張軍元，李岸錦

（1.武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威733000；2. 山東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術(shù)中心，山東 青島266001）

金屬銅是現(xiàn)代工業(yè)常用的金屬原材料，具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐磨腐蝕性和可延展性，而且在力學(xué)加工領(lǐng)域也有較好的物理性能。在現(xiàn)代石油化工、大型機械生產(chǎn)、電力通訊中均具有大規(guī)模的運用?，F(xiàn)代工業(yè)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(nèi)外專家學(xué)者對各類焊接方式和設(shè)備雖然進行了不斷研究，使焊接技術(shù)有了一定提高，但是隨著現(xiàn)代工業(yè)對金屬銅焊接質(zhì)量和焊接口物理性能的要求不斷加深，傳統(tǒng)焊接技術(shù)和焊接設(shè)備不斷向復(fù)雜化發(fā)展，導(dǎo)致其焊接效率和焊接敏捷性不斷降低，難以滿足現(xiàn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機械性，如果可以應(yīng)用于銅金屬焊接，將會大大提高焊接效果。隨著激光設(shè)備的不斷發(fā)生，激光焊接技術(shù)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(fù)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(fā)現(xiàn)，碳納米管是由六邊形的探環(huán)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(wěn)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(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性，所以十分適合在增強銅金屬焊接強度中應(yīng)用[2]。

（2）碳納米復(fù)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(fù)合材料?，F(xiàn)代常用的碳納米管復(fù)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(jù)復(fù)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(fù)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(fù)合材料。其基本步驟主要為：根據(jù)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(fù)合材料擠壓。利用粉末冶金固態(tài)加工方式的有點在于：可以隨時控制相關(guān)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(tài)，所以可以根據(jù)后續(xù)焊接接口的形狀，隨時加工碳納米復(fù)合材料形狀，完成后續(xù)焊接操作[3]。

（3）碳納米材料改性。根據(jù)研究可知，碳納米管屬于集成分子，化學(xué)穩(wěn)定性較強。因為其內(nèi)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(xué)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(xué)催化。美國物理學(xué)家斯蒂芬·萊恩納德曾經(jīng)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(xué)兩方面出發(fā)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(fā)

（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(xué)拉抻，焊接口面積尺寸定為100×15mm。

表1 紫銅化學(xué)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(fù)合材料，多壁納米管全部由南陽曙光納米技術(shù)有限公司提供，通過1.2和1.3所論述的碳納米復(fù)合材料制備方法和改性方法進行加工而成。其主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 納米復(fù)合材料技術(shù)參數(shù)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(fù)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(xué)分析。為了驗證本次開發(fā)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(xué)分析驗證。實驗項目主要為拉抻應(yīng)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(tǒng)焊接方式和本次開發(fā)的方式進行對比論證，其結(jié)果如表3。

表3 焊接效果對比表

3 結(jié)語

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

[1]王希靖,劉勇,郁志勇．銅/鋁異種金屬的電阻釬焊技術(shù)研究[J]．熱加工工藝,2016,18(17)：74-77．

[2]付偉,宋曉國,龍隆,等．石墨/紫銅間接釬焊接頭的界面組織及力學(xué)性能[J]．金屬學(xué)報,2016,52(6)：734-740．

[3]郭純,張學(xué)杰,張文軍,等．新型焊接材料無縫無鍍銅藥芯焊絲的研制[J]．金屬加工(熱加工)熱加工,20175(8)：26-28．

[4]董亭義,戶赫龍,于文軍,等．集成電路用鈦靶材和銅鉻合金背板擴散焊接技術(shù)研究[J]．金屬功能材料,201714(6)：23-27．

[5]陳壽軍,段綿俊,周景蓉,等．銅/不銹鋼加筋板爆炸焊接工藝實驗[J]．工程爆破,2016,22(5)：92-96．