铝-铜导电端子摩擦焊接工艺试验研究(2)

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1绪论

铜和铝都是制造导电体的材料，铜的价格相对铝来说较为昂贵，并且铝的密度是铜的三分之一。因此，铝铜形成的连接件不仅可以降低成本，而且可以减轻机械构件的质量并发挥各自的优势。但铝表面极易氧化，所形成的氧化膜十分牢固，且电阻性很大，采用机械连接是不可靠的，因此在实际生产中广泛采用焊接方法来实现连接以提高铜和铝异种金属连接的综合性能。铝铜异种金属焊接接头有着优良的机械性能和导电性能，不仅可以被广泛应用于核战工程、电气工程，而且可以应用于制冷和供暖设备，以及其他需要铝铜连接的领域，例如冰箱和太阳能接收装置等[1]。论文网

1.1选题意义

在自然界中，铜的导电性和导热性仅次于银而居第二位，与人的亲和性仅次于钛。除此之外，铜还具有良好的常温和低温塑性，以及对大气、海水和其他化学药品的耐蚀性。单从性能上来说，是制造电器开关、电线和电缆的最好材料。正因如此，铜在电的传输、热量交换和生活用品领域获得了广泛的应用。但是，铜是人类最早开发利用的金属，铜的过早、过度开发应用造成了铜的资源性短缺。我国2007年铜的消费量为4860.9千吨，比欧洲诸国（比利时、法国、德国、意大利、波兰、俄罗斯）的消费总量4748.8千吨还多[2]。根据中国矿业联合会的研究，到2020年中国所需的45种主要矿产可基本划分为可以保证、基本保证、短缺、严重短缺四类。铜属于严重短缺的9种矿产之一[3]。铜的资源性短缺和近几年铜价的居高不下，促使科技工作者寻求铜的替代品[4]。另一方面，在已经发现的金属中铝具有优异的物理特性和机械特性，如密度低、比强度高，热导率高，电导率高，耐腐蚀能力强，在某些场合完全可以全部或者部分代替铜。铝在地壳中的含量高达8%。直接导致了铝的价格要比铜低很多，为了节省生产成本，部分电气产品或部件用铝或铜铝焊接件代替铜，成为当前电缆工业发展的一个趋势。因此，以铝代铜的研究和应用具有广泛的前景和深远的意义。而在以铝代铜的应用中，铝铜的连接是必由之路[5]。我们只有清楚铜-铝焊接的困难以及结合机理，才能指导生产从而得到高质量的铝-铜焊接件。探究连续驱动摩擦焊焊接铝-铜异种金属的合适参数是使得铝-铜异种合金在生活生产中得以推广的有效措施。

1.2异种材料焊接现状

1.2.1异种材料焊接的原理及特点

1.2.2异种材料焊接存在的主要问题

1.2.3异种材料常见缺陷

1.2.4异种材料焊接应用范围

1.3铝-铜焊接技术

1.3.1铝铜焊接的难点

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，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。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。在高温时，铝和铜的液体能够溶解和吸收大量的气体氢，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[11]。文献综述

1.3.2铝铜摩擦焊接发展现状

Won2Bao Lee等人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[12]。Jiahu Ouyang等人采用搅拌摩擦焊( 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CuAl2 ，CuAl和Cu9Al4 组成。该区域的显微硬度变化范围为136～760 HV0.2。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[13]。与传统焊接方法不同，M. Abbasi等人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[14]。