铜复合热源搅拌摩擦焊接工艺研究(3)
1.2 铜及铜合金的焊接
铜及铜合金具有优良的导电、导热性能，冷、热加工性能良好，具有高的强度、抗氧化性以及抗淡水、盐水、氨碱溶液和有机化学物质腐蚀的性能。在电气、电子、动力、化工等工业部门中应用广泛。
1.2.1 铜及铜合金的分类
铜及铜合金分为工业纯铜、黄铜、青铜及白铜等。纯铜为铜的质量分数不小于99.5%的工业纯铜。黄铜是Cu-Zn二元合金，表面呈淡黄色。不以Zn、Ni为主要组成而以Sn、Al、Si、Pb、Be等元素为主要组成的铜合金称为青铜，常用的有锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜等。为了获得特殊性能，青铜中还加少量的其他元素，如Zn、P、Ti等。白铜为镍的质量分数低于50%的Cu-Ni合金，如白铜中加入Mn、Fe、Zn等元素可形成锰白铜、铁白铜、锌白铜[4]。
1.2.2 铜及铜合金的焊接性
铜及铜合金的化学成分、物理性能有独特的方面，焊接时以内在和外在的缺陷综合评价其焊接性的好坏。考虑到焊接结构应用主要是紫铜及黄铜，故焊接性分析是结合紫铜及黄铜熔焊来讨论的[4]。
（1） 难熔合及易变形
焊接纯铜及某些铜合金时，如果采用的焊接参数与焊接低碳钢差不多，母材散热太快、很难熔化，填充金属与母材不能很好的熔合，有时误认为是裂纹，实际是未熔合。另外，铜及铜合金焊后变形也比较严重，这与铜及铜合金的热导率、线膨胀系数和收缩率有关。
铜的热导率大，20℃时铜的热导率比铁大7倍多，1000℃时大11倍多。焊接时热量迅速从加热区传导出去，使母材与填充金属难以熔合。
铜的线膨胀系数比铁大15%，收缩率比铁大1倍以上，再加上铜及铜合金导热能力强，使焊接热影响区加宽，焊接时如被焊件刚度不大，又无防止变形的措施，必然会产生较大的变形。当工件刚度很大时会产生很大的焊接应力。
（2） 热裂纹
铜与杂质形成多种低熔点共晶，如熔点为326℃的（Cu+Pb）共晶、熔点为1064℃的（Cu2O+Cu）共晶和熔点为1067℃的（Cu+Cu2O）共晶等。氧对铜的危害性最大，它不但在冶炼时以杂质的形式存在于铜中，在焊接过程中还会以氧化亚铜的形式溶入。Cu2O可溶于液态铜，不溶于固态铜而生成熔点低于铜的易熔共晶。当焊缝含有质量分数为0.2%以上的Cu2O（含氧约为0.02%）时会出现热裂纹。
（3） 气孔
气孔是铜及铜合金焊接时的一个主要问题。纯铜、黄铜及铝青铜埋弧焊时只有氢及水蒸气易使铜及铜合金焊缝出现气孔。纯铜氩弧焊时，只要在氩气中加入微量的氢和水蒸气，焊缝即出现气孔。这主要是由于铜的热导率很高，铜焊缝结晶过程进行得特别快，氢不易析出，熔池易为氢所饱和而形成气泡，在凝固结晶过程很快的情况下气泡不易上浮逸出，氢继续向气泡中扩散，促使焊缝中形成气孔。并且，在焊接过程中形成的水蒸气和CO2不溶于铜，水蒸气和CO2来不及逸出而形成气孔。
（4） 焊接接头性能的变化
纯铜焊接时焊缝与焊接接头的抗拉强度，可与母材相近，但塑性比母材有一些降低。发生这种情况的原因，一是由于焊缝及热影响区晶粒粗大；二是由于为了防止焊缝出现裂纹及气孔，加入一定量的脱氧元素，这样虽可提高焊缝的强度性能，但也在一定程度上降低了焊缝的塑性，并使焊接接头的导电性也有所下降[4]。
1.3 搅拌摩擦焊简介
搅拌摩擦焊接时，由于轴肩与焊件上表面紧密接触，因而焊缝通常呈V型，接头一般形成三个组织明显不同的区域：焊核区，位于焊缝中心靠近搅拌针扎入的位置，一般由细小的等轴再结晶组织构成；热机影响区，位于焊核区两侧，该区域的材料发生程度较小的变形；热影响区，是在焊接过程中仅受到热循环作用，而未受到搅拌头搅拌作用的影响[5]。
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