1. 目的及意义(含国内外的研究现状分析)

我国铜资源短缺现状愈发严峻,铜价不断上涨达到80000元每吨,而铝20000元每吨比铜便宜许多，并且铝具有密度小、比强度高、导热性、抗腐蚀破坏能力优异好等一系列优点，所以铝代铜技术已成为缓解我国铜资源短缺现状的重要途径。铜铝异种金属连接在工业上的应用极为广泛，特别是在制冷行业中，铜铝复合管的作用非常重要。但是，通过连接这两种金属来制造良好的接头是困难的，因为它们具有明显不同的熔点，熔化热和线性膨胀，这导致了大的错位应变和接头中的残余应力。此外，铜和铝是不相容的金属，易在界面处产生具有脆性，低强度和高电阻性质的金属间化合物（IMC）^[1]。所以就有必要研究新焊接工艺来实现铜铝的良好连接。

1.1国内外研究现状分析

1.熔化焊 熔化焊是指不施加外力，只通过局部加热使焊缝处的金属熔化，进而连接母材的方法，其本质就是一个小型熔池，因此在冷却凝固后焊接接头相对牢固。熔化焊包括TIG焊、MIG焊、气焊、埋弧焊、激光焊和电子束焊等方法。其熔化焊过程中，由于铜和铝的熔点相差较大，往往造成铝熔化了而铜还处于同态，易形成未熔合和夹杂，焊接难度较大。铜和铝强烈氧化形成氧化膜，氧化膜中含有一定量的吸附水和结晶水，容易在焊缝中产生气孔等缺陷。铝铜熔焊过程极易产生脆性金属间化合物，接头的强度随着金属间化合物的增加而降低。必须将焊缝中金属间化合物脆性层控制在1μm以下，且焊缝中铜质量分数在12％～13％以下时才具有最佳综合性能^[2]。虽然Mai^[3]等人采用350WNd：YAG激光焊成功地对1 mm厚的铜和铝进行了焊接，得到了满意的接头，但是焊缝周围的温度梯度太大，接头的残余应力较高且设备非常昂贵、对周围环境要求很高，生产效率也较低。

2.超声波焊接 超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的融合。对异种材料的焊接中，超声波焊接方法比较简单，只需要对焊接件施加超声和压力作用，使异种材料接触面发生摩擦，并将铝表面的污染物及氧化膜撕裂清除，从而使两个干净的接触面产生原子扩散，铝和铜均在没有达到熔点的基础上发生粘结作用。这种焊接方法不需要外加热源，也不需要接电，焊接时不会出现液相和气相，所以也不会出现脆性金属间化合物。Shin．ichiMatsuoka^[4]等人利用超声波对铜铝进行了水下焊接．并与在空气中超声焊接进行对比，两种方法所得接头强度相近，表明超声波焊接所能达到的接头强度与焊接环境无关．不过由于水散热较快，需要较大的压力和焊接时间。不管在空气中还是在水下超声波焊接只能焊接较小的金属件，不适用于大型的、较厚的金属件焊接，且超声波焊接的设备投资大，工艺复杂。

3.钎焊 钎焊是指低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接的焊接方法。现阶段铜铝钎焊还有很大的提升空间，不断改善钎料性能, 以求获得铜铝良好的接头。对于钎料, 当前主要是Zn-Al系等钎料体系来满足铝铜的焊接。姬峰^[5]系统地研究了微量Ti、Ce的添加对Zn-22Al钎料组织、性能以及铜铝钎焊接头性能的影响，并对其在钎料和接头中的作用机理进行了探讨。邹家生等人^[6]采用自制的不同成分的锌铝钎料对6063铝合金和纯铜进行了炉中钎焊和火焰钎焊两种钎焊方法的研究。结果表明,采用Zn80Al20钎料进行钎焊可得到最佳综合性能的接头。对比两种钎焊工艺发现,火焰钎焊接头性能、耐腐蚀性能均优于炉中钎焊接头的,研究人员认为这是因为火焰钎焊加热速度快,高温停留时间短,冷却速度快,使得钎缝组织晶粒细小所致。研究者还在锌铝钎料中加入一定量的Ag进行钎焊试验,结果发现其接头致密,力学性能和耐腐蚀性能较好,证明了Ag可以提高锌铝钎料的润湿性,使钎料组织变质及晶粒细化,从而提高铝铜接头的强度。杜隆纯等人^[7]首先在硬铝表面镀一层Ni-P合金,然后采用无铅Sn-5Sb合金作为钎料对2A12铝合金和纯铜进行炉中钎焊。研究表明,液态钎料和Ni-P镀层以及铜表面产生了冶金结合,钎缝处结合紧密,没有发现气孔、夹渣等缺陷。在钎缝中的Ni-P层与钎料之间形成金属间化合物Ni3Sn4,而没有发现Al元素,说明镀Ni层阻止了Al元素的扩散;在Cu与钎料界面处则形成了连续的扇贝状Cu6Sn5相,而且测得IMC厚度仅为3.38μm。钎焊铜铝接头的质量较好，而且钎焊的设备投资少、工艺较简单，成本和生产效率高。

1.2研究的目的和意义

根据国内外研究现状我们可以看出铜铝异种金属焊接钎焊的前景是很好的，本文也将采用钎焊。但对于内外管管径相差较大的不等径铝铜管件钎焊而言，如果直接钎焊必将使用大量的钎料，而大量钎料的使用也将使得母材过度向钎料层溶解造成焊接缺陷，因此在类似的情况下，钎焊前必须先将钎料布置在预定位置，再使用一种辅助手段将外管缩径，进行辅助钎焊。

磁脉冲成形是一种新型高能率成形技术,磁脉冲成形是应用电磁力使待连接金属在极短时间内发生塑性变形产生强烈的碰撞而连接在一起的一种连接工艺^[8]。磁脉冲成形具有模具简单，零件精度高，表面质量好，可提高材料塑性变形能力，利于采用复合工艺等特点。磁脉冲成形技术不但可用于连接同种金属材料，而且适用于连接异种金属材料。依据磁脉冲连接工艺所使用的能量不同，在低能量条件下磁脉冲成形主要形成机械式的连接接头，在高能量条件下磁脉冲成形可以形成冶金式的复合接头。除此之外，磁脉冲成形过程由于存在高速的撞击过程，可以有效的清洁待焊工件表面，破碎待焊工件金属表面的氧化膜，在一定程度上可以起到清洁工件外表面的效果。

故可以把磁脉冲成形与钎焊结合起来，以Zn-Al钎料为钎料，用磁脉冲来辅助钎焊焊接，提出一种将两者复合的异种金属管件焊接新工艺，即磁脉冲辅助无钎剂钎焊。磁脉冲辅助无钎剂钎焊与传统钎焊方法相比，最大的不同点就在于焊接时钎料被加热到半固态，即处于固相与液相成分共存的状态。这种半固态钎料具有一些独特的组织性能，比如：钎料中的液相分布在球状晶粒之间；由于钎料中球状固相晶粒的存在，使得钎料具有较大的抗变形能力和黏性；同时又由于液相成分的存在，使得钎料具有良好的流动性和扩散性能。磁脉冲辅助无钎剂钎焊正是利用半固态钎料所具有的这些独特的组织性能加上电磁力作用下的高速撞击以撞碎氧化膜来除母材表面的氧化膜，并最终实现连接。