论文总字数：18527字

摘 要

当下是铜资源匮乏的阶段，因此提出了“铝代铜”战略，将铝材代替铜材运用到市场中，尤其是制冷行业，但由于某些零部件对材料性能要求高，因此铜/铝异种金属的焊接成为决定“铝代铜”能否广泛推广的关键。本课题焊接方法选用加热速率快的高频感应钎焊，钎料采用SUPER5A锌铝系药芯焊丝，对铜铝不同种金属进行焊接，得到焊接接头，再对焊接接头进行显微组织观察、力学性能以及耐腐蚀性能研究。本课题目的为铜/铝钎焊理论研究提供实验基础。研究成果表明，铜/铝焊接接头组织由Zn固溶体与Al固溶体混合物以及CuAl₂金属间化合物构成。焊接接头的硬度最高为75.7 HV，剪切强度最高为39.3 Mpa，抗拉强度高于60 MPa。焊接接头的耐腐蚀性能处于铜母材和铝母材中间。

关键词：铜/铝钎焊；显微组织；力学性能；耐腐蚀性能。

Abstract

Nowadays, copper resources are scarce. Therefore, the “aluminum instead of copper” strategy was proposed to replace aluminum with aluminum in the market, especially in the refrigeration industry. The welding of dissimilar metals has become the key to determine whether "aluminum instead of copper" can be widely promoted. This subject selects the welding method of high-frequency induction brazing. The brazing material is Zn-Al flux cored wire (SUPER5A). The microstructure, mechanical properties and corrosion resistance of copper / aluminum brazed welded joints are studied. / Theoretical research on aluminum brazing provides an experimental basis. The research results show that the structure of the welded joint is composed of a mixture of zinc-based solid solution and aluminum-based solid solution and a gray bulk CuAl2 phase. The maximum hardness of the welded joint is 75.7 HV, the maximum shear strength is 39.3 Mpa, and the tensile strength is higher than 60 MPa. The corrosion resistance of the welded joint is between the copper base material and the aluminum base material.

Key words：Copper / aluminum brazing; microstructure; mechanical properties; corrosion resistance.

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 铜/铝异种金属焊接的问题 1

1.3 高频感应钎焊铜/铝的研究现状 2

1.4 铜/铝钎焊接头的耐腐蚀性研究现状 3

1.5 课题研究内容及目的 4

第2章 实验材料及设备 5

2.1 引言 5

2.2 实验材料 5

2.2.1 母材 5

2.2.2 钎料及钎剂 5

2.3 实验设备 6

第3章 高频感应钎焊实验及工艺分析 7

3.1 引言 7

3.2 铜/铝焊接结构 7

3.3 铜/铝焊接工艺优化 7

3.4 本章小结 8

第4章 铜铝钎焊接头的显微组织研究分析 9

4.1 引言 9

4.2 显微组织观察 9

4.3 显微组织分析 9

4.4 本章小结 10

第5章 铜铝钎焊接头的力学性能研究分析 11

5.1 引言 11

5.2 显微硬度测试实验及硬度分析 11

5.3 剪切强度测试实验及分析 11

5.3.1 铜/铝板剪切强度测试实验及分析 11

5.3.2 铜/铝管拉伸强度实验及分析 12

5.4 铜/铝钎焊接头的断口分析 12

5.5 本章小结 13

第6章 铜铝钎焊接头的耐腐蚀性能研究分析 14

6.1 引言 14

6.2 铜/铝钎焊接头浸泡腐蚀实验结果及分析 14

6.2.1 铜/铝钎焊接头浸泡腐蚀实验过程 14

6.2.2 铜/铝钎焊接头浸泡腐蚀结果分析 14

6.2.3 腐蚀后铜/铝板接头剪切试验 16

6.3 铜/铝钎焊接头晶间腐蚀实验结果及分析 16

6.3.1 铜/铝钎焊接头晶间腐蚀实验过程 16

6.3.2 铜/铝钎焊接头晶间腐蚀实验分析 16

6.4 铜/铝钎焊接头的电化学性能研究 17

6.4.1 铜/铝钎焊接头的电化学腐蚀实验结果及分析 17

6.4.2 电化学腐蚀微观形貌 18

6.5 本章小结 19

第7章 结论 20

参考文献 21

致谢 22

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

铜具备优良的导电性能、导热性能、加工性能和耐腐蚀性能等性能，广泛运用在国内的制冷行业上，如空调、冰箱、冰柜等制冷设备的生产上。据《2018年中国铜管行业企业产能分布及下游应用需求分析》报告中提到，当前中国约有75%铜管产品用于空调与冰箱、冰柜等设备的零部件，2015年我国铜管消费量为160万吨，2018年已经增长到219万吨，这可看出我国对铜管产品的消费需求非常大。然而供需不匹配的是，中国是铜消费大国，但不是铜矿大国，资源十分有限，铜储量不到世界总量的一成，铜基本储量同样不到世界总量的一成，对于铜资源日益增长的需求只能依靠进口才能满足，据数据可知，中国2003年铜精矿进口量为266.7万吨，2014年竟达到1182万吨，增长了近4.5倍。铜的用途十分广泛，再加上资源匮乏，铜的价格长期居高不下，一直保持在40000元/吨甚至是更高的价格，制造行业尤其是制冷行业的生产成本不断增加，利润空间不断被压缩，行业竞争日愈激烈。

许多国内外研究学者将目光投向铝上，并提出了“铝代铜”，其主要原因有四个，第一是铝与铜材料性能相近，具备良好的导电、导热、加工以及耐腐蚀等性能；第二是铝材的价格十分低廉，仅为铜材的四分之一到三分之一，约是10000元/吨；第三是铝资源十分丰富，铝在地壳的含量约为8 %，而铜仅约为0.01%；第四是我国的铝矿资源十分丰富，是铝矿出口大国。铝凭借以上优势逐渐取代铜成为空调、冰箱等制冷行业的主要原料，但当前铝尚不能完全取代铜，因为在制冷行业中，干燥过滤管、毛细管、压缩机三管等制冷管道对材料的要求比较高，需要较高的耐蚀性、密封性和抗压性，而在该方面上，铝不及铜的好。因此提出了将铝和铜焊接起来，对材料要求高的地方使用铜材，对材料要求低的地方使用铝材，进而减少铜的使用，降低生产成本。当下如何获得良好的综合性能以及便于加工的铜/铝焊接接头已成为是当下的研究热点。

1.2 铜/铝异种金属焊接的问题

“铝代铜”技术的最大难点是在于如何将铜/铝异种金属焊接好，并获得优良的整体性能以及便于加工的铜/铝焊接接头。但铜和铝的结构特点和性能不一，尤其是熔点、线膨胀系数、导电率等物理性能，其中铝熔点为660ºC，铜为1083 ºC，双方相差423 ºC；铝线膨胀系数为2410^-6·K^-1，铜为16.610^-6·K^-1，双方相差7.410^-6·K^-1；铝热导率为206.9 W·m^-1·K^-1，铜为359.2 W·m¹·K^-1，双方相差70%以上。因此铜/铝在焊接过程中会面临很多问题，一旦处理不好将会影响到焊接接头的质量。

问题一是铜和铝均容易被氧化。铜、铝表面均会生成致密的氧化膜，其中铝材与氧气生成Al₂O₃氧化物，其熔点为2050 ºC；铜和氧在高温下生成CuO Cu₂O氧化物，其熔点为1227 ºC，Al₂O₃氧化物与CuO Cu₂O氧化物熔点相差太大，影响钎料和母材之间的润湿和界面的熔合，降低焊接效果。同时在铜/铝钎焊接头冷却时，Al₂O₃以及CuO Cu₂O等氧化物会以夹杂或者共晶体的方式分布在晶界，容易使钎缝产生裂纹，裂纹继续延展将会发生脆性断裂。

问题二是杂质元素的影响。在纯铝和纯铜中，铝和铜的含量不可能是100%的，存在少量的Bi、Pb、S、Fe、Si等杂质元素，在高温焊接时，当温度上升到1083 ºC时，铜会与这些杂质元素生成多种低熔点化合物，而这些化合物大部分以共晶组织的形式分布在晶界，进而降低铜/铝焊接钎缝的力学性能和耐腐蚀性。

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