材料进行了研究。但由于火焰钎焊使用钎剂,需焊后清理,且火焰钎焊操作技术很难掌握,因此难以保证接头质量。

山东大学邹增大等人10对冰箱制冷系统铜铝管连接的研究表明:采用锌镉钎料配合溴化物钎剂,以及采用铝基钎料配合氟化物钎剂,能获得成形良好的接头。但焊缝中有脆性组织和气孔产生,合理控制能够满足产品的强度和耐蚀性要求;采用NOCOLOK钎剂感应钎焊方法,焊缝中没有气孔,由一层极薄的脆性组织组成。锌镉钎料接头的耐蚀性符合产品要求,工艺成本低,但钎料含镉,环保性差。

1.1.2  无钎剂钎焊

使用钎剂的钎焊,焊后需要清理焊剂残渣,消耗大量淡水,会不可避免地带来环境污染问题。残留钎剂的腐蚀及污染问题的存在促使人们对无钎剂钎焊技术进行了大量研究。无钎剂钎焊一般在保护气氛或真空状态下进行。真空状态有利于铝表面氧化膜的去除11

哈尔滨工业大学的钱乙余等人对Cu/Al接触反应及其液相行为的研究12表明,在接触反应中Cu/Al共晶液相的行为包括:一方面液相沿Al基体表面优先反应铺展;另一方面在基体深度方向上也有明显的晶间渗透作用。同时为确定Al/Cu/Al接触反应钎焊工艺参数,研究了工艺参数对接触反应中共晶液相铺展行为的影响,结果表明,570580的反应温度和15min的保温时间是Cu/Al接触反应钎焊比较适合的工艺参数。

日本广岛大学小山等人13采用Al-SiMgBi钎料真空钎焊Cu/Al接头的研究表明:合适的钎焊温度为520540℃,接头区有CuAl2Cu3Al2两种金属间化合物生成。断裂破坏发生在金属间化合物处,70%发生在CuAl2相上,接头强度主要由生成的金属间化合物类型决定,焊接条件影响较小。

山东大学李亚江课题组14主要对Cu/Al异种金属进行了真空钎焊工艺及接头组织性能研究,试验结果表明,通过严格控制加热温度、保温时间和真空度可以获得界面结合紧密的Cu/Al异种金属接头,接头界面区主要由铜侧过渡区、钎缝和铝侧过渡区组成,有少量金属间化合物生成,这些金属间化合物对于接头的性能有重要影响。

1.2  铜铝摩擦焊

铜与铝都具有良好的塑性是采用压焊的有利条件。铜铝异种金属接头大多采用摩擦焊、闪光焊、超声波焊、真空扩散焊等方法1519,摩擦焊是焊接铜铝时较常用的一种压焊方法。摩擦焊是在材料的塑性变形与流动的基础上,通过界面上的扩散与再结晶冶金反应实现连接的固态焊接方法,异种材料熔点差异的影响较小,因此可以用于焊接异种金属。

Won-Bao Lee等人20采用传统摩擦焊方法实现了纯铜与1050铝合金的焊接。并进一步分析了退火后处理条件下,接头中铜铝金属间化合物的生长规律对接头电阻率及力学性能的影响。研究发现,金属间化合物宽度为21μm时,其电阻率为45μΩ·cm,当金属间化合物的宽度增加至107.5μm时,电阻率变为85μΩ·cm。抗拉强度因金属间化合物的增长而降低,断裂位置也从Al侧热影响区变为整个金属间化合物层。

Jiahu Ouyang等人21采用搅拌摩擦焊(FSW)方法对铜与6061铝合金对接接头的研究表明:焊后接头的机械混合区主要由CuAl2CuAlCu9Al4组成。该区域的显微硬度变化范围为136760HV0.2。因为脆性金属间化合物生成,直接的搅拌摩擦焊焊接铜铝有一定困难。

南昌航空工业学院柯黎明等人22也采用搅拌摩擦焊(FSW)对工业纯铜T1与防锈铝LF6对接接头的研究表明:搅拌头旋转速度与焊接速度的比值是保证接头致密性和决定接头组织、性能的关键因素。板材厚度较小时,形成良好焊缝的工艺参数范围较宽,焊接过程中接头内部发生了剧烈的塑性流动。

与传统焊接方法不同,M.Abbasi等人23〕采用冷轧焊方法实现了Cu/Al/Cu三层板的焊接,并将焊后接头中的金属间化合物宽度与同条件下的Cu/Al摩擦焊进行比较。研究表明:冷轧焊条件下金属间化合物的生长低于摩擦焊条件下金属间化合物的生长。因此冷轧焊在Cu/Al复合板材料的生产时,具有很大的优越性。

1.3  其他铜铝焊接方法

铜与铝熔焊时,由于两种金属性能不同(特别是熔点相差424℃,线膨胀系数相差40%以上)以及在焊缝区形成脆性金属间化合物,直接熔焊时无法获得塑性接头。前苏联的里亚博夫1介绍采用铜侧开坡口、自动埋弧焊以及非熔化极氩弧焊的方法实现铜铝对接焊,但焊缝强度和塑性较低。采用预先在铜表面镀覆合金(AgZnSnNi等金属)的办法获得了具有一定力学性能的焊接接头。镀锌时,镀层厚度约60μm,铜侧开坡口75º,得到了较好效果。镀层的应用减少了金属间夹层的厚度,从而改善了焊接接头性能。但由于镀层金属价格较高,且镀覆合金工艺增加制造成本,使得这一方法的应用受到限制。

新加坡制造技术研究所的T.A.MaiA.C.Spowage采用激光焊对CuAl4047的焊接研究2表明:降低熔化速度(<100mm/s)是避免Cu/Al金属焊接缺陷的重要措施,Cu/Al接头熔合区的显微硬度明显偏高,表明熔合区主要为脆性金属间化合物组成。激光焊能严格控制能量输入、焊接热影响区小,并且具有冷却凝固速度大的优点,能减少脆性金属间化合物的生成,对异种金属材料的焊接十分有利。然而,激光焊接过程中大的温度梯度,易形成较高的残余应力,影响接头的力学性能。

山东大学的李亚江课题组24采用真空扩散焊工艺方法,对Cu/Al扩散焊接头的组织性能进行的试验研究表明:采用真空扩散焊工艺,在加热温度520540℃,保温时间60min,压力11.5MPa时,在Cu/Al界面处形成明显的扩散过渡区,扩散区域宽约40μm。在铜侧过渡区中产生金属间化合物,出现显微硬度高峰区,控制Al的扩散浓度可避免或减少界面处金属间化合物的产生。

北京航空航天大学孟胶东等人25也采用真空扩散焊方法对纯铜与铝及铝合金的焊接进行了研究。表明:最佳工艺参数为加热温度530540℃,时间10min,压力11.5MPa。接头区形成良好的扩散连接,有脆性相Cu3AlCuAl生成,表面镀Ni时能明显减少金属间化合物生成。

上述研究结果表明,无论采用哪种焊接方法,Cu/Al异种金属焊接接头区均有脆性铜铝金属间化合物生成。这对于提高Cu/Al异种金属接头的力学及导电性能都十分不利,M.Braunovie26等人的研究表明,当金属间化合物的总厚度小于2μm时,Cu/Al异种金属接头的性能才不受影响。因此,今后的研究重点仍为选择合适的焊接材料及焊接方法,尽量减少金属间化合物的生成,提高Cu/Al接头的性能。

2  应用前景

随着异种金属连接技术的进步,铜铝异种金属接头将得到越来越广泛的应用。例如,在制造电机、变压器的导电零部件、大容量发电机组的母线、化工容器和其他产品时,都必须采用铜与铝的焊接;电力工业中以铜为铝制品的端头,可以避免铝接头由于表面氧化膜的电阻率大和铝的蠕变行为,产生冒烟、放爆现象,造成事故7

由于铜和铜器的熔点、熔化潜热和线膨胀系数不同,以及铜、铝金属能反应形成硬脆且电阻极大的金属间化合物27,不但影响接头的使用性能,而且易导致热裂纹24,使得铜铝金属接头的制作困难,因此,解决Cu/Al异种金属的焊接难题已成为国内外众多研究者关注的热点。有统计数据显示4,铜铝异种金属接头在21世纪的应用,将占到常用异种金属接头组合形式的5.8%。因此采用不同的焊接工艺对Cu/Al异种金属进行焊接,深入研究Cu/Al接头的组织及使用性能,将对Cu/Al接头的推广应用及异种金属连接的基础理论研究具有十分重要的意义。

3  结束语

近年来,国内外对于铜铝连接进行了大量的研究,采用了多种连接方法,其中钎焊和摩擦焊发展较快,并在实际生产中得到成功应用。目前的研究中铜铝结合区易形成脆硬的铜铝金属间化合物,会严重降低接头的性能,因此基于降低金属间化合物影响的焊接工艺方法的选用,将会成为今后Cu/Al焊接研究的重点。进一步开展铜铝的焊接工艺和基础理论研究,对于推动Cu/Al异种金属接头的应用具有重要意义。

 

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