铜与铝钢异种金属焊接工艺设计.docx
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铜与铝钢异种金属焊接工艺设计
河南机电高等专科学校
毕业论文
毕业论文题目:
铜与铝/钢异种金属焊接工艺设计
系部材料工程系
专业焊接技术及自动化
班级焊接123班
学生姓名
学号1213033
指导教师周慧琳
2015年4月29日
铜与铝/钢异种金属焊接工艺设计
摘要
近年来,随着生活水平的不断提高,人类生活的各个方面已经越来越离不开电冰箱和空调器等制冷设备的使用。
制冷设备中,换热器的性能直接影响设备的制冷性能。
国内外制冷设备管路系统中的蒸发器和冷凝器采用铝管代替铜管己成趋势。
但铜管在一些制冷管路构件中仍是不可替代的,近年来铜价攀升和铜资源的短缺,然而铝/钢的资源较丰富,可以成为铜的很好的替代材料。
因此必然带来铜铝/钢管连接问题。
而铜与铝/钢性能差异较大,焊接时存在多种问题。
铜铝/钢属于异种金属,焊接过程中易形成脆性相,影响接头性能。
因此,焊接问题成为阻碍铜铝/钢管应用的一个很大问题。
本文通过分析异种合金的物理、化学性能差异,了解了异种合金焊接性特点以及容易出现的焊接缺陷,列举和介绍了常用的几种铜与铝焊接方法的基本原理和焊接规范。
本文对于铜与钢的焊接做出了新的焊接工艺设计,通过用激光对铜钢接头进行焊接,缩短了焊接时间,优化了焊接性能,使焊接热输入量更加容易且精准的控制,能够更易得到较好的接头。
关键词:
Cu/Al管;Cu/Fe管,电阻压焊;钎焊,激光焊
铜与铝/钢异种金属焊接工艺设计
Abstract
Inrecentyears,withthecontinuousimprovementoflivingstandards,everyaspectofhumanlifehasbeenmoreandmoreusedwithoutrefrigerationequipment,refrigeratorsandairconditionersandothermoreaway.Refrigerationequipment,refrigerationperformanceoftheheatexchangerperformancedirectlyinfluencetheequipment.
Theevaporatorandcondensercoolingequipmentinthepipelinesystemathomeandabroadbyusingaluminuminsteadofcopperhasbecomeatrend.Butthecopperinsomerefrigerationpipingcomponentsisstillirreplaceableinrecentyears,theshortageofcopperpricesroseandcopperresources,however,aluminum/steelresourcesareabundant,canbeagoodsubstitutematerialofcopper.Soitwillinevitablybringaboutthecopperandaluminum/steelconnectionproblems.
Copperandaluminum/steelperformancedifferences,therearemanyproblemsinwelding.Aluminum/steeldissimilarmetalbelongsto,easytoformbrittlephasesintheprocessofwelding,influenceofjointperformance.Therefore,theweldingproblembecomeabigproblemofaluminum/steel.
Inthispaper,throughphysical,chemicalpropertiesanalysisofthedifferenceofdissimilaralloys,andeasytounderstandtheweldingdefectsdissimilaralloyweldingcharacteristics,thebasicprincipleandseveralcommonlyusedarecopperandaluminumintroducedweldingmethodandweldingspecification.
Inthispaper,theweldingofcopperandsteelmakingprocessdesignofnewwelding,thejointofsteelandcopperbylaserwelding,shortenthetimeofwelding,theweldingperformanceoptimization,thecontrolofweldingheatinputismoreeasilyandaccurately,canmoreeasilygetgoodjoint.
Keywords:
Cu/Al;Cu/Fepipe,electricresistancepressurewelding;brazing,laserwelding
1绪论
随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高,近年来我国制冷行业得到了迅速发展,空调器、冰箱以及其它制冷产品的需求量越来越大,产量逐年增加。
这一点从表1-1列出的我国近几年来家用电冰箱和空调器的总产量可以看出。
目前,从生产能力看,中国已成为世界空调器第一大产出国。
各种制冷设备不仅给人们生活带来便利,在化工、医疗、食品及科研等许多方面也离不开它们的身影。
表1-1我国家用电冰箱和房间用空调器近几年的总产量(单位:
万台)
年份
电冰箱产量
比上年增加
房间空调器产量
比上年增加
2009
5584.9
—
8153.27
—
2010
7055.2
26.30%
10287.8
20.70%
2011
8699
20.33%
13745
24.59%
2012
8427.05
-3.14%
12650
-7.95%
2013
9340.6
10.60%
14332.9
11.6
制冷设备中比较有代表性的就是电冰箱与空调器,以此为例说明制冷设备的基本结构。
电冰箱应具备制冷、保温、控温三项基本功能,因此所有的冰箱在整体结构上都具有与之相应的三个组成部分,即制冷系统、电器控制系统、箱体及隔热保温系统。
空调器与电冰箱相似,主要由制冷系统、空气循环系统、电控系统以及箱体组成。
制冷系统是制冷设备的最重要组成部分,除了包括压缩机和节流机构外,主要是一些换热设备,如蒸发器、冷凝器和回热器等。
这些换热设备统称为制冷换热器。
在制冷系统中,换热器的性能直接影响设备的制冷性能。
与压缩机相比,制冷换热器的金属消耗量大,体积大,它的重量要占整个设备重量的50%~70%,它所占据的空间直接影响设备的体积大小。
所以,设计结构紧凑、传热性能良好的换热器对于减轻整个装置的重量和体积具有现实意义。
在性能方面铝的导热率接近铜,实验证明铝代铜作制冷管路可以满足制冷性能的要求。
而且铝的导热率比铜小(铝2.34、铜3.97,单位:
W/cm℃),铝代铜可以减少温度的散失,提高保温效果,更易达到节能的目的。
从材料性能上看,铝管的韧性高,比铜管更易弯曲,便于安装。
而且铝的比重小,可以减轻机械构件的质量,铝的市场价格也比铜低,所以用铝代铜不仅可以明显地降低制冷设备的制造成本,而且不降低冰箱性能,同时还可以减少由于铜管而带来的蚁巢腐蚀问题,因此铝代铜已成为一种趋势。
在成本方面,全铝代铜是一个很好的方案,但它本身存在很多的局限性。
一方面铜管在一些制冷管路构件中仍是不可替代的,如干燥过滤管、毛细管、压缩机三管等,还是要采用铜管制作;另一方面制冷管路系统由许多部件组成,有许多接头需要连接,而铝管手工钎焊技术难度较大,全部采用铝管,不单是售后维修人员无法完成故障件的维修,即便是冰箱总装生产线,也不容易实现优质高效的焊接生产。
另外,一些制冷产品的管接头是靠机械密封完成的,如分体空调器内外机连机管就是螺帽压紧实现密封,显然采用铜管的机械密封性能也优于铝管的机械密封性能。
这样,在制冷管路中又有铝管又有铜管,必然带来铜、铝的连接问题。
2异种金属焊接性
制冷管路的质量要求很高,而铜铝/钢焊接存在很多困难,导致目前正在采用的铜铝/钢管接头很多不符合制冷系统的致密性和洁净度要求。
铜铝/钢焊接属于异种金属焊接,比同种金属焊接要困难得多。
所谓焊接性就是指金属材料对焊接加工的适应性和焊后使用时安全可靠运行的能力,也就是指在一定的焊接工艺条件下,金属材料获得优质焊接接头的难易程度。
理想的焊接性就是对材料的冷、热裂纹,再热裂纹和氢诱裂纹均不敏感,在热影响区无脆化问题。
金属焊接性具体含义包括两个方面内容:
第一是接合性能。
接合性能是指金属材料在给定的焊接工艺条件下,形成完整焊接接头的能力。
焊接生产中,常用接合性能评定焊接接头缺陷的敏感性,以便提出防止焊接缺陷的措施。
第二是使用性能。
使用性能是指金属材料在焊接以后,接头在长期使用条件下适用使用要求的程度。
焊接生产中,常用使用性能评定焊接接头能否满足技术条件的要求,以便提出改进技术条件的方案。
2.1异种金属性能差异及影响
异种金属在给定的焊接工艺条件下,能否形成优质焊接接头主要取决于被焊金属的物理性能、结晶化学性能的差异和材料的表面状态。
2.1.1物理性能的差异
两种材料物理性能的差异主要是指熔化温度、线膨胀系数、热导率和比电阻等的差异,将影响焊接的热循环过程、结晶条件,降低焊接接头的质量。
当异种材料热物理的较大差异会使熔化情况不一致时,就会给焊接造成困难;线膨胀系数相差较大时,会造成接头较大的焊接残余应力和变形,易使焊缝及热影响区产生裂纹。
异种材料电磁性相差较大时,则使焊接电弧不稳定,焊缝成形不好甚至形成不了焊缝。
2.1.2结晶化学性能的差异
结晶化学性能的差异主要是指晶格的类型、晶格常数、原子半径、原子的外层电子结构等的差异,也就是通常所说的“冶金学上的不相容性”。
两种被焊金属在冶金学上是否相容,取决于它们在液态和固态时的互溶性以及这两种材料在焊接过程中是否产生金属间化合物(脆性相)。
在液态下两种互不相溶的金属或合金一般不能用熔化焊的方法进行焊接,如铁与铅、铅与铜等。
因为这类异种材料组合从熔化到冷凝过程中极易分层脱离而使焊接失败。
只能在液态和固态下都具有良好互溶性的异种金属或合金,才能在熔焊时形成良好的焊接接头。
一般说来,当两种金属的晶格类型相同,晶格常数、原子半径不超过10%~15%,电化学性能的差异不太大时,溶质原子能够连续固溶于溶剂,形成连续固溶体;否则易形成金属间化合物,使焊缝性能大幅度降低。
研究表明能够形成连续固溶体的异种材料具有良好的焊接性。
焊接互溶性有限的两种金属或合金时,能否防止裂纹的产生主要取决于结晶条件。
材料的相变性质以及受力状态。
因此,当采用的冶金措施和焊接工艺尚不足以克服因互溶性差造成的焊接困难时,就会影响这两种材料的焊接性。
有限的溶解度有时会形成金属间化合物或使过饱和固溶体的剩余成分析出,从而降低接头的性能。
为了改善异种材料的焊接性,对不能形成无限固溶体的异种金属和合金,可在两种被焊材料之间加入过渡层合金,所选择的过渡层合金应该满足与两种被焊金属均能形成无限固溶体的要求。
2.1.3材料的表面状态
材料的表面状态是很复杂的,表面氧化层(氧化膜)、结晶表面层吸附的氧离子和空气分子水油污杂质等状态,都直接影响异种材料的焊接性,必须给予充分的重视。
在生产实践中,往往由于表面氧化膜和其他吸附物的存在给焊接带来极大的困难。
此外,焊接异种材料时,必定会产生一层成分组织及性能与母材不同的过渡层,过渡层的性能会给焊接接头的整体性能带来重大的影响,处理好异种材料焊接的过渡层对于获得满意的焊接质量至关重要。
过大的熔合比,会增加焊缝金属的稀释率,使过渡层更为明显;焊缝金属与母材的化学成分相差越大,熔池内金属越不容易混合,过渡层越明显;熔池内金属液态存在的时间越长,越容易混合均匀。
所以,焊接异种材料时需要采取相应的工艺措施来控制过渡层,以保证接头的性能。
2.2影响异种金属焊接的主要因素
(l)异种金属的熔点相差越大,越难进行焊接。
焊接熔点相差很大的异种金属,由于熔点低的金属达到熔化状态时,熔点高的金属仍呈固态,因此已熔化的金属容易渗入过热区的晶界,使过热区的组织性能降低。
当熔点高的金属熔化时,势必造成熔点低的金属流失,合金元素的烧损和蒸发。
因此,焊接接头难以焊合。
铝的熔点比铜低400多度,易造成铝先熔化,液体铝流溢,铜不熔化。
(2)异种金属的线膨胀系数相差越大,越难进行焊接。
由于线膨胀系数越大,金属热膨胀率越大,冷却时的收缩率也越大;相反,则反之。
因此,在异种金属的熔池结晶时,会产生很大的热应力。
焊缝两侧金属承受的应力状态不同,容易使焊缝及热影响区产生裂纹,甚至导致焊缝与母材剥离。
目前,在生产中常用焊前将膨胀系数小的金属预热,或者加中间金属过渡接头的措施来克服这一困难。
铝的线膨胀系数比铜高约50%,所以焊接冷却时会产生很大的应力,导致上述现象的发生。
(3)异种金属的导热率和比热相差越大,越难进行焊接。
金属的热导率和比热能改变焊缝的温度场和结晶条件,并影响难熔金属的润湿性能。
此外,异种金属的导热率和比热相差越大,越易使焊缝的结晶条件变坏,晶粒粗化严重。
因此,对热导率和比热相差大的金属,应采用强力热源进行焊接,焊接时热源的位置应移向导热性好的母材一侧。
铝的热容量及熔化潜热大,熔化时所需的热量比铜多,因而要实现其间的焊接难度大。
(4)异种金属的电磁性相差越大,越难进行焊接。
电磁性相差越大,焊接电弧越不稳定,焊缝成形越容易变坏。
(5)异种金属的氧化性越强,越难进行焊接用熔焊法焊接铜与铝时,在熔池中极易形成铜和铝的氧化物(CuO、Cu2O、Al2O3)。
冷却结晶时存在于晶粒间晶界的氧化物能使晶间结合力降低。
而且,形成的Al2O3熔点高达2030℃,难以清除,形成Al2O3夹杂,影响接缝性能。
此外,CuO和Cu2O均能与铜形成低熔点共晶(Cu+CuO和Cu+Cu2O)。
这些低熔点共晶体存在于晶界上,能使焊缝产生夹杂和裂纹,显著降低焊缝强度和塑性。
(6)异种金属之间形成金属间化合物越多,越难进行焊接。
铜和铝在液态下可以无限互溶,而在固态下互溶度十分小。
铜与铝在高温下能形成多种金属间化合物,主要有Cu9Al4、Cu4Al3、Cu3Al2、CuAl2、CuAl等。
铜-铝二元系状态图见图3-1。
脆性的金属间化合物在中低温下具有高强度、低的延展性、室温塑性和易断裂性能,表现出强烈的应力集中倾向,其脆性断裂具有突变性和不可预测性,会导致迅速脆性断裂,尤其当化合物表现为连续性和层状时,这种脆性体现的尤为明显。
由于金属间化合物具有很大的脆性,因而金属间化合物的数量、形状和在焊缝中的分布状态,对焊接接头的性能均有很大影响。
金属间化合物越多,焊缝越容易产生裂纹,甚至会造成脆断。
(7)异种金属焊接时,焊缝和母材不易达到等强。
焊接异种金属时,通常采用强力热源,因此造成合金元素的烧损和蒸发,从而使焊缝的化学成分发生很大变化,组织性能显著降低,焊缝与母材达不到等强度。
尤其是焊接异种有色金属时更为明显。
此外,焊接时产生的烧穿、夹杂和焊缝形状尺寸不符合要求等缺陷也会影响焊缝与母材达到等强度。
3铜铝焊接性分析及常用焊接方法
3.1铜铝性能比较
在给定的焊接工艺条件下,能否形成优质的焊接接头。
这主要取决于被焊金属的物理性质、化学性质、化学成分和工艺措施。
而各种金属的物理、化学性质均有差异,这就决定了异种金属的焊接性。
金属的物理性能指标主要有密度、熔点、沸点、热导率及线膨胀系数等。
表3-1给出了铜铝异种金属的物理性能,从中可以看出铜铝各自的熔点、密度、线膨胀系数等物理性能相差很大。
金属的化学性能指标主要有金属的相对原子质量、原子半径、原子外层的电子数目、晶格类型、晶格常数等。
化学性能是判定两种材料能否稳定结合的重要依据。
表3-1铜与铝的物理性能
元素
密度
g·cm-3
熔点
℃
沸点
℃
比热容
J·kg-1·K-1
热导率
W·m-1·K-1
线膨胀系数
10-6·K-1
电阻系数
10-8Ω·m
铜
8.92
1084
2578
376.8
359.2
16.6
1.67
铝
2.7
660
2327
934.8
206.9
23.8
2.65
表3-2所示为铜和铝的主要化学性能指标。
金属的力学性能指标是设计计算、材料选用、工艺评定的主要依据。
异种材料焊接接头所形成的复合零部件能否满足工程上的使用要求,很大程度上也依赖于对焊接接头力学性能的评定。
表3-2铜与铝的化学性能
元素
原子
序数
相对原
子质量
原子半径r
10-10m
原子外层
电子数
晶格类型
晶格常数
10-10m
周期表
中位置
铜
29
63.54
1.28
1
面心立方
a=3.6147
IB
铝
13
26.98
1.43
1
面心立方
a=4.0496
IIIA
表3-3铜与铝的力学性能
元素
抗拉强度
MPa
屈服强度
Mpa
伸长率
%
硬度
HBS
弹性模量
GPa
铜
2.9
33.3
60
37
128
铝
40~50
15~20
50~70
20~35
62
3.2铜与铝焊接时存在的主要问题
3.2.1铜铝焊接时的氧化问题
铜和铝都是极易被氧化的活泼金属元素,在焊接过程中氧化十分激烈,能生成高熔点的氧化物,焊接时接头表面和熔池中都会发生如式(1-1),(1-2),(1-3)的反应,形成的氧化物难以去除。
在熔池结晶时,靠近铜一侧金属容易产生CuO和Cu2O,靠近铝一侧产生Al2O3,这些氧化物使铜与铝及填充材料不能很好地熔合,同时会形成很多共晶体分布于晶界,引起焊缝裂纹或脆断。
2Cu+O2=2CuO(1-1)
4Cu+O2=2Cu2O(1-2)
4Al+3O2=2Al2O3(1-3)
图3-1铜铝二元相图
3.2.2铜与铝的裂纹问题
由于氧化原因,在靠近铜母材的一侧焊缝金属中,很容易形成Cu+Cu2O共晶体,分布于晶界附近,使焊缝金属的脆性倾向增大,并易产生裂纹。
由于填充材料以及Cu、Al母材的影响,也可能产生三元共晶组织,易产生晶间裂纹;
铜的线膨胀系数比铝大0.5倍,故铜与铝的焊接接头很容易产生热应力,当应力值大于接头强度极限时就发生裂纹;
由于高温冶金反应,熔池中容易产生CO2、CO和H2等气体,结晶过程中会产生一定的压力,尤其是氢的析集产生的压力更大,使得焊缝产生裂纹。
3.2.3铜与铝的气孔问题
由于两种金属的导热性都比较好,焊接时熔池金属结晶快,高温时的冶金反应气体来不及逸出,进而产生气孔;
铜与铝在液态时,能强烈地溶解和吸收气体,如氢随着温度的上升而溶解度显著增大,当冷却时,氢的溶解度又显著下降,在700℃和1000℃会发生突变,过饱和的氢析出形成气泡外逸,而熔池结晶速度很快,气泡来不及全部浮出熔池表面,而在焊缝中形成气孔;
由于两种母材金属表面的氧化膜有吸附水,被焊接头清理不干净,存有油脂或杂质,填充材料潮湿,保护气体不纯及空气侵入焊接区等,也能使焊缝产生内部气孔和表面气孔。
气孔对焊接接头的强度以及耐蚀性影响都很大,所以焊前对焊接部位必须进行严格的清理,并且应该严格控制焊接线能量。
(4)铜与铝的合金元素烧损问题
在铜与铝的母材金属中,Al、Sn、Zn、及Pb等元素的熔点金属元素的熔点低于Cu。
而Mg、Zn和Mn等元素的熔点低于Al。
当焊接温度达到时两种母材金属都融化时,必然会产生低熔点合金元素的蒸发和烧损。
另外Zn极易蒸发,在空气中容易氧化成白色烟雾状的氧化锌(ZnO),Zn的蒸发不仅能使异质焊缝的力学性能和抗蚀性能降低,而且氧化锌烟雾能使焊接操作者产生严重的慢性中毒,所以焊接铜与铝时,必须制定特殊的焊接工艺,选择合适的填充材料和焊接方法,采取车间整体排风除尘和局部抽风等防护措施。
(5)杂质元素影响
如表3-4所示[16],在纯铜和纯铝中含有一些杂质元素。
在铜与铝的母材金属中,Al、Sn、Zn及Pb等元素的熔点低于Cu。
当焊接温度达到使Cu熔化时,必然会产生铜与氧以及Pb、Bi、S等杂质形成多种低熔点共晶组织,使异质焊缝的力学性能和抗蚀性能降低。
表3-4纯铜与纯铝的化学成分
金属
牌号
Cu
Al
杂质含量
Bi
Pb
S
P
O
Fe
Si
杂质总量
T1
99.95
—
0.002
0.005
0.005
0.020
0.020
—
—
0.05
T2
99.90
—
0.002
0.005
0.005
0.003
0.006
—
—
0.10
T3
99.70
—
0.002
0.010
0.010
0.100
0.100
—
—
0.30
L1
0.010
99.97
—
—
—
—
—
0.16
0.16
0.30
L2
0.010
99.60
—
—
—
—
—
0.25
0.20
0.40
L3
0.015
99.50
—
—
—
—
—
0.30
0.30
0.50
L4
0.050
99.30
—
—
—
—
—
0.30
0.35
0.60
L5
0.020
99.00
—
—
—
—
—
0.50
0.50
1.00
L6
0.100
98.80
—
—
—
—
—
0.50
0.55
1.20
3.3铜铝常用焊接方法
1.铜与铝的钎焊。
(1)钎焊的主要特点
1)钎焊只是钎料融化,母材金属不熔化,所以焊接变形很小,焊接质量稳定可靠。
2)钎焊设备简单,成本较低,维修容易。
3)钎焊工艺容易掌握,要求焊工技术等级不高。
4)前汉操作方便,生产效率高
5)钎焊应用广,适用于同种金属或异种金属的焊接,也适用于金属与非金属的焊接
(2)钎焊的操作过程
1)焊前将铜与铝的接头表面清洗干净,彻底去除油污和杂质。
2)将清理好的接头装在夹具内装配,装配间隙和接头形式根据技术条件要求确定。
3)再将装配好的浸焊钎剂,钎剂成分及熔点见表3-2.浸焊钎剂的温度为450℃~480℃。
4)然后用钎料进行焊接,选用钎料的成分见表3-5。
5)为防止接头氧化,钎焊在惰性气氛炉中进行,可采用电阻加热或火焰加热。
6)焊好后及时把接头残留物清洗干净,防止剩余钎剂对焊接接头的腐蚀作用。
2.铜与铝的冷压焊
(1)冷压焊的基本原理
冷压焊即在室温下对接合区加压,使之产生显著变形而焊接的固态焊接方
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