概述01銅與鋁組合02鋁與鈦組合03銅與鈦組合04目錄/Contents01概述有色金屬的概念異種有色金屬焊接技術的發展應用焊接接頭冶金分析焊接接頭冶金分析主要困難存在問題接頭形式案例導入20世紀60年代以后，由于銅資源有限，較為貴重，而與銅性能最為接近的鋁資源豐富，取之不盡，“以鋁代銅”的概念被提出。由于我國銅資源依賴進口，因此近年來國家倡導“以鋁代銅”。但鋁某些性能不如銅，因此某些關鍵零件仍不能用鋁來代替，這時候就用到了鋁和銅焊接技術。銅和鋁焊接時可能會出現什么問題？案例導入狹義的有色金屬可稱非鐵金屬，是指除鐵（有時也除錳和鉻）和鐵基合金以外的所有金屬，可分為重金屬（如銅、鉛、鋅）、輕金屬（如鋁、鎂）、貴金屬（如金、銀、鉑）及稀有金屬（如鎢、鉬、鍺、鋰、鑭、鈾）。常用的有色金屬就是銅、鋁、鈦、鎳等金屬及其合金。一、有色金屬的概念一、有色金屬的概念二、異種有色金屬焊接技術的發展應用鋁銅雙金屬片、鋁銅導管結構、鋁銅散熱器、鋁銅熱管結構等。銅和鋁異種金屬焊接技術應用當今汽車制造工業，鈦合金已在奔馳、豐田、本田、法拉利和保時捷等品牌的汽車中得到應用。在某些情況下需要將鈦合金與鋁合金連接起來使用，得到鋁/鈦復合結構；在我國的航空航天中也大量應用鋁鈦焊接結構。鋁和鈦異種金屬焊接技術應用二、異種有色金屬焊接技術的發展應用銅鈦焊接構件兼具兩者優勢，在能源工業、航空工業、國防工業等領域具有廣闊的應用前景。銅和鈦異種金屬焊接技術應用銅與鎳組合：應用廣泛，特別是在電力、電子、通信等行業，以及高頻電路和電磁屏蔽領域。銅與鎢組合：軍用耐高溫材料、高壓開關用電工合金、微電子材料以及航天、航空、電子等行業。其他異種有色金屬間的焊接技術應用三、異種有色金屬的焊縫冶金過程熔焊壓焊釬焊按照異種有色金屬的焊接方法分類，主要有三大類熔焊時異種有色金屬焊縫的組織特征。一般認為，異種有色金屬焊焊縫區以焊縫中心線為界分為：焊縫區和熱影響區。焊縫與熱影響區的交界線，被稱為熔合線。焊縫區：A-O-A區域形成過程：熔焊時金屬加熱熔化，形成熔池，冷卻后成為焊縫區；組織特征：焊縫區的金相組織均為粗大的柱狀晶；力學性能：強度和硬度要高于母材，而韌性則低于母材。三、異種有色金屬的焊縫冶金過程熱影響區：BC區域形成過程：在加熱時結合區的鄰近母材金屬會因熱傳導而受到熱的影響，但并未熔化，只發生了金相組織和力學性能變化，這部分即為熱影響區；組織特征：熱影響區的組織性能呈現不均勻性，晶粒粗化；力學性能：塑性和韌性下降，且應力集中，是力學性能最差的部位，也是耐腐蝕性最差的部位。三、異種有色金屬的焊縫冶金過程熔合線：AB區域形成過程：熔合線是具有一定寬度的過渡區，也叫做熔合區，在加熱時是固液兩相共存區。組織特征：組織變化更為復雜，組織不均勻、碳遷移、氫富集和應力集中等因素有關。力學性能：組織極不均勻容易產生焊接裂紋和脆性斷裂，是異種有色金屬焊接接頭最薄弱的環節。三、異種有色金屬的焊縫冶金過程四、異種有色金屬的焊接性分析異種有色金屬中兩種金屬或合金的諸多性能差異，包括物理的、化學的、力學的和金相組織的差異；焊接方法的選擇。不同的焊接方法在異種有色金屬焊接時會有不同的熱過程，對接頭性能會有直接影響。異種有色金屬的焊接性，指兩種不同的有色金屬在限定的施工條件下焊接成按規定設計要求的構件，并滿足預定服役要求的能力。

在分析異種有色金屬的焊接性時，應從兩方面進行分析：熱導率、線脹系數、比熱容相差較大，焊接性變差。如Ti和Al的線膨脹系數和熱導率差異巨大，使焊縫中產生較大的殘余熱應力，

焊接接頭容易產生裂紋。五．異種有色金屬焊接的主要困難熔點相差較大，熔點相差越大，焊接性越差。因為低熔點金屬達到熔化狀態時，高熔點金屬還呈固態，而已熔化金屬會使過熱區的力學性能降低。而熔點高的金屬熔化后，又會導致低熔點金屬流失、合金元素燒損等問題，焊接接頭難以焊合。異種有色金屬冶金相容性是影響焊接的重要因素。所謂冶金相容性是指兩種金屬在液態和固態時互為溶質和溶劑的溶解性能。如鈦和鋁冶金不相容。五．異種有色金屬焊接的主要困難異種有色金屬的氧化性較強。如焊接Cu和Al時，熔池中極易形成Cu和Al的氧化物，冷卻結晶時，晶界間的氧化物能使焊縫產生夾雜和裂紋，顯著降低焊縫的強度和塑性。五．異種有色金屬焊接的主要困難例，采用熔焊方法焊接Cu和Al時：Cu+O→CuO，Cu2O，與銅結合后會形成（Cu+CuO）和（Cu+Cu2O）低熔點共晶體，使焊縫產生夾雜和裂紋。Al+O→Al2O3，這是高熔點的致密氧化物，使焊縫難以熔合，且降低了焊縫的塑性。Cu+Al→CuAl2，Cu2Al，都屬于脆性化合物，能明顯降低焊縫金屬的強度和塑性。五．異種有色金屬焊接的主要困難例：Cu和Al冶金不相容，熔焊焊接性差。六．異種有色金屬焊接存在的問題金屬間化合物屬于硬脆相，其不但會降低焊縫強度還會增加金屬電阻值。由于熱脹系數差距大，容易引起熱應力，繼而導致發生很大的焊接變形。容易產生裂紋，尤其是熱影響區更易產生裂紋，甚至發生斷裂。異種有色金屬焊縫接頭的力學性能較差，塑性明顯下降。裂紋焊接變形力學性能差金屬間化合物七．異種有色金屬接頭的連接形式直接連接所謂直接連接就是兩種金屬不通過第三者直接焊接在一起，形成不可拆卸的永久性接頭。間接連接通過第三者（填加金屬）把兩種金屬連接在一起，形成不可拆卸的永久性接頭或是能拆卸的非永久性接頭。異種有色金屬的間接連接，在航天技術、原子能反應堆、航海及石油化工等領域應用較多。七．異種有色金屬接頭的連接形式間接連接示意圖間接連接填加的第三種金屬是預先制備好的粉末、絲、棒、板、墊片或過渡段，連接工藝復雜，要求的操作水平更高。七．異種有色金屬接頭的連接形式七．異種有色金屬接頭的連接形式例如，研究人員提出了激光誘導釬焊的方法，采用高熔的金屬

Ｎｂ作為過渡層實現了鎳基合金Incone718和鈦合金TC4的高質量焊接，完全避免生成金屬間化合物。課后思考題異種有色金屬焊接技術主要應用于哪些行業？在異種有色金屬焊接時為什么會產生金屬間化合物？它對焊縫性能有什么影響？請查閱相關資料回答：間接連接相比較直接連接，優勢在哪里？02銅與鋁組合概述銅和鋁組合焊接性分析銅和鋁組合熔焊的難點銅和鋁組合的熔焊方法選擇及焊接工藝銅與鋁組合的壓焊方法選擇及焊接工藝案例導入

電纜線有銅線和鋁線兩類，此兩類接頭的連接方式有鉸接、壓接、與焊接三種方式，顯然無論從接觸電阻、連接緊密度與強度而言，焊接都是最佳選擇。根據本節課所學內容，可否確定一種或幾種最適合電纜線銅線和鋁線焊接的工藝方法？案例導入一、概述表1

常用有色金屬的物理性能及化學性能一、概述材料特點銅、鋁的優點就是導熱性和導電性極好，因此銅、鋁最大的用途是作為導電材料和散熱材料。純銅和純鋁的導電性最好，加入合金元素以后導電性、導熱性逐漸變差。純銅、純鋁是首選的最佳導電、散熱材料。一、概述本章中只限于工業純銅和工業純鋁組合的焊接，即兩種導電金屬材料的焊接。范圍限定在實際生活中，為了充分發揮鋁和銅各自優點，謀求最好的技術經濟性，常采用鋁、銅復合結構，在實際生產中多采用焊接方式實現鋁和銅的連接必要性銅鋁組合的焊接性如何呢？二、銅和鋁組合焊接性分析銅和鋁組合的熔焊焊接性極差，但壓焊焊接性很好。據研究，當銅的質量分數在12%～13%以下時，焊縫才具有最佳綜合性能。銅和鋁都具有很好的塑性，銅的壓縮率最高可達80%～90%，鋁的可達60%～80%，因此采用壓焊方法可得到質量優異的銅-鋁焊接接頭，壓焊是目前銅與鋁的異種有色金屬焊接的主要焊接方法。二、銅和鋁組合焊接性分析三、銅和鋁組合熔焊的難點金屬間化合物的形成：由于銅和鋁的冶金互容性差，采用熔焊方法都很難避免焊縫中產生Cu-Al金屬間化合物，這會降低接頭的強度和塑性。低熔共晶及氧化氣孔：由于焊縫金屬結晶快，熔池中的氣體來不及逸出，留在焊縫中。應力裂紋：銅的線脹系數比鋁大0.5倍，銅鋁焊接接頭很容易產生焊接應力。熔點相差423℃：熱源功率不夠時焊縫金屬容易分層，無法熔合成為共同晶粒。主要難點銅和鋁組合的異種金屬熔焊時對熔焊方法的要求如下：熔焊熱源功率要足夠大；對焊接區保護足夠好；保證焊縫金屬中銅的質量分數控制在12%以下；采用有中間過渡層的間接焊接法。四、銅和鋁組合的熔焊方法選擇及焊接工藝TIG焊是銅、鋁組合最常用的熔焊方法，此外還有埋弧焊和電子束焊。四、銅和鋁組合的熔焊方法選擇及焊接工藝4.1TIG焊接坡口形式：銅側單V形坡口，坡口角度45°～70°，鋁側不開坡口。在銅鋁組合對接焊時，有如下工藝要求：焊材選擇：用鋁硅合金焊絲或是純鋁焊絲。焊前準備：清理坡口，并在坡口表面上鍍銀或鍍鋅。四、銅和鋁組合的熔焊方法選擇及焊接工藝4.1TIG焊接4.2埋弧焊4.3氣焊四、銅和鋁組合的熔焊方法選擇及焊接工藝將銅的表面氧化層清除干凈，可用洗化學方法處理然后水沖干凈或用砂紙清擦干凈，至光亮金屬為止。將銅工件（與鋁焊接接觸面）用氧一乙塊火焰焊接，加熱工件釬焊一層銀釬料，釬料用“HL313”（成分為銀50%，銅16%，鎘18%,鋅16%，熔點為625~635℃）釬焊涂層厚度為0.8~1.0mm,（稍厚更有利于焊接）。將鋁工件焊接表面處去除難熔的氧化膜，可用堿洗化學方法處理，然后用水沖干凈，或用砂紙清擦干凈至光亮金屬為止。Cu/AlTIG焊接工藝步驟四、銅和鋁組合的熔焊方法選擇及焊接工藝焊材：焊絲填充金屬為鋁硅合金，焊絲牌號“ER4047”，有利于減少金屬間化合物，視工件厚薄和大小選用焊絲直徑。用交流氬弧焊焊接，焊接電流視工件厚薄和大小，精細調節準確，可先用工藝板（模擬工件厚度進行試焊，確認焊接質量效果后方可在工件上焊接。）Cu/AlTIG焊接工藝步驟四、銅和鋁組合的熔焊方法選擇及焊接工藝4.2埋弧焊焊接時采用鋁焊劑，坡口形式與TIG焊類似，一般可開單U形坡口，根據實際情況可調整。埋弧焊時在U形坡口中預置鋁焊絲。電弧偏離坡口中心指向銅母材側。4.3氣焊常用的氣體火焰為氧乙炔焰。四、銅和鋁組合的熔焊方法選擇及焊接工藝氣焊的優點：可隨時撤離來調整熔池溫度；火焰的功率和性質均可調整，銅和鋁組合接頭常采用中性焰，中性焰的溫度為3000°左右。氣焊時用到的焊絲與電弧焊焊絲通用，焊劑比較特殊，稱為氣焊溶劑，代號為CJ×××，常用的銅鋁焊接氣焊熔劑為CJ401。五．銅與鋁組合的壓焊方法選擇及焊接工藝閃光對焊壓焊是銅和鋁連接的最佳選擇。摩擦焊平板搭接擴散焊閃光對焊五．銅與鋁組合的壓焊方法選擇及焊接工藝閃光對焊的原理是利用對焊機使兩端金屬接觸，通過低電壓的強電流，待金屬被加熱到一定溫度變軟后，進行軸向加壓頂鍛，形成對焊接頭。銅和鋁的導電性、導熱性及高溫塑性在有色金屬中是最好的，在使用閃光對焊時需要較大的焊接電流、高的送進速度、快速頂鍛、極短的頂鍛時間、較長的伸出長度和總留量。有利于將金屬間化合物和氧化物擠出成為飛邊，已獲得力學性能良好的接頭。五．銅與鋁組合的壓焊方法選擇及焊接工藝摩擦焊摩擦焊是一種固態焊接方法，結合面不發生熔化，仍為鍛造組織，采用低溫摩擦焊是指轉速為200~1000r/min，結合面溫度介于460~480℃之間，此時可避免產生脆性層，又能保證足夠的塑性變形能力。摩擦焊相關的工藝參數有：轉速、摩擦壓力、摩擦時間、頂鍛壓力等。平板搭接擴散焊五．銅與鋁組合的壓焊方法選擇及焊接工藝擴散焊是指將兩焊件緊密貼合，在真空或保護氣氛的保護下，使平整光潔的焊接表面在一定溫度、壓力的持續作用下，接觸面之間的原子相互擴散完成焊接的方法。當采用擴散焊來焊接異種金屬時，共有兩種形式：A+B、A+C+B，前者為不加擴散層，后者為加中間擴散層。加中間擴散層的異種金屬擴散焊可以有效保證接頭質量，減小焊接變形，焊接冶金不相容的異種材料，并能防止中間金屬化合物和低熔共晶相的生成。擴散焊的主要焊接工藝參數有焊接溫度、焊接壓力、保溫時間、真空度等。小組實訓任務布置準備一對銅和鋁的焊接試板，厚度約5mm，要求采用氬弧焊焊接方法來完成銅和鋁的焊接實訓任務，為了提高接頭質量，可以加中間過渡層。要求焊縫外觀良好，焊縫表面無裂紋、咬邊、夾渣等缺陷。

采用氬弧焊方法完成厚度為5mm的銅和鋁焊接。課后思考題銅和鋁的焊接存在什么問題？銅和鋁采用氬弧焊焊接時應采取哪些措施來提升焊縫質量？03鋁和鈦組合鋁和鈦組合焊接性分析鋁與鈦組合的焊接方法選擇及焊接工藝案例導入

美制NASAYF－12戰斗機機翼的蜂窩夾層結構是由鈦合金的蒙皮和翼盒中的鋁合金蜂窩狀夾層連接而成的復合結構，不但減輕了飛機質量，而且使其強度質量比提高，保證了較高的抗振極限與穩定性。為什么飛機上要采用鋁和鈦呢，各有什么優勢？案例導入一、鋁與鈦組合焊接性分析表1

常用有色金屬的物理性能及化學性能一、鋁與鈦組合焊接性分析鈦、

鋁冶金學上不相容（665℃時，鈦在鋁中的溶解度為0.26%～0.28%）均屬于活性金屬、極易氧化物理、力學性能存在較大差別，如：兩者的熔點相差1000℃，鋁的熱導率和線膨脹系數分別是鈦的16倍和3倍鋁、鈦的高溫吸氣性很大，焊接過程中易反應生成脆性的金屬間化合物，

接頭的強度較低，難以滿足使用要求焊接變形量大，易產生裂紋熔焊難點一、鋁與鈦組合焊接性分析鋁與鈦的焊接難度較大，熔焊焊接性不好。由于鋁與鈦物理性能的巨大差異，且鈦及鈦合金加熱會產生氫脆，高溫下容易形成金屬間化合物，在壓焊方法中只有冷壓焊最適合進行鋁鈦的直接焊接，其他方法不允許直接焊接，需采取特殊工藝方法。二、鋁與鈦組合的焊接方法選擇及焊接工藝與傳統的熔化焊不同的是熔釬焊利用了鈦、鋁熔點的不同，

焊接過程中只有母材鋁熔化產生液相，母材鈦不熔化，

熔融的鋁在固態鈦表面潤濕、

鋪展實現2種材料的焊接，

避免了脆性金屬間化合物的產生。

2.1熔釬焊二、鋁與鈦組合的焊接方法選擇及焊接工藝2.1熔釬焊熔釬焊

激光熔釬焊電弧熔釬焊二、鋁與鈦組合的焊接方法選擇及焊接工藝電弧熔釬焊TIG熔釬焊：即采用TIG焊方法加熱鈦母材，并使之僅部分發生熔化而不熔透，且其熱量卻能將背面搭接的鋁板熔化。焊前在鈦合金表面鍍覆一層過渡層，

增加鋁在鈦板表面的鋪展能力，

同時過渡層可以控制界面反應層的生長，

獲得高強度的Ti/Al異種金屬接頭。覆蓋方法：可采用堆焊或將鈦母材焊接坡口浸入熔融的工業純鋁中進行滲鋁處理。二、鋁與鈦組合的焊接方法選擇及焊接工藝激光熔釬焊是指將聚焦激光束直接作用在低熔點母材鋁合金一側進行深熔焊接，熔化的液態鋁合金在接頭界面處與鈦合金發生合金元素的溶解與擴散相互作用而形成釬接接頭。優點：具有精確控制焊接熱輸入和束流位置的特點，

較高的加熱和冷卻速率，

避免液相混合而生成大量脆性相，

提高了接頭的連接強度。2.2擴散焊鋁與鈦可采用真空擴散焊的方式來進行焊接。一般采用加中間過渡層的方式提高焊縫質量。二、鋁與鈦組合的焊接方法選擇及焊接工藝鈦表面鍍鋁鈦表面滲鋁夾鋁箔再焊接二、鋁與鈦組合的焊接方法選擇及焊接工藝

1035純鋁和TA2純鈦組合真空擴散焊的焊接參數焊接溫度保溫時間焊接壓力真空度小組實訓任務布置準備一對鈦和鋁的焊接試板，厚度約5mm，直徑?20。要求采用真空擴散焊接方法來完成鈦和鋁的焊接實訓任務，為了提高接頭質量，需加中間過渡層（鋁箔），要求焊縫結合良好。采用真空擴散焊來焊接直徑?20mm、厚度5mm的鋁和鈦試樣。課后思考題鋁與鈦及其合金應選用哪些焊接方法進行焊接？鋁與鈦焊接時為什么容易產生較大的焊接變形？04銅和鈦組合銅和鈦組合焊接性分析銅和鈦組合的熔焊方法選擇及焊接工藝案例導入

鈦/銅異種金屬構件，兼具鈦合金和銅合金的各自優良特性，輕質結構與優勢功能互補，在能源工業、航空工業、國防工業等領域具有廣闊的應用前景。案例導入目前海軍艦船上各類海水管路和蒸汽管路系統普遍采用紫銅或黃銅金屬制備。

最新研發的銅鈦雙金屬復合管，是將鈦管襯于銅管內部，可以在無需大幅提高成本的前提下，顯著降低因艦艇海水管路腐蝕而引發的裝備故障率，

這對于提高艦船裝備的安全性和可靠性具有重大的軍事和經濟意義。一、銅和鈦組合焊接性分析表1

常用有色金屬的物理性能及化學性能一、銅和鈦組合焊接性分析銅與鈦的互溶性有限，在高溫下可形成多種金屬間化合物以及低熔共晶體，這些脆性相會降低接頭的性能并引發裂紋。銅與鈦的線脹系數相差較大，銅的線脹系數約為鈦的2倍，在焊接時產生的內應力會引發裂紋的產生。銅與鈦在高溫下極易溶解氫氣，引發“氫脆”，在熔池冷卻時氫氣來不及逸出，從而留在焊縫中成為氣孔。銅和鈦熔點相差600℃，導熱率相差20多倍，需要選用保護效果好、能量密度高的熱源，如TIG焊、電子束焊接等方法。間接熔焊法加中間過渡層的熔焊法一、銅和鈦組合焊接性分析壓焊焊接性較好優勢劣勢減少了鈦/銅

金屬間化合物生成；焊接接頭力學性能得到顯著提高。只適合于特定條件的焊接，無法滿足工程構件多樣化的需求。

銅和鈦異種金屬組合常用的壓焊方法有爆炸焊、擴散焊、摩擦焊等。二、銅與鈦組合的焊接方法選擇及焊接工藝以QCr0.5銅合金與TC2鈦合金組合焊接為例，詳細講述銅鈦異種金屬焊接的工藝要點。2.1TIG焊接電極選擇：鈰鎢電極焊材選擇：QCr0.5中間過渡層：Ti+Nb（質量分數30%）保護氣體：純度99.8%的氬氣二、銅與鈦組合的焊接方法選擇及焊接工藝表2

QCr0.5銅合金與TC2鈦合金TIG焊的焊接參數二、銅與鈦組合的焊接方法選擇及焊接工藝銅與鈦可采用真空擴散焊的方式來進行焊接。一般采用加中間過渡層的方式提高焊縫質量。2.2擴散焊采用鉬、鈮作為中間層時,由于鉬、鈮與鈦物理性能相近且無限固溶,不易生成低熔點共晶體和脆性的金屬間化合物,從而使焊接接頭的質量得到很大提高。二、銅與鈦組合的焊接方法選擇及焊接工藝2.2擴散焊中間過渡層的成分研究焊縫成分及組