铜-钢异种材料摩擦堆焊技术研究(2)
铜和钢作为两种重要的金属材料，它们在如工业生产、机械制造、载人航天等行业发挥着重要作用，并且每年的需求量都在不断提高，材料性能要求也不断的提高。所以铜钢连接的工艺性显得尤为重要。由于铜和钢具有不同的物理化学性质，在使用传统熔化焊进行焊接时，常会出现热裂纹、焊缝金属脆化、接头未焊透等这样或那样的焊缝缺陷。然而铜和钢如果使用摩擦焊就不会出现这些问题，所产生的焊敷层耐磨、抗腐蚀性能好，并且摩擦焊还可以拓展到其他应用行业，在进行摩擦轧制的时候、在进行零件的快速制造的时候、在进行复合材料制备的情况下和材料的再生再利用等方面具有巨大潜力【1】。
目前，国内外都对摩擦堆焊进行了比较深入的研究。比如北京航空航天大学对摩擦堆焊工艺进行了研究，发现随着堆焊压力的增加，堆焊层宽度增加厚度减小【2】。随着耗材的转速增加，对焊层宽度增加厚度减小，并且堆焊层显微硬度缓慢下降。Shinoda等人对母材与焊敷层成分进行了研究，发现焊敷层基本没有被稀释，并且焊敷层碳化物分布均匀，晶粒也得到了细化。Li等人发现在水中进行摩擦堆焊，得到的焊敷层更薄且宽，而且氧化物比较少，显微组织比较致密【3】。
1.2 铜钢焊接的难点
铜与钢的焊接难点在于异种金属之间的焊接，它们的熔点、导热系数和热膨胀系数等都存在着比较大的差异，所以焊接时存在很多困难。铜与钢物理、化学性质的差异，如表1.1所示。从表中可以发现，铜与钢的熔点有着相对较大的差异，焊接时随着温度的上升铜先到达熔点，这个时候钢还处于固体状态，而且两者的导热系数相差很大，铜的导热系数大约是钢的6倍，当从室温开始预热时，两种材料温度的上升速度不一样，这会使接触面两侧温度不均匀，很难使得焊接热量集中于焊缝，焊接时两侧热量很难控制。两者的线膨胀系数也相差很大，铜的线膨胀系数大约是钢的1.5倍，在冷却结晶后焊缝会产生内应力，从而使得焊接接头力学性能下降。
表1.1 铜与钢的物理性质
1.3 铜钢的焊接方法
1.3.1 摩擦焊
摩擦焊是一种将机械能转变为热能，从而使得固相相连接的焊接方法。摩擦焊是通过两金属端面之间的摩擦产生热量，实现金属相连接的。摩擦焊的过程中最高温度不会超过金属的熔点，在进行异种金属摩擦焊时端面的温度不会超过两种金属中较低熔点金属的熔点。一方面，擦焊得到的焊敷层几乎无稀释，两种金属并没有互相融合，而且形成的表面层具有耐磨抗腐蚀性能；另一方面，摩擦焊还可以应用到材料的表面改性，增强材料的表面性能的作用。
1.3.2 熔化焊
熔化焊的方法时常会出现热裂纹、金属脆化等焊接缺陷。并且铜比较容易氧化，铜与钢的互溶性比较差，它们的合金元素容易产生低温共晶体，存在于晶界之间。所以通过熔化焊焊接铜与钢，接头很容易产生焊接缺陷，质量很难保证。因此使用熔化焊进行铜与钢的焊接并没有进行广泛的应用。最近几年，汽车、轮船和航空航天等各个领域对于金属焊接的需求量越来越大。熔焊所具有的高效灵活等特点，非常适用于各个行业，这种焊接方法也是工业应用的主要考虑方法。
1.3.3 爆炸焊
爆炸焊是利用一定范围内可控能量爆炸的一种固相焊接方法。通过爆炸焊可以起到异种金属的连接，比如可以实现钛、铝、铜、钢等金属的连接，焊接接头的质量也比较高。爆炸会使两种金属高速撞击碰撞，爆炸焊的过程经历的时间非常短，两种金间的作用时间也很短。而爆炸后金属的形态介于固体与液体之间的固溶状态，撞击区形成两种金属的融合线，实现了异种金属的连接。