锌对铜铝异种金属搅拌摩擦焊接头组织性能的影响

锌对铜/铝异种金属搅拌摩擦焊接头组织性能的影响

1 选题的依据及意义

随着经济技术和现代科学技术的发展，建造各种工程结构不仅需要对大量的同种金属材料进行焊接，也需要对异种金属材料进行焊接。铝、铜因其良好的电传导、热传导、抗腐蚀和力学性能，被广泛用作工程材料[1]。由于铜的密度为8.949g/cm3,熔点1083℃,导电、导热性能好,仅次于银,又便于冷热加工, 在社会和科学发展的过程中, 铜被使用的领域越来越广泛。铜在地球上已被大量的开发,而在地壳中铜的藏量仅为0.01%左右。铝在地壳中的蕴藏量为8.8%, 约是铜的含量的88倍, 且具有优良的导电性, 其导电率为铜的60～65%, 密度约2.78g/cm3, 只有铜的1/3, 在电阻相同时,铝线比铜线轻。铜铝异种金属接头具有良好的力学性能和导电性能，而且用铝代替部分铜又可以降低工件的成本和减轻工件质量，因而铜和铝焊接技术在国民经济的发展中具有广阔的发展前景。

铝、铜的物理、化学性能差异较大，实现高质量的焊接具有一定难度。铝/铜熔焊接头易产生应力、裂纹以及硬脆的金属间化合物等问题；钎焊则需要严格确定钎料成分和钎焊工艺；压焊也会由于金属间化合物的生成使接头性能降低[2]。

搅拌摩擦焊(FSW)是一种固相连接方法，具有优质、高效、无污染、焊接变形小等特点，在异种材料连接方面有独特优势[3]。焊接过程中金属不发生熔化．从而能够避免产生气孔、裂纹等缺陷；通过调节焊接参数。可以减少焊缝中金属间化合物的数量，获得连续、致密的接头组织。目前国内外对铝铜搅拌摩擦焊有一定的研究，主要集中在薄板（5mm以下）上且取得了一定的效果。但在5mm以上纯铜纯铝搅拌摩擦焊上还是一片空白，很难得到满足使用要求的接头。本课题通过对5mm铜铝搅拌摩擦焊接头中加锌来研究其接头性能。因此，研究锌对铜/铝搅拌摩擦焊接头的组织结构和性能，对于确定最佳的焊接工艺，获得可靠的、优质的焊接接头具有十分重要的意义。

2 国内外研究概况及发展趋势

2.1 铜/铝异种材料焊接特点

铜与铝之间焊接时，由于铜、铝材料自身的强烈氧化性，使得焊接比较困难。铝无论固态或液态都极易氧化，形成熔点高达2050℃的Al2O3氧化膜，铜与氧以及S、Bi、Pb 等杂质易形成多种低熔点共晶，铜/铝之间易形成脆性金属间化合物，降低接头的力学性能。

另外，由于铜、铝物理性能参数差异较大[4]，给铜/铝焊接带来较大困难。铜与铝的热导率、比热及熔化热高，焊接时必须采用强大的热源，并且两种金属熔点相差很远，要使它们均匀地受热和熔化是比较困难的。两种金属的密度相差悬殊，也影响焊缝金属的均匀混合[5]。铝、铜的线膨胀系数差异较大，受热时变形不一致容易产生裂纹[6]。在高温时,铝和铜的液体能够溶解和吸收大量的气体(如氢)，冷却时，氢在铝和铜液中的溶解度迅速下降，来不及溢出的氢容易在焊缝中形成气孔[7]。

2.2 铜/铝常规焊接方法

采用常规方法虽可解决异种金属的焊接问题，然而铝、铜的物理、化学性能差异较大，实现高质量的焊接具有一定难度，为了获得无缺陷接头，国内外学者采用了不同焊接方法对铜/铝进行连接。

2.2.1 铜/铝激光焊

铜/铝熔焊过程极易产生脆性金属间化合物，接头的强度随着金属间化合物的增加而降低，必须将焊缝中金属间化合物脆性层控制在1μm以下，且焊缝中Cu 质量分数在12%～13%以下时才具有最佳综合性能。Mai 等人[8]采用激光焊成功地对1mm厚的铜和铝进行了焊接。研究表明，由于激光输入能量的可控性以及能量的高密度性，激光焊能够实现对能量分布的控制，极大减小连接金属间的相互作用，避免脆性金属间化合物的产生，使异种金属的焊接能够得到满意的接头。

2.2.2 铜/铝钎焊

杨瑞鹏等人[9]对铜铝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[10]采用改进CsF-AlF3 中温无腐蚀钎剂配合中温钎料，利用火焰钎焊实现Cu/Al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。Xia Chunzhi 等人[11]采用Al-Si 钎料进行了铝1035/ 铜T2 的真空钎焊，研究表明铜/铝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。闫飞，徐道荣等人[12]对铜铝异种金属钎焊问题及对策进行了研究，结果表明：铜铝异种金属钎焊过程中出现的缺陷有，在焊缝中生成金属间化合物(脆性相)，母材溶蚀，钎

缝腐蚀，钎缝不连续，钎缝氧化等。针对钎焊过程中出现的缺陷，主要从工艺参数方面采取有效措施予以解决，如选用与母材匹配的钎料，制定合理的钎焊温度和冷却速率，适当的保温时间。零件在装配时设计合理的钎缝间隙和接头形式。焊后及时清理残留在焊缝的渣质。

2.2.3 铜/铝其他焊接方法

铜/铝爆炸焊接已经较多的应用到生产和科学技术中。BehcetGulenc 等人[13]研究了2mm 厚铜/铝板的爆炸焊接，研究表明随着爆速的增加，接触面的强度提高，所得铜/铝接触面在弯曲实验中没有一例发生破坏，满足强度要求。

赵越等人[14]发明的“制冷系统用铜铝组合管路及其制备方法”荣获第十届中国专利金奖，是中国焊接领域第一个中国专利金奖，利用电阻压力焊接方法成功解决了1mm以下“薄壁铜铝管规模焊接”这一世界性难题。产品现已在多家企业实现批量供货。产品性能指标不低于全铜连接管，实现了产品性能不降低的铜替代。

可见，与熔化焊和钎焊相比采用固态焊接方法具有明显的优势。目前，铜/铝搅拌摩擦焊的研究还处于初步阶段，探索铜-铝的搅拌摩擦焊工艺为我国从事搅拌摩擦焊技术的科研人员提供了一种新的机遇。

2.3 铜/铝异种金属搅拌摩擦焊

2.3.1 搅拌摩擦焊原理

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding , 简称FSW)是英国焊接研究所TWI (The Welding Institute)于1991 年发明的一种用于低熔点合金焊接的固态连接技术，其基本原理如图1-1 所示，它是利用一种特殊形式的搅拌头插入工件的待焊部位，利用搅拌头与工件间的搅拌摩擦热使该部位金属处于热塑性状态并在搅拌头的压力作用下从其搅拌头的前沿向后沿塑性流动，且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，使待焊件压焊为一个整体[15]

。在焊接过程中，将轴肩旋转的切线方向与焊接方向相同的一边定义为前进边

图1-1搅拌摩擦焊工作示意图