[8]　李存洲.激光深熔焊热场的数值模拟研究[D].北京:北京航空航天大学,2004.　[9]　Tail or G A,Hughes M,Pericleous K.The app licati on ofthree di m ensi on finite volu me method t o the modeling ofwelding phenomena[A].Modeling of casting,welding andadvanced s olidificati on p r ocess I X[C].San D iego:Prter.Sah m R,2002.852-859.[10]　ChargW S,Na S J.A study on the p redicti on of the laserweld shape with vary heat s ource equati ons and the ther maldist orti on of a s mall structure in m icr o-j oining[J].Jour2nal of M aterials Pr ocessing Technol ogy,2002,120(1):208-214.(收稿日期　2006　10　23)作者简介:　熊智军,1981年出生,硕士研究生。

主要研究方向为焊接方法与机电一体化。

铜-钢异种金属焊接的研究现状和进展北京工业大学材料学院(100022) 高　禄　栗卓新　李国栋　李　红摘要　综述了国内外铜-钢异种金属焊接的可行性、焊接方法及焊接接头组织性能方面的研究现状。

分析了铜-钢焊接过程中存在的热裂纹和铜渗透裂纹等问题。

介绍了多种实现铜-钢焊接的方法及每种方法的特点和应用范围。

冷金属过渡焊接是一种比较新的焊接方法,具有广阔的应用前景。

对铜-钢焊接接头结合机理方面的研究多集中于对青铜和钢焊接后的接头组织,对于紫铜与钢的焊接还需进一步探讨。

关键词:　铜-钢焊接　焊接方法　接头性能RESEARCH STATUS AND D EVELO P M ENT O F CO PPER-STEEL W ELD I NG Beijing University of Technol ogy Gao L u,L i Zhuox i n,L i Guodong,L i HongAbstract　The weldability,welding method and welded j oint p r operty of copper-steel welding at home and abr oad were p resented,and the existing p r oble m s such as hot crack,copper os motic crack and etc.were discussed,and a l ot of welding p r ocesses of copper t o steel were intr oduced and their characteristics and app licati ons were als o revie wed.It is showed that cold metal transfer welding is a ne w method and it has a wide p r om ising app licati on.Researches on the bonding mechanis m are mainly focusing on the m icr ostructure of br onze-steel welded j oint,s o further study and exp l orati on are needed on bonding mechanis m of copper-steel welding.Key words:　copper-steel weld i n g,　weld i n g m ethod,　jo i n t property0　前 言随着经济的迅速发展和科学技术的不断进步,新材料、新工艺、新设备不断涌现,对零部件的性能提出了更高的要求。

采用钢和铜复合零部件,因在性能与经济上优势互补,具有广阔的应用前景,如在转炉炼钢工程的氧气管道需要采用T2铜管和不锈钢管焊接[1],新一代航空发动机采用铬青铜与双相不锈钢电子束焊接[2],弹带上钢与纯铜的熔敷扩散焊等[3]。

文中对铜-钢焊接的可行性和研究现状进行了综述。

1　铜-钢焊接的主要特点在铜-钢焊接中,铜与铁的熔点、导热系数、线膨胀系数和力学性能等都有很大的不同[4],容易在焊接接头中产生应力集中,导致各种焊接裂纹。

另一方面,铜与钢的原子半径、晶格类型、晶格常数及原子外层电子数目等都比较接近,且铜与铁属于在液态时无限互溶,在固态下,虽为有限固溶,但并不形成脆性金属间化合物,而是以(α+ε)的双相组织形式存在,这是二者实现焊接的基本依据。

因此,只要克服前述的铜与铁在物理性能上存在差异的困难,是可以获得正常焊接接头的。

钢与铜及铜合金的焊接主要存在下面三个问题:(1)焊缝易产生热裂纹　由于铜与钢会形成低熔点共晶,以及线膨胀系数相差较大,焊缝容易产生热裂纹和晶界偏析(即低熔点共晶合金或是铜的偏析),因而焊接时,在较大焊接应力作用下,呈现出宏观裂纹。

(2)热影响区产生铜的渗透裂纹　铜及铜合金与不锈钢焊接时容易出现铜的渗透裂纹。

为防止渗透裂纹产生,需要合理选择焊接工艺,选用小的焊接热输入量;同时还要选择合适的填充材料,控制易产生低熔点共晶的元素(S,P,Cu2O,FeS,FeP),向焊缝中加入A1,Si,Mn,Ti,V,Mo,N i等元素。

(3)焊接接头力学性能降低　在焊接热循环作用下,接头中晶粒严重长大,杂质和合金元素掺入焊缝,容易形成各种脆性的低熔点共晶体或脆性相,使接头的塑性、韧性、导电性、耐蚀性等显著下降。

此外,金属的表面状态也会产生影响,如金属表面的氧化膜、表面吸附的空气分子、水等,都会给焊接造成很大的影响,焊接过程中也应给予充分重视。

2　焊接方法世界各国的研究者对铜和钢的焊接进行了实验和理论分析,目前常用的焊接方法有熔焊、压焊、钎焊和熔焊-钎焊等。

2.1　熔　焊文献[5]分析了铜-钢熔敷焊工艺方法。

研究表明,采用等离子弧、TI G电弧、高频感应、气保护连续炉、真空炉和模中熔铸工艺都可以很好地实现铜-钢焊接。

同时还分析了熔敷焊接的几种具体的工艺方法。

表明熔敷焊接方法具有效率高,基体金属不发生熔化、界面结合质量好、熔敷层厚度范围宽等特点。

文献[6]研究了铜与钢的二氧化碳气体保护焊。

通过理论分析和试验结果证明,采用实心焊丝CO2气体保护焊焊接铜与低碳钢接头是可行的。

焊前需预热至600℃,同时焊接过程中还需采取电炉加热保温,防止气孔的形成。

焊后保温2h后缓冷至室温,防止裂纹的产生。

焊接时尽量使电弧偏向铜侧,待铜加热到将要熔化时,再加热钢侧。

每焊完一道后,都要及时锤击焊缝边缘区域,以减轻焊接应力。

铜与低碳钢接头焊缝为(α+ε)固溶体组织,接头中含Fe量为40.28%,试验结果表明其抗裂能力较强,能满足一定性能的要求。

文献[7]针对炮弹使用中涉及到的铜-钢焊接开发了一种模中熔敷焊技术,模中熔敷焊的焊接过程是基于渗透技术,在熔化的脱氧剂中,预热导弹弹体即钢要焊接的部位,预热温度低于母材熔点的温度。

然后把预热的部分浸入到熔化的铜溶液中,并保持一段适当的时间。

熔化合金的熔点要低于母材的熔点。

最后,在特殊的模中实现冷却。

采用这种方式实现了铜和钢的冶金结合,消除了铜的渗透现象,同时没有泛铁现象发生。

文献[8]对T2紫铜与10钢电子束焊接工艺进行了研究。

焊前采用散焦电子束并稍偏T2紫铜侧对待焊部分进行预热,这样有利于减少热裂纹倾向、增加焊接熔深并使焊缝表面成形改善。

以合适的焊接参数(加速电压为60kV,电子束流为50～200mA,焊接距离120mm,焊接速度2～4mm/s,聚焦电流560～580mA)对T2紫铜/10钢异种材料进行真空电子束焊接,可以获得满意的焊缝。

文献[9]使用激光焊接方法对铜-钢焊接进行了研究。

采用激光熔覆方法来获得纯铜与不锈钢的连接,具有生产效率高、熔覆层均匀以及与基体之间具有良好的冶金结合等优点,近年来在工业中得到日益广泛的应用。

文章主要研究工作是用激光熔覆方法在316L不锈钢表面获得厚度为10～100μm的纯铜薄层。

分析和讨论了激光熔覆工艺参数和激光功率、熔覆速度、离焦量以及送粉率等对熔覆层质量的影响,提出了获得低稀释率超薄铜层的实施方法。

采用该方法,获得的铜层熔覆厚度在100μm之内,稀释率控制在10%以下。

同时,用金相分析和显微硬度测量可以有效地评定熔覆层的质量及其稀释率。

工艺试验表明,激光熔覆速度和送粉率是影响熔覆层稀释率的两个重要因素。

在多道搭接熔覆时,需要考虑前道熔覆层对表面状态的影响。

2.2　压　焊文献[10～11]研究了紫铜与低碳钢和高碳钢的摩擦焊。

其中文献[10]研究了紫铜(T2)与低碳钢(20钢)棒材的连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊。

在主轴转速为760r/m in、摩擦压力为144～162MPa、顶锻压力为215～250MPa、摩擦时间为0.4～0.6s、顶锻时间为0.1s、保压时间为5s的工艺参数下,实现了紫铜与低碳钢的连续驱动摩擦焊;在主轴转速为770r/m in、焊接压力为179～215MPa、焊接时间为0.6～0.8s的工艺参数下完成了紫铜与低碳钢的惯性摩擦焊。

结果表明:两种摩擦焊的焊接性尚可,接头室温抗拉强度达到母材铜的85%以上,热影响区很窄,且是细晶组织。

文献[11]则研究了紫铜与高碳合金钢(D50或D60)的径向摩擦焊。

试验结果证明,紫铜与高碳合金钢采用大参数的惯性摩擦焊工艺时,摩擦面的线速度>2.9m/ s、焊接时间≤1s时,焊接接头基本与紫铜等强,钢侧的焊接热影响区厚度小于0.15mm,焊接热影响区无异常组织出现。

爆炸焊是焊接加工领域中的一种特殊加工工艺,在大面积板材的焊接、过渡接头的焊接、管与管的焊接、管与板的焊接以及水下焊接等方面,具有操作过程简便、省时、省力和经济的优点。

铜-钢的焊接也可以通过爆炸焊的方法实现。

大量的研究均关注于焊接两种金属在界面处形态的改变[12～14]。

文献[15]对爆炸率和不同的爆炸基准距进行了研究。

在爆炸率为1.5m/s时,接头界面平整;当爆炸率为2.5m/s时接头界面呈波状。

当基准距增加时,界面呈波状变化。

爆炸率和基准距同时增加时,接头界面处的波的振幅增大。