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第三章异种非铁金属的焊接第二节镁、铜、钛、镍的焊接一、镁及镁合金的焊接•进入21世纪对材料提出新的要求：轻质、高强、绿色•镁合金被誉为21世纪绿色工程材料特点：比重轻镁（1.74）、铝（2.70）、铁（7.87）比强度和比刚度高比铝、钢都高易于机械加工、废料易回收•我国的镁资源居世界首位。•镁合金在车辆中应用对车体减重、降噪具有重要意义。1、镁合金的特点及应用（1）镁合金的密度是钢的23％，铝的67％，塑料的170%，是金属结构材料中最轻的金属。在相同的强度和刚度况下，用镁合金做结构件可以大大减轻零件重量。（2）镁合金与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击震动负荷。（3）镁合金具有较好的铸造性和加工性能。（4）镁合金电磁屏蔽性能和导热性均较好，适合于作发出电磁干扰的电子产品的壳、罩，尤其是紧靠人体的手机。（5）镁合金有较高的尺寸稳定性，稳定的收缩率，铸件和加工件尺寸精度高，除镁-铝-锌合金外，大多数镁合金在热处理过程及长期使用中由于相变而引起的尺寸变化接近于零，适于做样板，夹具和电子产品外罩。（6）镁合金对缺口的敏感性比较大，易造成应力集中。125℃以上的高温条件下，多数合金的抗蠕变性能较差，这在选用它和设计零件时应考虑。（7）可回收。与塑料类材料相比，镁合金具有可回收性。这对降低制品成本、节约资源、改善环境都是有益的。熔点、沸点低2、镁合金的焊接特点特性缺陷导热快性质活泼蒸汽压高低表面张力热膨胀系数大线膨胀系数大热应力热裂纹咬边气孔过热、晶粒粗大蒸发氧化（1）氧化、氮化和蒸发镁易与氧结合，在焊接的高温下会生成MgO，易使焊缝形成细小片状的固态夹渣而降低性能。镁还与空气中的氮化合生成Mg3N2，导致焊缝的塑性降低，脆性变大。镁的沸点1100℃左右，在焊接高温下容易蒸发。因此，镁合金焊接需要严格的保护措施。（2）热裂纹倾向在焊接过程中，镁与一些合金元素（Cu、Al、Ni等）易形成低熔点共晶体，在脆性温度下容易形成热裂纹。镁熔点低，热导率高，较大的焊接热会导致焊缝及近缝区金属产生粗晶现象，降低了接头的性能。镁的热膨胀系数较大，是铝的1.2倍，焊接时易产生较大的热应力和变形，加剧裂纹的形成。（3）气孔和烧穿氢在镁中的溶解度随温度降低而急剧减少，焊后随着温度下降，大量氢析出产生气孔。由于镁合金表面的氧化薄膜比合金熔点高，随着焊接温度升高，两者不能熔合，导致焊缝烧穿和塌陷，尤其在焊接镁合金薄板情况下容易出现这种情况。3、镁合金焊接方法（1）传统的焊接方法钨极氩弧焊（TIG）熔极氩弧焊（MIG）（2）先进的焊接技术活性钨极氩弧焊（A-TIG）真空电子束焊激光-氩弧复合焊搅拌摩擦焊（FSW）•钨极氩弧焊特点：焊接成本低、组对间隙较宽焊接效率低（焊接速度为300-500mm/min）焊接原理示意图焊接镁合金：拉伸强度为母材的70~100%疲劳强度仅为母材的60-80%•熔化极气体保护焊焊接装置示意图特点：焊接成本低、组对间隙较宽焊接效率较高（焊接速度为500-800mm/min）焊接镁合金：拉伸强度为母材的80~100%疲劳强度仅为母材的50%•搅拌摩擦焊焊接装置示意图特点：组对间隙很宽，温度低焊接效率低（焊接速度为300~800mm/min）焊接镁合金：拉伸强度为母材的75~90%疲劳强度仅为母材的60~80%•激光焊焊接装置示意图特点：焊接成本高、组对间隙较严焊接效率高（焊接速度为1000~3000mm/min）焊接镁合金：拉伸强度为母材的90~100%疲劳强度仅为母材的90%以上容易产生气孔•激光-电弧复合热源焊接激光+TIG（1979年）试验装置原理图W.Steen在20世纪80年代末首次提出激光-电弧复合焊接技术激光+MIG（1982年）激光+PA（1984年）激光束钨极电弧高效优质低成本环保熔池(500W)激光焊接及其原理定义：激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密的焊接方法。其中，根据激光对工件的作用方式和激光器输出能量的不同，可将激光焊分为连续激光焊和脉冲激光焊。图片来自《现代激光焊接技术》0原理；光子轰击金属表面形成蒸汽，蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属具有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光光波入射材料时，材料中的带电粒子依照光波电矢量步调振动，使光子的辐射变成了电子的动能。物质吸收激光后，首先产生的是某些质点的过量能量，如自由电子的动能，束缚电子的激发能或者还有过量的声子。这些原始激发能经过一定过程在转化为热能。图片来自--《现代激光焊接技术》采用310kw的IPGYLR23000光纤激光焊接设备进行平板熔焊实验,如图所示。该设备的最大输出功率为310kw,激光连续输出,波长为1070nm,聚焦光斑直径为0.1436mm,焦距为341mm。焊接过程中,采用轴向、侧向氩气对焊缝及熔池进行保护。焊接前用丙酮清洗试样表面去除油污,然后用钢丝刷清理表面去除氧化膜。光纤激光焊接装置图片来自--《镁合金光纤激光焊接工艺及接头组织分析》以光纤激光焊接AMCa403镁合金为例：.焊后取焊接接头的横截面,通过粗磨、精磨、抛光后先进行宏观分析,右图是焊缝表面形貌。由图可见,焊缝表面均匀圆滑、连续,鱼鳞纹细密均匀,无明显的焊接缺陷。焊缝表面形貌图片来自--《镁合金光纤激光焊接工艺及接头组织分析》接头组织分析右图是光纤激光焊接接头的显微组织。图中左侧为母材区,右侧为焊缝区。母材和焊缝交界处的热影响区不明显,母材为粗大的等轴晶,焊缝晶粒明显细化。该接头组织与焊接状态和镁合金自身特性有关。光纤激光能量密度高,焊接时热输入小,因此热影响区小。光纤激光能够迅速熔化焊件,镁合金的热导率大,冷却速度快,所以晶粒明显细化。图片来自--《镁合金光纤激光焊接工艺及接头组织分析》.右是功率为115kw时,不同速度下的焊缝区组织。可见,随着焊接速度增加,晶粒变小。这是因为随着焊接速度增加,焊缝金属加热时间变短,热输入减少,因此晶粒细化,同时更多的合金元素熔入其中，显微硬度明显增大。图片来自--《镁合金光纤激光焊接工艺及接头组织分析》1234铜及铜合金按化学成分分类，可分为：纯铜、黄铜、青铜、白铜等。下面我们分别介绍一下。常见的铜及铜合金都有哪几种呢？二、铜及铜合金的焊接1、铜的分类(1)纯铜•纯铜中铜的质量分数不小于99.95%，呈玫瑰红色，氧化膜呈紫色，俗称紫铜。•纯铜具有很高的导电性、导热性，良好的耐蚀性和塑性。熔点1083℃。•纯铜在退火状态（软态）下塑性较高，但强度不高；通过冷加工变形后（硬态），强度和硬度均有提高，但塑性明显下降。冷加工后经550～600℃退火，塑性可完全恢复。焊接结构一般采用软态纯铜。•纯铜主要用作导电材料，如电线、电缆等，还可用来配制各种合金。•纯铜及其合金用于制造不受磁性干扰的仪器，如罗盘、航空仪表、炮兵瞄准环等。(2)黄铜•黄铜是指以锌为主要合金元素的铜合金，表面呈淡黄色，因此称黄铜。•黄铜的耐蚀性高，冷热加工性能好，导电性比纯铜差，力学性能与Zn的含量有关，一般优于纯铜，应用较广泛。•黄铜的牌号为H××，其中“H”是汉语拼音“黄”的第一个字母，后面“××”两位数字表示铜的质量分数，其余为锌。例如H96表示铜的质量分数为96%的黄铜。普通黄铜用途：•H80和H90用作镀层及装饰品，奖章等；•H68和H70适用于冷冲压制造形状复杂的零件，如弹壳、波纹管等；•H59和H60用于制作要求导电、耐蚀有适当强度的结构件，如螺栓螺母、弹簧、套轴等。•在黄铜中除了Zn还加入锡、铅、锰、硅、铁等元素就成为特殊黄铜，例如HPb59-1就表示铜的质量分数为59%、铅的质量分数为1%、其余为锌的特殊黄铜。•分别加入其它元素能改善黄铜的不同性能，如力学性能、耐蚀性能、或铸造性、加工性等；而且一般都能提高其强度。(3)白铜•白铜为镍的质量分数低于50%的铜镍合金。•如在白铜中加入锰、铁、锌等元素可形成锰白铜、铁白铜和锌白铜。•白铜可分为结构用白铜和电工用白铜。在焊接结构中使用的白铜不多。(4)青铜•原指铜锡合金，现在指不以锌和镍为主要合金元素的铜合金统称为青铜。•青铜具有良好的耐磨性、耐蚀性、铸造性能和力学性能。•常用的青铜有锡青铜（QSn4-3）、铝青铜（QAl9-2）和硅青铜（QSi3-1）等。•锡青铜：适用于铸造或压力加工，Sn质量分数一般为3%~14%，耐蚀性好，一般用来制作化工零件、弹簧、精密仪器中的齿轮、接触器等、耐磨零件如连杆、涡轮、活塞离合器、泵件压盖等。•铝青铜：比锡青铜具有更好的耐蚀性和力学性能。常用来制造要求耐蚀的弹簧、摩擦轮、蜗轮传动机构、轴承等。知识点1----总结类别主要合金元素分类常用牌号举例特征纯铜----黄铜青铜白铜----类别主要合金元素分类常用牌号举例特征纯铜无----良好的导热性、导电性、耐蚀性、塑性黄铜锌黄铜H68/H96耐蚀性好，加工性能好，导电性能比纯铜差，力学性能比纯铜好特殊黄铜HPb59-1青铜除锌和镍以外的元素锡青铜QSn4-3良好的耐磨性、力学性能、铸造性能、耐蚀性能。铝青铜QAl9-2硅青铜等QSi3-1白铜镍----耐蚀性好，力学性能好2、铜及铜合金的焊接性•铜及铜合金的焊接性比较差，焊接铜及铜合金比焊接低碳钢困难很多。想一想：铜及铜合金是否容易焊接呢？焊接铜之问题1-----难熔合、易变形•由于铜的导热性很强（铜和大多数铜合金的热导率比普通碳钢大7～11倍），焊接时热量从加热区迅速传导出去，焊件越厚散热越严重。焊接时难以达到熔化温度。•焊接时薄件会产生较大的变形，厚大焊件产生很大的应力。•液态铜表面张力小，流动性大，因此焊缝成型差，熔化金属易流失。焊接铜之问题2-----热裂纹倾向大•铜及铜合金的焊接裂纹一般出现在焊缝上，也有出现在熔合区及热影响区，裂纹呈晶间破坏特征，从其断面可以看到明显的氧化色彩。（1）产生热裂纹的主要原因•铜与其中的杂质可形成多种低熔点共晶引起热裂纹。•铜及铜合金的线胀系数和收缩率比较大，而且导热性强，焊接时会产生较大的焊接应力。•纯铜焊接时，焊缝为单相组织，且由于铜的导热性强，焊缝易生成粗大的柱状晶。•这些因素都会加剧热裂纹的生成。•高温下的铜与空气中的氧反应生成Cu+Cu2O（熔点为1064℃)•杂质Bi和Pb本身的熔点低，且在熔池结晶过程中与铜分别生成熔点很低的共晶组织Cu+Bi（熔点为270℃）和Cu+Pb（熔点为326℃）•S能较好地溶解在液态铜中，但当凝固结晶时，在固态铜中的溶解度几乎为零，S与铜形成Cu2S，Cu2S+Cu（熔点为1067℃）•这些低熔点的共晶组织分布在枝晶间或晶界处，都将促使焊缝产生热裂纹；焊接加热时，热影响区的低熔点共晶会重新熔化，在焊接应力作用下会产生热裂纹。（2）防止铜及铜合金热裂纹的措施1）严格限制铜及铜合金中杂质的含量。2）在焊丝中加入硅、锰、磷等合金元素，增强对焊缝的脱氧能力。3）选用能获得双相组织的焊接材料，使低熔点共晶分散、不连续，打乱柱状晶的方向性，使焊缝晶粒细化。4）采用预热、缓冷等措施减小焊接应力。焊接铜之问题3-----容易形成气孔•熔焊铜及铜合金时，气孔倾向比低碳钢大得多，引起气孔的主要是氢和氧。1）铜在凝固时对氢的溶解度大大降低，焊接时焊缝冷却速度较快，氢来不及溢出形成气孔。2）高温下Cu与氧生成Cu2O不溶于铜，析出时与H或CO反应生成水蒸气或CO2。3）铜的热导率大，冷却凝固速度更快，更不利于气体上浮溢出。•减少和消除铜焊缝中的气孔的主要措施：1）减少氢和氧的来源。2）采取预热措施来延长熔池存在时间，使气体易于逸出。3）采用含有铝、钛等强脱氧剂的焊丝，或在铜合金中加入铝、锡等元素。焊接铜之问题4-----焊接接头性能下降1）塑性显著降低：晶粒变粗，低熔点共晶的存在，使接头塑性和韧性显著下降。2）导电性下降：铜中任何杂质和合金元素的溶入都会降低导电性。3）耐蚀性降低：铜中Zn、Mn、Ni、Al等