铝与异种金属的焊接

第四节铝与异种金属的焊接现代工业对零部件的性能提出了更高的要求，如耐蚀性、导电性、导热性、磁性、熔点、硬度及耐磨性、低温韧性、耐高温持久强度等多方面的性能。

有些情况下，任何一种金属材料都不可能全面满足使用性能要求，或者即使某种金属比较理想，却由于十分稀贵，不能在工程实际中大量应用。

当需要制作一个在不同工作部位上具有不同性能的机件或构件，却找不到一种同时都能满足这些性能要求的金属材料时，最合理而又经济的办法是：对任何一个部位都根据其最重要的工作性能，选择相对最合适的金属材料制作，然后用焊接方法把这些各具特殊性能的金属材料连接成一个整体。

这种把化学性能或物理性能有差异的金属焊接在一起的工艺过程称为异种金属焊接。

目前，在石油化工、能源、机车车辆、海洋开发、军工及航窑航天技术等方面，越来越多的铝与异种金属韵焊接结构投入了实际应用。

主要有铝与铜、铝与钛、铝与钢及不同型号铝合金之间的焊接。

异种金属的焊接要比同种金属焊接困难和复杂：不同母材之间、母材与填充金属之间的相互作用是不同的，这给焊接带来了冶金上的困难；又有因物理性能上存在差异带来焊接工艺上的困难。

一、铝与铜的焊接铝和铜导电性能都很好，都是常用于制造导电体的材料。

铝比铜的密度小（属于轻金属），价格便宜，许多场合需要以铝代铜，因此常常需要将铝、铜连接起来，铝-铜接头广泛用于化工、电器和制冷工业中。

铝与铜之间采用机械连接是不可靠的，需用焊接方法连接。

从表2-4-1中可以归纳出铝与铜的以下几点特性：1.铝与铜的特性表2-4-1 铝和铜的物理性能及主要力学性能（1）铝和铜的导电及导热性很好。

在所有金属中，铜居第二位，铝居第四位。

（2）铝和铜都是面心立方品格，具有极好的塑性，因此都能够通过冷、热压力加工。

（3）铝与铜在液态时相互无限固溶，固态时有限固溶。

（4）铝和铜在液态时流动性都很大。

（5）铝的强度比铜低得多。

铝在550℃以上强度显着降低。

虽然铝可经冷变形加工硬化提高强度，但同时塑性也会下降。

（6）铝在固态和液态都极易氧化，其表面会形成致密的氧化膜(A12O3 )；铜对氧的亲和力也很大，高温下生成多种氧化物(CuO和Cu20)。

（7）铝与铜直接融合在一起会形成多种且电阻值极高的脆性金属间化合物（如A1Cu2,A12Cu3、AlCu、A12Cu等）。

2.铝与铜的焊接性由于铝与铜的物理化学性能有很大差别，使铝与铜焊接时会产生以下几个主要方面的问题：（1）铝和铜的熔点相差很大（达423℃），焊接时很难同时熔化。

（2）铝与铜形成的脆性金属间化合物影响接头的强度、塑性。

为防止金属间化合物形成，应尽量缩短液态铝与液态铜的接触时间。

铝-铜合金中含铜量在13%以下时，综合性能最好，所以熔焊时应设法控制焊缝金属的铝一铜合金中含铜量不超过上述范围，或是采用铝基合金。

（3）由于铝和铜对氧的亲和力都很大，高温下强烈氧化，在熔池结晶时，靠近铝母材金属侧产生氧化铝，靠近铜母材金属侧产生氧化铜，在同样情况下，铜侧氧化膜的厚度比铝侧的大。

形成的氧化物难以除掉，这些氧化物使铝与铜及填充材料不能很好地熔合，同时会在晶界形成低熔点共晶或脆性化合物，常常引起焊缝裂纹。

（4）合金元素的烧损铜的熔点比铝高倍。

而铝和铜的合金元素Sn、Pb、Zn、Mn的熔点均低于铜，所以当焊接温度超过铜的熔点，使两种母材都熔化时，必然会产生低熔点合金元素的蒸发和烧损，使异质焊缝的性能受到影响。

如Zn的蒸发和烧损会降低铝与铜焊缝的耐蚀性和力学性能。

（5）裂纹铝与铜焊接时易产生裂纹，主要原因是：1)铜的线膨胀系数比铝大倍。

在焊接热循环作用下，铝与铜的焊接接头经历不同的膨胀和收缩，会产生接头热应力。

一旦应力值超过接头强度极限就会产生裂纹。

2)铝与铜形成的脆性金属间化合物极易导致热裂纹。

3)铜与铅、铋等金属能形成低熔点共晶，引起热脆性。

而铜与氧、硫等能形成脆性化合物，引起冷脆性。

4)铝与铜形成的氧化物熔点低、脆性大，且分布于晶界，使焊缝裂纹倾向增大。

5)高温下熔池中形成的C02、CO和H2等气体，在焊缝结晶过程中会产生一定的压力，增大焊缝裂纹倾向。

（6）气孔1)铝与铜在液态时，能强烈地溶解和吸收气体，如氢随着温度的升高而溶解度显着增大；当冷却时，氢的溶解度又显着下降，在700℃和1100℃会发生突变，过饱和的氢析出形成气泡外逸，当气泡来不及全部浮出熔池表面，而在焊缝中形成气孔。

2)由于铝与铜的导热性能非常好，熔池结晶过程很快，因此，冶金反应产生的气体很可能来不及逸出熔池表面，残留在焊缝之中形成气孔。

3)由于两种母材金属表面的氧化膜都会吸附水，当被焊接头清理不净存有油脂或杂质，或填充材料潮湿，或保护气体不纯及空气侵入焊接区时，也能使焊缝产生气孔。

3.铝和铜的焊接工艺铝与铜的焊接可以用熔焊、压焊和钎焊。

但综合以上所述的铝与铜的焊接性可以看出，铝与铜用熔焊是非常困难的，所以应用最多的是压焊。

1．熔焊(1)氩弧焊铝与铜组合的熔焊最好采用TIG焊、MIG焊，由于用氩气保护，使熔池不受大气污染，焊接质量较好。

缺点是不能使用直流电源，采用50 Hz 交流电（每秒钟100次过零点而改变方向）；电离电位高的氩弧易断弧，所以焊接过程的稳定性较差。

工艺要点主要有以下几点：1)采用纯铝或铝-硅焊丝作为填充金属。

2)焊缝金属中加入某些合金元素可改善铝-铜熔接接头质量：加入锌、镁能限制铜向铝中过渡；加入钙、镁能使表面活化，易于填满树枝状结晶的间隙；加入钛、锆、钼等难熔金属有助于细化组织；加入硅、锌能减少金属间化合物。

试验证明，lμm厚的金属化合物不会影响接头的强度。

加入方法：可在焊前将需加的合金元素涂到铜的待焊表面。

3)焊接时，电弧要向铜的—侧偏移，偏移距离约相当于厚度的1/2，以达到两侧同时熔化，在接头的铜侧形成约3～10μm厚的金属化合物，在接头的铝侧形成铜在铝中的固溶体带。

(2)埋弧自动焊工艺要点如下：1)接头形式及坡口通常采用对接接头，J形坡口形式（铜侧开J形，铝侧为直边）。

2)在坡口内填铝丝为增加焊缝中铝的成分，减少铜的成分，防止脆性，可在坡口内填加铝焊丝(Φ3mm)或锌条。

3)焊剂选用牌号为HJ431的焊剂。

4)机头偏离为保证铜充分熔化，焊接时机头应偏离焊缝或坡口的中心线，偏向铜母材一侧，见图2-4-1图2-4-1 坡口形式5)正确选择焊接参数几种不同厚度的铝铜埋弧自动焊的焊接规范可参见表2-4-2。

表2-4-2 铝-铜埋弧自动焊的焊接规范焊件厚度(mm)焊丝直径(mm)焊接电流(A)电弧电压(V)焊接速度（m/h）焊丝偏离(mm)焊道数目焊剂层密度(mm)高度(mm)6340～35032～343～413010 8360～38035～384～5l3212 10380～38～405～613812实例：当工件厚度为10 mm时，按上述工艺要点，采用焊丝直径2.5 mm,焊接电流380～400A，电弧电压38～39v，焊接速度21m/h进行嫜接。

这样，焊缝金属中含铜量只有8%～10%，可以得到满意的接头力学性能。

6)焊后热处理对焊好的焊接接头要缓冷，并进行清理和质量检验。

2．压焊属于压焊的各种焊接方法都是固态下进行焊接的方法。

铝与铜均为塑性很好的金属，因此铝-铜接头采用压焊方法焊接可以获得良好的质量。

利用压焊制成铝-铜过渡接头，就可避开铝-铜熔焊的困难，而变为铝与铝、铜与铜的同种金属的熔焊。

常用于铝-铜焊接的几种压焊方法比较见表2-4-3。

表2-4-3 用于铝-铜的压焊方法比较(1)冷压焊铝与铜的冷压焊是在室温下（再结晶温度）使铝和铜共同承受巨太的压力而产生相当大的塑性变形，铝与铜接头的结合面上原子相互靠拢（达到～μm）而产生强大的原子间吸引力，从而使结合面在固态下形成牢固的接头。

主要优点为接头中不产生铝铜脆性化合物，接头在室温下形成，紧邻接头处无热影响区。

冷压焊不能加工过细的导线，也不能加工直径超过100mm的导线。

1)l异种金属冷压焊应具备的条件①母材金属本身的塑性变形大。

②母材金属的氧化膜薄而脆，在塑性变形对容易被压碎。

③母材金属在塑性变形过程中，接触面部位的弹性小，有利于原子相互结合。

2)冷压焊金属的压缩率冷压焊金属的焊接性与两种母材金属在压力作用下的压缩率有关，两种金属只要达到一定压缩率就能实现冷压焊。

铜的压缩率为80%～90%，铝的压缩率为60%～80%。

异种金属冷压焊的压缩率e 可用下式计算：e=[（δ1+δ2 -δ）/δ1+δ2]×100%式中δ——异种金属冷压焊压缩后的厚度(mm)；δ1、δ2——两种母材金属冷压焊压缩前的厚度(mm)。

各参数的意义可参考图2-4-2。

3)锅与铜的冷压焊工艺要点图2-4-2异种金属冷压焊的压缩率1—铜2—压力3—异质结合面4—铝①焊前将铝与铜母材进行退火处理，使之软化而增加塑性变形量。

②冷压焊对焊材准备工作要求严格。

将退火后的两种母材金属氧化膜及油污彻底清理干净，并对接头的接合表面进行精确加工使之具有一定的粗糙度并使轴线与表面精确垂直。

③铝与铜的导线或薄板采用搭接接头，而棒料、厚板可采用对接接头。

④选用合适的冷压焊设备和压接工具。

⑤铝与铜搭接时，压力为980～1500MPa。

对接时，由于形变过程中向外部扩展的飞边也需一起加压，因此压力比搭接高3～4倍。

⑥冷压焊后，应清理焊接接头，并进行焊接质量检验。

(2)电阻对焊、闪光对焊和电容储能焊电阻对焊和闪光对焊在铝与铜连接上应用由来已久。

这两种焊接方法都是在焊接时将两工件待焊端面始终压紧，压紧后通以大电流，利用电阻热加热至塑性状态（闪光对焊则加热至液态），然后迅速施加顶锻压力而实现焊接。

例如：闪光对焊时需采用大电流（比焊钢时大1倍）、高送料速度（比焊钢时大4倍）、高压快速顶锻(100～300 mm/s)和极短的通电顶锻时间～ s)。

焊接时应保证对接处加热均匀，并使两个零件的焊口处附近有足够的塑性变形区。

因这两种材料的熔点相差很大，铝的熔化速度比铜快倍，所以要相应增大铝的伸出长度。

电容储能焊利用电容储存的电能，通过瞬时放电，使铝与铜接头在极短时间内通过强大的电流，而使接触面局部熔化，在顶锻力的作用下，挤出有害杂质而实现焊接。

电容储能焊由于电流密度大、放电时间极短（小于）、焊接变形小、节省电能、生产率高，所以非常适于铝与铜的焊接。

这三种压焊都是依靠提高顶锻速度和足够大的顶锻力，同时严格控制通电顶锻时间，除了必须将已形成的氧化物和金属间化合物（脆化物）随液体金属一起挤出接口，或尽量减少脆性层厚度并使之不连续之外，还要保证接触面处产生较大的塑性变形，以获得性能较好的接头。

为了防止产生脆性化合物，这三种方法都常需事先在铜表面上镀上锌、铝或银钎料铝-铜闪光对焊的工艺参数见表2-4-4。

表2-4-4 铝，铜闪光对焊的工艺参数实例：截面为10 mm×100 mm的铝板(L3)与铜板（T2）过渡接头采用闪光对焊进行焊接。