铜与铝、钢异种金属焊接工艺设计

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（a）固态加热（b）金属表面熔化（c）稀薄的等离子体（d）深熔小孔和致密等离子体

3、深熔焊过程中的光致等离子体现象

等离子是指气体粒子中至少有一部分离子化，从而由中性粒子、阳离子、电子等聚合在一起所组成的气体或蒸汽状态。焊接过程中由于激光辐照金属材料汽化而产生的光致等离子，称为光致等离子体。激光深熔焊过程中，入射光束的能量密度较大，可以使得熔化的金属汽化，并在熔池中形成匙孔。在这一过程中，金属表面和小孔内喷出的金属蒸气及少量保护气体中的起始自由电子通过吸收光子能量而被加速，直至有足够的能量来碰撞蒸汽离子使其电离，此时电子密度便雪崩式增长形成致密等离子体。

激光能量密度较低时，等离子体仅由金属离子蒸汽组成，自由电子动能不足，还不足以使金属蒸汽原子产生雪崩式地电离，此时电子密度较低，停留在小孔的内部或紧贴在熔池表面。这种稳定的稀薄等离子层的存在有助于激光与金属材料的能量耦合。对于CO2激光与钢的相互作用而言，稀薄的等离子体可以使工件对激光的吸收率由10%达到30%~50%。在高功率密度激光深熔焊接条件下，产生的等离子体的电子密度很高，形态为高亮的羽团状，它的存在和变化行为对于激光深熔焊接过程有着非常重要的影响。光致等离子体位于熔池和小孔的上方的光路上，其本身的物理特性使其对激光束有折射、散射和吸收作用。

（1）光致等离子对激光束的吸收

等离子体通过多种机制吸收在其中传播的激光束的能量，使其本身的温度升高、电离度增大。吸收机制可分为正常吸收和反常吸收两大类。正常吸收即为逆韧致吸收，是由电子—离子碰撞引起的，处在激光电场中的电子被激励发生高频振荡，并且以一定的概率与粒子碰撞，把能量交给较重的粒子（离子、原子），从而使等离子体升温的过程。反常吸收是指通过多种非碰撞机制，使激光能量转化为等离子体波能量的过程。这些波能量通过各种耗散机制转化为等离子体的内能，也会使等离子体升温。

（2）光致等离子体对激光束的折射

由于电子密度的不均匀性，等离子体具有异常折射率性质，使得入射激光束发散，使得激光束的实际焦点位置下移，如图2-3所示。通过光谱分析和理论估算，在激光深熔焊中，等离子对激光的折射作用大大降低了作用在工件表面的激光能量密度。有研究人员将等离子体描述为一个负透镜，而等离子体对激光的折

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射作用则被称为负透镜效应。 4.3深熔焊的主要影响因素

（1）激光功率密度

进行深熔焊接的前提是聚焦激光光斑有足够高的功率密度（＞106W/cm2），因而激光功率密度对焊缝成形有决定性影响。激光功率同时控制熔透深度与焊接速度，一般来说，对一定直径的激光束，熔深随着激光功率的增加而增加，焊接速度随着激光功率的增加而加快。由于功率高、焊接速度快，可以有效防止焊缝中气体的聚集，有利于防止焊接区域形成和聚集气体的不稳定焊接截面。

对产生一定焊接熔深的激光功率似乎存在一个临界值，达不到这个值时熔深会急剧减小。由于焊接速度不同，这个功率临界值在0.8KW左右，一旦达到这一临界值，熔池激烈沸腾。另外，由于金属蒸汽的作用力，熔池内形成小孔，正是这个小孔导致深熔焊。

（2）材料本性

材料对光能量的吸收决定了激光深熔焊的效率，影响材料对激光的吸收率的因素有两个方面：一是材料电阻系数，经过对不同材料抛光表面的吸收率测量发现，材料对激光的吸收率与电阻系数的平方根成正比，而电阻系数又随温度的变化而变化；材料吸收光束能量后的效应取决于材料的热特性，包括热导率、热扩散率、熔点、汽化温度、比热和潜热。例如，熔点高的金属由于消耗的热能大，远不如熔点低且热导率也低的金属容易焊接。二是材料的表面状态对光束吸收率有较重要的影响，因而对焊接效果产生明显作用。材料一旦熔化乃至汽化，它对光束的吸收将急剧增加。材料经过不同的表面处理（如表面涂层或生成氧化膜），材料表面性能有了变化，从而影响对激光的吸收率。上海交通大学硕士学位论文

（3）保护气体

激光焊接中采用保护气体的作用有两点：一方面排除空气，保护工件表面不受氧化；另一方面抑制高功率激光焊产生的等离子云。

通过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速度，以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速度越高。氦气最轻且电离能量高，作为保护气体有最好的抑制等离子体效果，但氦气很贵，通常采

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用氩气或氮气作为保护气体。

利用保护气体的流动，将金属蒸气和光致等离子体从激光光路中吹出。保护气体通过焊炬喷嘴以一定压力射出到达工件表面，只要侧吹的保护气体可驱使金属蒸汽从光束聚焦区强制移开，不管使用什么类型的保护气体，都可增加熔深。

（4）焊接速度

深熔焊时，焊接熔深与焊接速度成反比，在一定激光功率下，提高焊接速度，线能量（单位长度焊缝输入能量）下降，熔深减少，因而适当降低焊速可加大熔深。但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿的现象。所以，对一定激光功率和一定厚度的特定材料都有一个合适的焊接速度范围，并在速度范围内获得最大的熔深。

（5）焦点位置

深熔焊时，为了保持足够功率密度，焦点位置至关重要。焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝宽度和深度。只有焦点位于工件表面内合适的位置，所得焊缝才能成平行断面并获得最大熔深。

（6）工件接头装配间隙

在深熔焊时，如果接头间隙超过光斑尺寸，则无法焊接。但接头间隙过小，有时在工艺上会产生对接板重叠，熔合困难等不良效果。接头装配间隙对薄板焊接尤为重要，间隙过大极易焊穿。慢速焊接可弥补一些因间隙过大而带来的焊缝缺陷，而告诉焊接使焊缝变窄，对装配间隙的要求更为严格。 4.4铜钢异种材料激光焊接的焊接性分析与工艺设计

铜和钢因为在物理性能和化学性质上存在着差异，其焊接性不同于同种材料。对铜钢异种材料焊接性的分析有利于焊接工艺的制定，从而获得优质的铜钢异种材料焊接接头。

1、铜和钢的焊接冶金反应

对比铜与铁元素的各种性能参数（表4-1和表4-2）可以看出，在高温下，它们的原子半径、晶体类型、晶格常数、原子外层电子属等比较接近，这些都是实现钢与铜及铜合金之间焊接的有利因素。但是这两种材料的导热系数、热膨胀

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系数、熔点等又存在较大的差异，容易在焊接接头中产生应力集中，导致各种焊接裂纹，这又对获得优质接头非常不利，造成焊接困难。

表4-1 Fe和Cu的物理性能

化学元素 Fe Cu 比重 (g/cm3) 7.87 8.92 熔点 (℃) 1537 1084 比热 [J/(kg·K)] 481.5 376.8 导热系数 [W/(m·K)] 66.7 359.2 线膨胀系数 (10K) 11.76 16.6 -6-1电阻系数 (10Ω·m) 10.1 1.67 -6表4-2 Fe和Cu的化学性能

化学 元素 原子 序数 原子量 原子半径(mm) 原子外层 电子数目 点阵类型 体心立方（α-Fe） Fe 26 55.85 0.127 2 面心立方（γ-Fe） 体心立方（δ-Fe） Cu 29 63.54 0.128 1 面心立方 a=0.365 点阵常数 (mm) aα=0.2860 aγ=0.3668 铁与铜在液相中能够相互无限固溶，在固态下为有限固溶。图4-3是Fe-Cu二元合金相图。由图可知，铜在度为850℃时，在

铁中的最大溶解度为6.5%，在铁中为8%，温

铁中的溶解度1.4%。在室温平衡条件下，铜在铁中的溶解度

小于0.3%。在温度为1094℃时，铁在铜中的溶解度为4%，在760℃是为0.46%，在650℃时为0.2%。当温度进一步降低时，铁在铜中的溶解度无明显变化。应该指出，钢中的碳能略微减少铜在铁中的溶解度，而硅和锰能提高铜在铁中的溶解度。

图4-3 Fe-Cu二元合金相图

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