1  绪论

1.1本课题的研究背景及意义

当今这个世界，全球经济迅速发展，科学技术更是更新得日新月异，不敢怠慢。在这个快速发展的社会需要新的材料，新的设备，新的科学制造技术理念和新的生产加工工艺等。只有不断努力创新，亮出新的科学成果，才能在这个世界游刃有余，引领发展。就是在这种想要引领发展的动力之下，同样也是为了应对市场的一些需求，我们创造出了铜钢两种不种的金属连接在一起的焊接复合工件。这种复合工件各个方面的性能都比较优良，而且适合在多种环境下进行工作，所以应用会比较广泛。而与此同时，这种工件的价格却相对比较适中合理，使得它的需求也较大。因此，如此高性价比的工件在性能和经济上优势明显，它的应用前景不容小觑。但是想要获得如此优良的两种金属结合的工件，多半都要靠焊接的方法来将铜和钢连接起来，所以对铜和钢的焊接技术措施的钻研和使用都在渐渐的加深。例如，H08Mn2SiA钢焊丝应用于铜钢焊接中和用二氧化碳气体保护铜钢焊缝[1]、T2紫铜和10#钢的电子束焊接[2]、紫铜与低碳钢之间的焊接可以通过液相过度焊接法或者熔焊-钎焊的方法[3]、铜钢异种材料的氩弧熔钎焊的工艺研究[4]等。

在铜和钢的焊接过程中需要同时加热，加热的时候，由于铜和钢这两种不同材质的热膨胀系数、导热系数、比热容和一些其他的力学性能都有些比较大的差别，导致加热的时候出现变化不一致的一系列问题。这些问题在铜钢的焊接过程中造成了不小的麻烦，容易造成焊接缺陷[5]。例如呈现出焊接裂纹、应力集中等弊端，造成焊接的难度变大而使焊接的品质及各项性能变差[6]。这样的焊件拿来应用，效果也不会特别好，就失去了铜钢异种金属性价比高的特点，使得这个新东西失去了意义。不过好的消息是，铜和钢之间相比的话，原子层面的性质很接近而且只会以两种不同的组织出现，这让铜钢在一定条件下进行焊接后获得性能优良的焊件，成为也不是不可能的事。

目前，铜钢异种金属之间的焊接方法还存在挺多的，例如等离子弧焊、电子束焊、钎焊、当下比较先进的激光焊接以及本课题要研究的熔敷焊等。其中，熔敷焊就是先把需要焊接的铜放在钢上要焊接的位置，然后主要对铜进行加热，直至熔化，熔化的铜就会和钢产生冶金结合[7]。在这个对铜加热的过程中要注意的就是钢不要被熔化了。应用熔敷焊的好处：（1）应用的设备都比较便宜，而且都是常见的机器，所以制造成本比较低；（2）加大了制造的效率，加快生产速度，因为不再需要精磨等加工措施；（3）生产模式比较多变，工件的尺寸、重量等参数基本上都不受制约；（4）焊接出来工件的性能比较好，因为避免了出现裂纹、应力集中等弊端。

进行熔敷焊[8]的方法大概有四种，这四种方法的不同之处主要是在于加热方法上的差异。其中，感应熔敷焊接方法也就是本课题主要研究的技术方法，运用高频电流的电磁感应在钢基体里面出现的涡流，和其产生集肤效应，将之前放在钢旁边的铜加热到熔点，使整个铜环或铜带完全熔化。并在陶瓷的保护层下保温，由于电磁力和陶瓷保护层的作用，铜钢还不会被氧化。而在铜环或铜带的屏蔽作用之下，钢基体不会发生熔化。因为熔化后的金属铜就在钢基体旁边，于是铜与钢开始冶金结合，相当于在快速加热下快速焊接，得到无熔深的优质焊缝[9]。

感应加热的熔敷焊涉及到电磁学、热力学等多种知识。涉及到的工艺参数除了工件尺寸大小之外还有线圈的电流电压、电流频率、线圈与铜环的间隔距离、焊接时间等。要想得到令人满意的焊接成果，得到质量比较好的焊件，还必须确定理想合适的焊接工艺参数。为了更加深化学习钻研高频感应熔敷焊的特点，谋求更好的质量、更高的效率、更理想的成本。本课题采用ANSYS这种模拟仿真的软件来研究铜和钢的感应熔敷焊的性质特点。首先按照实际的铜钢工件的尺寸情况和铜与钢的相对位置建立出对应的二维模型。然后开始运用电磁-热耦合的办法在之前建立的模型上进行理论上的分析。通过改变施加的载荷电流的大小、铜环与线圈的距离等焊接参数来模拟实际过程中的铜和钢异种金属的高频感应熔敷焊。得到不同参数下的铜钢工件的瞬时温度云图和铜钢界面上的一些特殊点的焊接温度循环曲线，讨论发现各个不同的参数对温度场结果的影响规律。然后对仿真模拟出的结果的进行统计和研究，不断优化改进焊接参数，取得一个可以达到一个比较良好的焊接结果的参数。这个参数可以为以后的铜钢异种金属的高频感应熔敷焊设置焊接参数时提供参考。