分享：銅鋁異種金屬焊接研究現(xiàn)狀及展望

銅鋁金屬材料因具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及延展性，且有優(yōu)良的物理化學(xué)和加工性能；而廣泛應(yīng)用于電氣、機(jī)械制造、汽車、新能源等領(lǐng)域[1]。能否實(shí)現(xiàn)銅鋁異種材料的有效連接[2]，直接決定了銅鋁金屬的應(yīng)用范圍。大量研究證明，傳統(tǒng)的熔焊無(wú)法實(shí)現(xiàn)銅鋁異種金屬之間良好連接[3]，這是因?yàn)殂~鋁金屬熔點(diǎn)、導(dǎo)熱率、線膨脹系數(shù)等物理性能差異較大，這兩種金屬在凝固過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量金屬間化合物，金屬間化合物屬于硬脆相，其不但會(huì)降低焊縫強(qiáng)度還會(huì)增加金屬電阻值。前蘇聯(lián)學(xué)者里亞博夫[4]曾對(duì)銅鋁異種金屬材料開展了一系列熔焊研究。通過(guò)在銅一側(cè)開一定角度的坡口，采用埋弧焊和非熔化極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）對(duì)銅鋁進(jìn)行焊接，獲得的接頭綜合力學(xué)性能較差；若通過(guò)預(yù)先在銅表面鍍復(fù)合金屬（Ag、Zn、Sn、Ni）的方法，獲得的焊接接頭力學(xué)性能有較大提升，基本能夠滿足設(shè)計(jì)需求。如鍍鋅時(shí)，當(dāng)鍍層厚度為60 μm時(shí)，銅側(cè)開75°坡口，獲得了比較理想的焊接接頭，分析原因?yàn)殄儗訙p小了金屬間化合物的生成，降低了金屬間夾層厚度，從而提高了焊縫的力學(xué)性能。但由于鍍層金屬價(jià)格昂貴，并且增加了制造難度和成本，導(dǎo)致這一工藝方法應(yīng)用的局限性較大，并未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用和推廣。

1.   銅鋁連接主要焊接方法

固態(tài)焊接由于母材不熔化，所需的焊接熱輸入量較少，和傳統(tǒng)熔焊相比更適合異種金屬之間的連接。因此，固態(tài)焊接技術(shù)在銅鋁異種金屬焊接方面存在較大優(yōu)勢(shì)，獲得的焊接接頭較傳統(tǒng)熔焊綜合力學(xué)性能也有較大提升。攪拌摩擦焊、超聲波焊、電磁脈沖焊等固相連接方法，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究銅鋁金屬異種焊接的熱點(diǎn)，并且取得了豐碩的成果。釬焊作為一種古老的連接技術(shù)比較適合異種金屬之間的焊接，選用比母材熔點(diǎn)更低的金屬作為釬料，將焊件和釬料加熱到釬料熔化而低于母材熔點(diǎn)的溫度，液態(tài)釬料就會(huì)潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙并與母材擴(kuò)散形成焊縫，從而實(shí)現(xiàn)銅鋁焊接。近幾年，隨著激光技術(shù)的成熟和進(jìn)步，激光焊接也逐漸應(yīng)用到銅鋁焊接中，特別是在汽車工業(yè)和新能源動(dòng)力電池領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

2.   國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

2.1   攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是銅鋁異種金屬焊接比較常用的一種壓焊方法， Lee[5]等人采用傳統(tǒng)摩擦焊方法實(shí)現(xiàn)了純銅與1050鋁合金焊接，且進(jìn)行了退火處理，分析焊縫中金屬間化合物的生長(zhǎng)規(guī)律對(duì)焊接接頭電阻率和綜合力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，金屬間化合物寬度為21 μm時(shí)，其電阻率為45 μΩ/cm；當(dāng)金屬間化合物的寬度增加至107.5 μm時(shí)，電阻率變?yōu)?5 μΩ/cm，抗拉強(qiáng)度隨著金屬間化合物的增大而降低，斷裂位置也從鋁側(cè)熱影響區(qū)變?yōu)檎麄€(gè)金屬間化合物層。Ouyang 等 [6]采用攪拌摩擦焊（FSW）方法對(duì)銅與6061鋁合金對(duì)接接頭研究表明：焊后接頭的機(jī)械混合區(qū)域主要由CuAl2、CuAl和Cu9Al4組成；該區(qū)域的顯微硬度變化范圍為HV0.2 136~760。由于脆性金屬間化合物的形成，導(dǎo)致銅鋁異種金屬的攪拌摩擦焊存在一定難度。南昌航空大學(xué)柯黎明[7]等人也曾采用攪拌摩擦焊（FSW）對(duì)工業(yè)純銅T1與防銹鋁LF6對(duì)接接頭進(jìn)行研究，結(jié)果表明：攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度的比值直接影響焊縫的致密性和接頭組織性能；當(dāng)板材為薄板時(shí)，焊接工藝參數(shù)窗口較大，并且焊縫成形較好，這是因?yàn)榻宇^內(nèi)部產(chǎn)生了劇烈的塑性流動(dòng)，減少了金屬間化合物的生成。

2.2   電磁脈沖焊

電磁脈沖焊起源于上世紀(jì)70年代初期，屬于固相連接的一種，非常適合異種材料之間的焊接，因?yàn)樗梢詫傩韵嗨苹虿幌嗨频慕饘賹?shí)現(xiàn)良好的連接。但是，目前關(guān)于銅鋁異種金屬電磁脈沖焊的研究還較少，張杰[8]曾嘗試采用電磁脈沖焊將T3純銅與LF21防銹鋁進(jìn)行焊接，對(duì)焊縫接頭的顯微組織進(jìn)行分析，并測(cè)試了焊縫表面硬度值和接頭力學(xué)性能。結(jié)果表明：獲得的焊接接頭抗拉強(qiáng)度為137 MPa，分別為母材LF21防銹鋁的110%和T3純銅的51%；接頭屈服強(qiáng)度為60 MPa，達(dá)到了LF21防銹鋁的102%和T3純銅的88%，在接頭綜合力學(xué)性能方面獲得了優(yōu)質(zhì)焊接接頭。兩種金屬電磁脈沖焊接頭硬度最大值出現(xiàn)在了LF12防銹鋁一側(cè)，最大值為HV 118，主要原因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中T3純銅與LF21防銹鋁相互擴(kuò)散，在焊縫周圍產(chǎn)生了劇烈的置換反應(yīng)，生成了α-Al固溶體相和CuAl2化合物導(dǎo)致的；此外，焊縫的主要成分是由α-Al固溶體相、CuAl2相和Cu相組成。

為了研究電磁脈沖焊在同種和異種金屬焊接之間的差異性，Raoelison等[9−11]采用不同的方案來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題。他們分別對(duì)Cu/Al和Al/Al采用相同的焊接參數(shù)和設(shè)備并在相同的環(huán)境條件下施焊，結(jié)果表明：Cu/Al異種金屬產(chǎn)生了金屬間化合物，而Al/Al則是連續(xù)的金屬結(jié)合。因此，Cu/Al接頭的綜合力學(xué)性能較低，焊縫易出現(xiàn)脆性斷裂，而Al/A一般具有良好的力學(xué)性能，拉伸時(shí)往往是由于產(chǎn)生塑性變形產(chǎn)生的韌性斷裂。

2.3   釬焊

釬焊由于母材不熔化，而是依靠釬料將兩種金屬實(shí)現(xiàn)連接，因此，比較適合異種金屬之間的焊接。孫德超等[12]對(duì)銅鋁的直接釬焊進(jìn)行了研究，分別分析了釬料、釬劑、工藝參數(shù)等對(duì)銅鋁釬焊的影響。結(jié)果表明：在選擇正確的釬料、釬劑前提下，通過(guò)降低釬焊溫度，減小釬焊時(shí)間，調(diào)節(jié)焊縫間隙和母材表面光潔度，并進(jìn)行焊后處理，可以獲得比較理想的釬焊接頭。南京航空航天大學(xué)薛松柏等[13]采用火焰釬焊方法，實(shí)現(xiàn)了銅鋁中溫釬焊的良好連接，并選用改良的無(wú)腐蝕釬劑和中溫釬料大大減少了銅鋁間金屬間化合物的形成。

日本廣島大學(xué)Koyama 等[14]對(duì)Cu/Al進(jìn)行了真空釬焊研究，所用釬料為AlSiMgBi合金，結(jié)果表明：釬焊溫度在520~580 °C之間最為合適，焊縫中存在CuAl2和Cu3Al2 2種金屬間化合物，焊件拉伸試驗(yàn)斷裂處均發(fā)生在金屬間化合物處，接頭的強(qiáng)度與金屬間化合物類型相關(guān)。山東大學(xué)李亞江課題組也研究了銅鋁異種金屬真空釬焊工藝和接頭組織性能[15]。研究表明：通過(guò)控制加熱溫度、保溫時(shí)間和真空度等工藝參數(shù)可以獲得優(yōu)良的銅鋁焊接接頭，接頭界面區(qū)主要由銅側(cè)過(guò)渡區(qū)、釬縫和鋁側(cè)過(guò)渡區(qū)組成，有少量的金屬間化合物生成，這些金屬間化合物對(duì)焊縫性能有重要影響。

2.4   激光焊

激光焊作為一種新型焊接方法，相對(duì)于傳統(tǒng)焊接具有能量密度高、熱影響區(qū)窄、深寬比大、熱輸入量低等特點(diǎn)，激光技術(shù)的應(yīng)用和成熟使得銅鋁異種金屬在熔焊方面獲得了巨大的進(jìn)步和推廣。薛志清等[16]研究了銅鋁薄板激光焊接，并分析了接頭組織特征與力學(xué)性能。結(jié)果表明：接頭微觀組織由板條狀過(guò)共晶區(qū)和片層狀共晶組織及枝晶狀的亞共晶區(qū)組成，并且獲得了具有優(yōu)良力學(xué)性能的焊接接頭。

在提高銅鋁異種金屬接頭抗拉強(qiáng)度方面，科研工作者們提出了不同的優(yōu)化方法，比如增大鋁在銅鋁合金焊縫中的占比，發(fā)揮激光焊接功率的能量調(diào)節(jié)作用。特別是近幾年復(fù)合激光技術(shù)的應(yīng)用，可以較為精確的調(diào)節(jié)激光在焊接過(guò)程中的功率密度和分布，提高焊接穩(wěn)定性的同時(shí)還降低了焊接飛濺。

通用汽車和德克薩斯州南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)的學(xué)者們[17]對(duì)銅鋁異種金屬的激光焊接開展了較深入的研究。他們分別采用光纖激光器和盤式激光器對(duì)銅鋁進(jìn)行搭接焊，分析了焊縫組織顯微硬度和剪切強(qiáng)度；此外，還應(yīng)用四點(diǎn)測(cè)試法研究了焊縫電阻率的變化規(guī)律。結(jié)果表明：銅鋁異種金屬的激光搭接焊時(shí)，影響焊縫質(zhì)量和外觀形貌的主要因素是上方母材的類型，當(dāng)鋁在上方時(shí)，焊縫表面會(huì)有明顯凸起，且銅鋁熔深較淺；當(dāng)采用銅鋁銅或鋁銅鋁“三明治”結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭接焊時(shí)，接頭的顯微硬度和電阻率均較大，這是由于焊縫中生成了金屬間化合物導(dǎo)致。他們認(rèn)為可以通過(guò)調(diào)整焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，但仍需要進(jìn)一步研究來(lái)證明，特別是焊縫中金屬間化合物形成機(jī)理需要大量的探索研究工作。

3.   結(jié)束語(yǔ)

在銅鋁異種金屬焊接方面，本文主要介紹了固相連接的一些方法，銅鋁本身的一些特性決定了很難采用傳統(tǒng)的熔焊方法實(shí)現(xiàn)良好連接，而攪拌摩擦焊、電磁脈沖焊等固相連接方法比較適合銅鋁之間的焊接，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者也對(duì)此做了大量實(shí)驗(yàn)研究，并取得了豐碩的成果。此外，釬焊這門古老的技術(shù)，只要選擇了合適的釬料、釬劑，也可以獲得比較理想的釬焊接頭。最后，激光焊接技術(shù)使得銅鋁連接的應(yīng)用得到了極大的推廣，特別是在汽車工業(yè)和新能源動(dòng)力電池領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；復(fù)合激光焊接技術(shù)和環(huán)形光斑焊接是近幾年新推的激光焊接類型，在提高焊接穩(wěn)定性和降低焊接飛濺方面有較大優(yōu)勢(shì)，它們的焊接機(jī)理和應(yīng)用成果有待進(jìn)一步研究和完善。

參考文獻(xiàn)

1. 魯旭. 抓住火災(zāi)的真兇——過(guò)電流. 金屬世界. 2023(03): 25-28 . 

2. 涂佳汐，吳鴻燕，劉冠鵬，陳玉華. 微細(xì)絲與異質(zhì)材料多股導(dǎo)線平行電極電阻釬焊裝置設(shè)計(jì)及焊接工藝研究. 精密成形工程. 2023(08): 211-219 . 

文章來(lái)源——金屬世界