铝铜非真空高频感应钎焊研究.docx

毕业设计（论文）开题报告

题目：铝-铜非真空高频感应钎焊研究
院（系）材料科学与工程学院
专业焊接技术与工程
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课题背景
铝铜接头广泛用于化工、电器和制冷工业中，以降低成本。铝铜焊接的主要问题是接头的腐蚀和老化。腐蚀由铝和铜之间的1.644V电极电位差引起。焊接过程中焊缝易出现铝铜脆性化合物，当接头长期工作于高温环境受到机械震动作用，还会导致铝铜原子扩散形成金属间化合物层并不断加厚，使接头的冲击韧性下降，电阻升高。铝铜钎焊时，因使用腐蚀性强的钎剂去除致密的铝氧化膜，还存在钎剂残渣腐蚀接头的问题。
铝与铜之间焊接时，由于铝、铜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，铝/铜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]，给铝/铜焊接带来较大困难。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]。
本课题国内外研究的历史和现状（文献综述）（一）铝铜钎焊
1.铝铜直接钎焊
铝铜直接钎焊困难较大，接头质量不好。铝铜电极电位相差较大，易引起腐蚀；在钎缝中有脆性化合物生成使接头强度降低。另外，冷却时钎缝里有大量沿晶界CuAl2析出，CuAl2的电极电位比Al的电极电位高，易产生晶间腐蚀。为去除致密的铝氧化膜，需使用腐蚀性大的钎剂，钎剂的残渣吸潮后形成腐蚀剂，对接头有强烈的腐蚀作用。针对上述问题，从钎料、钎剂和设备着手研究了一些新的铝铜直接钎焊方法：①利用含稀土元素的Zn基钎料钎焊铝铜，由于稀土元素在钎料中起到了除气排污和细化晶粒的作用，使接头的抗腐蚀性能和强度有了一定的提高，但腐蚀后强度仍下降较大。②铜磷钎料火焰钎焊铝铜，由于钎料中磷能还原氧化物而起到钎剂的作用，因此不需要钎剂，焊后也不需要清洗。③采用HLSn10的钨极
氩弧焊，利用钨极氩弧焊的阴极雾化作用有效去除熔点高而且致密的Al2O3膜。
2.铝铜超声波钎焊
铝铜超声波钎焊主要利用超声波的振动击碎基体表面的氧化膜，然后加压使铝铜基体结合，避免了由于使用钎剂带来的腐蚀问题，提高了接头的抗腐蚀能力。
超声波钎焊机理：
(1)从理论推导和试验实测得到焊接温度均达不到焊件材料的熔点。
(2)焊接接头形成过程中,物理冶金反应对焊接接头的形成并不起主要作用。
(3)铜-铝超声波焊接是由材料本身的塑性、一定的摩擦升温和工具头竖直方向压力共同作用下,在材料发生充分的塑性流动及氧化物、油污等阻碍材料焊接的物质被破坏、清除或压入母体材料的基础上发生的焊接材料原子之间由于原子间作用力而形成金属粘合的过程。
一般有两种振动频率：20000Hz和40000Hz，根据工件的尺寸和所需能量的大小进行选择。超声波钎焊有两个问题：一是刚开始启动超声波时，钎料对母材有局部强烈冲击；二是钎料不易填满钎缝，易形成未填满或间隙。另外超声波设备昂贵复杂，要求工人要有熟练的维护保养水平。

3.铝铜扩散钎焊
扩散钎焊时，在温度和压力的作用下，母材表面产生极小的微观塑性流变相互紧密接触，再经过一段时间的保温扩散，使钎接表面相互结合而形成接头。为防止加热和保温过程中金属氧化，必须在真空或保护气氛中进行钎焊，真空度应达到1.3333*10-4。应当指出，即使在这种条件下仍有氧化膜形成，因为Al在高真空度下也能同氧结合。扩散钎焊的主要优点是能钎焊较为复杂的工件，而且可钎焊型面工件的整个表面，焊接处没有变形。扩散钎焊使用Al基钎料，加入Zn能松弛热应力和促进铝氧化膜的破裂，再加入其它元素可进一步提高接头的强度。扩散钎焊的应用受到了以下条件的限制：抽真空和钎焊时间长，费用高昂，工件尺寸受到真空炉的限制。
4.铝铜电阻钎焊
电阻钎焊是依靠电流通过工件的钎焊处产生的电阻热加热工件和熔化钎料来实现钎焊的。钎焊时，要施加适当的压力，压力要维持到接头完全凝固为止。电阻钎焊具有加热迅速、生产率高等特点。用这种工艺钎焊的铝铜接头静力性能好，但在动应力试验中，性能较差。这种方法要使用腐蚀性钎剂，接头易受腐蚀。

三课题主要研究内容
1.收集资料，了解铝铜钎焊存在的主要难点和问题。铝铜焊接的主要问题是接头的腐蚀和老化。腐蚀由铝和铜之间的1.644V电极电位差引起。焊接过程中焊缝易出现铝铜脆性化合物，当接