銅金屬特種焊接技術的開發應用

張軍元，李岸錦

（1.武威職業學院，甘肅 武威733000；2. 山東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心，山東 青島266001）

金屬銅是現代工業常用的金屬原材料，具有優秀的導電性、導熱性、耐磨腐蝕性和可延展性，而且在力學加工領域也有較好的物理性能。在現代石油化工、大型機械生產、電力通訊中均具有大規模的運用。現代工業對銅或銅合金的焊接方式大多為：氣焊、手工電弧焊、TIG焊、MIG焊、手工激光焊、液相電鍍焊等等。近年來，國內外專家學者對各類焊接方式和設備雖然進行了不斷研究，使焊接技術有了一定提高，但是隨著現代工業對金屬銅焊接質量和焊接口物理性能的要求不斷加深，傳統焊接技術和焊接設備不斷向復雜化發展，導致其焊接效率和焊接敏捷性不斷降低，難以滿足現代市場需求。人們通過大量研究可以確定，碳納米管是迄今為止，世界上最獨特的納米材料之一，因為其良好的結構穩定性和機械性，如果可以應用于銅金屬焊接，將會大大提高焊接效果。隨著激光設備的不斷發生，激光焊接技術也有了較為成熟的硬件支持。由于激光具有較強的能量和焊接密度，在焊接過程中可以輕易細化納米碳顆粒，而且具有較強的同化作用，所以完全可以達到焊接要求[1]。

1 碳納米復合材料

（1）碳納米管特性分析。碳納米管是典型的一堆納米材料。直徑為納米級，長度可以達到微米級，所以縱橫比較為突出。通過顯微鏡研究發現，碳納米管是由六邊形的探環組成的真空卷狀管，碳管密度極小，平均密度小于0.8g/cm-3，具有高強度穩定性。機械性方面，因為其楊氏模量為0.5tpa～2tpa，拉抻強度可以達到180PA，所以其剛度也非常突出。此外，碳納米管自身還具有非常優秀的化學穩定性、導熱性、導電性，所以十分適合在增強銅金屬焊接強度中應用[2]。

（2）碳納米復合材料制備。在焊接前，需要提前制備所需添加的碳納米管與銅的復合材料。現代常用的碳納米管復合材料的制備方式主要是粉末冶金法，此外還有電鍍沉積法和金屬液噴涂法。具體方法根據復合材料所用金屬物理性判斷，如果金屬熔點較低，也可以直接采用先融化后凝固的方法，具體方法如圖1所示。

圖1 碳納米復合材料制備方法示意圖

因為本次探究焊接材料為金屬銅，所以選擇粉末冶金的方法制備碳納米復合材料。其基本步驟主要為：根據焊接口面積準備適量金屬銅粉并與碳納米管混合后，攪拌均勻。通過金屬研磨機，機械合金化，隨后通過冷凝機冷凝壓實。也可以通過等離子電流釋放裝置進行熱壓操作。最后利用液壓機，進行碳納米復合材料擠壓。利用粉末冶金固態加工方式的有點在于：可以隨時控制相關材料的配比，在制備過程中不需要融合銅金屬，避免破壞其物理性，此外，因為材料制備成型后，直接為固態，所以可以根據后續焊接接口的形狀，隨時加工碳納米復合材料形狀，完成后續焊接操作[3]。

（3）碳納米材料改性。根據研究可知，碳納米管屬于集成分子，化學穩定性較強。因為其內部碳原子之間的原子共價鏈是SP2雜化鏈，所以碳納米管表面碳纖維的不能溶于水或者其他有機化學溶劑。同時，碳納米管還具有跟石墨類似的低金屬濕潤性，因此其表面不能直接進行化學催化。美國物理學家斯蒂芬·萊恩納德曾經詳細研究過碳納米管的濕潤性，認為其表面濕潤性強弱的決定因素在于表面張力。并且認為100mN/M～180mN/M使其臨界值，這就意味著作為典型純金屬的金屬銅，很難直接被潤濕在碳納米管表面上，其最典型的現象就是在金屬焊接中，碳納米管與銅金屬之間，在激光焊接后，會發生焊接面滑移。為了避免類似情況，需要對碳納米管進行物理改性操作。

現在對碳納米材料進行改性的主要操作主要是從物理和化學兩方面出發改善其濕潤性和相容性的，常用方式主要有：金屬打磨，超聲波處理、物理填充等等[4]。

2 金屬銅焊接工藝開發

（1）焊接用材料。本次焊接工藝使用的金屬銅為T9型紫銅，厚度為0.3毫米，其主要金屬成分如表1所示。激光點焊焊頭尺寸為6×6mm，為了方便對其進行焊接和力學拉抻，焊接口面積尺寸定為100×15mm。

表1 紫銅化學成分表

本次實驗焊接口增強項材料，選擇的是碳納米管和金屬銅的復合材料，多壁納米管全部由南陽曙光納米技術有限公司提供，通過1.2和1.3所論述的碳納米復合材料制備方法和改性方法進行加工而成。其主要技術參數如表2。

表2 納米復合材料技術參數表

（2）焊接流程。本次焊接主要選擇激光電焊的方式進行金屬銅接口焊接，通過在接口添加制備的多碳納米復合材料，提高焊接后接口物理性。其主體可分為兩方面：一是多碳納米材料的制備工藝和改性操作；二是激光電焊接口材料添加。如果多碳納米合金純化度不夠，在添加材料時，需要立刻進行鍍銅操作，保證接口完整性。

（3）焊接頭力學分析。為了驗證本次開發的焊接工藝是否真實有效，需要對實驗樣品進行焊接頭力學分析驗證。實驗項目主要為拉抻應力值測試和接頭金屬硬度測試[4，5]。測量金屬硬度主要使用的是洛氏硬度測量法，測量過程為：以一定載荷值，將136°頂角的金剛石錐壓入金屬表面測量其壓痕面積，公式如下：

公式中f為載荷值，d為壓痕對角線長度值。對傳統焊接方式和本次開發的方式進行對比論證，其結果如表3。

表3 焊接效果對比表

3 結語

本次開發的銅金屬特種焊接技術是在焊接過程中，通過添加多碳納米復合材料，提高焊接口焊接強度。通過實驗證明，本次研發的焊接技術可以大幅提高焊接口拉抻應力強度和金屬硬度，具有較強應用性，可以進行推廣使用。

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