綜述銅鋁結(jié)合面的研究進(jìn)展

馮海偉　班燕　徐海峰

摘 要：本文介紹了近年來國內(nèi)外對于銅鋁異種金屬塑性成形、焊接成形及機(jī)械連接成形等各種方法所形成的銅鋁界面組織的研究情況，闡述了各種方法的特點(diǎn)、應(yīng)用。通過對形成的各種界面組織進(jìn)行分析、比較，找到銅鋁結(jié)合最易形成的組織種類，并且分析了各種組織的形成原因及對銅鋁異種金屬連接性能的影響，對于推動Cu/Al異種金屬金屬接頭的研究及應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：銅鋁；結(jié)合面；連接性能

0 前言

銅鋁連接過程中出現(xiàn)的主要問題是界面易出現(xiàn)銅鋁脆性化合物。當(dāng)接頭長期處于高溫環(huán)境受到機(jī)械震動作用時，還會導(dǎo)致銅鋁原子擴(kuò)散形成金屬間化合物層不斷加厚，使接頭的沖擊韌性下降，電阻升高。因此，連接界面組織對銅鋁異種金屬連接性能有重要的影響，

1 銅鋁塑性成形界面組織

銅鋁塑性成形主要有軋制、拉拔、旋壓等方法，成形溫度較低，界面層組織主要靠銅鋁原子擴(kuò)散形成。Victor k.Champagne[1]等人采用冷噴涂技術(shù)，將微米級的銅顆粒高速沉積在Al（6061）基體上。發(fā)現(xiàn)在高速作用下，銅顆粒和鋁基體之間產(chǎn)生了粘性混合物，而且通過力學(xué)性能測試，證明結(jié)合力很強(qiáng)。通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻鹘缑婊旌衔镆蕾囉诨w硬度和覆蓋層材料的密度。

2 銅鋁焊接成形界面組織

2.1 銅鋁熔焊焊接界面組織

Mai等人采用350WNd：YAG激光焊成功地對1mm厚的銅和鋁進(jìn)行了焊接。[2]研究表明，由于激光輸入能量的可控性以及能量的高密度性，激光焊能夠?qū)崿F(xiàn)對能量分布的控制，極大減小連接金屬間的相互作用，避免脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，使異種金屬的焊接能夠得到滿意的接頭。

2.2 銅鋁壓焊焊接界面組織

2.2.1冷壓焊、電阻壓力焊界面組織

冷壓焊對焊材準(zhǔn)備工作要求比較嚴(yán)格，焊前母材表面要絕對清潔。鋁銅異種金屬冷壓焊工藝是對焊接接頭的顯微組織、抗拉強(qiáng)度、電阻性能，耐溫度變化性能及接頭耐高溫性能進(jìn)行試驗(yàn)和分析[3]。從冷壓焊的金相組織圖看出，焊縫組織非常致密，焊縫接合面兩側(cè)的組織均發(fā)生滑移和變形。這種滑移和變形是在焊接擠壓過程中，金屬被擠出形成飛邊造成的。由于近縫區(qū)晶粒組織結(jié)構(gòu)被壓縮，變得很致密，因此這部分組織的強(qiáng)度和韌性均得到提高。

2.2.2擴(kuò)散焊界面組織

擴(kuò)散焊或稱擴(kuò)散連接（diffusion joining）是在一定溫度和壓力下使待焊表面相互接觸，通過微觀塑性變形或通過待焊表面產(chǎn)生的微量液相而擴(kuò)大待焊表面的物理接觸，然后經(jīng)過長時間的原子互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)結(jié)合的一種焊接方法。

中國工程物理研究院的謝軍[4]等人采用真空擴(kuò)散連接技術(shù)，在高溫環(huán)境下對Al/Cu薄膜進(jìn)行連接界面的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Al/Cu界面結(jié)合良好，擴(kuò)散界面窄，連接過程對原始材料表面質(zhì)量影響?。籄l/Cu界面產(chǎn)生CuAl2金屬間化合物，通過對加熱溫度、保溫時間、壓力等工藝參數(shù)的控制，能夠有效的控制擴(kuò)散界面，使界面較窄，有效的防治擴(kuò)散空洞的產(chǎn)生。

2.2.3摩擦焊界面組織

摩擦焊是在材料塑性變形與流動的基礎(chǔ)上，通過界面上的擴(kuò)散與再結(jié)晶冶金反應(yīng)實(shí)現(xiàn)連接的固態(tài)焊接方法，異種材料熔點(diǎn)差異影響較小，因此可以用于焊接異種金屬。

Jiahu Ouyang，Eswar Yarrapareddy[5]等人采用攪拌摩擦焊接方法實(shí)現(xiàn)了6061鋁合金和銅的焊接，經(jīng)過T6熱處理后觀察了微觀結(jié)構(gòu)組織的變化。實(shí)驗(yàn)觀察到焊縫機(jī)械混合區(qū)主要包括Cu9Al4、CuAl和CuAl2等金屬間化合物，少量的α-Al和Al在Cu中的面心立方結(jié)構(gòu)的固溶體。不同的顯微組織有不同的顯微硬度，其范圍由136-760HV0.2。

2.3 釬焊界面組織

鋁銅直接釬焊困難較大，接頭質(zhì)量不好。鋁銅電極電位相差較大，易引起腐蝕；在釬縫中有脆性化合物生成使接頭強(qiáng)度降低。針對上述問題，應(yīng)從釬料、釬劑和設(shè)備等著手研究了一些新的鋁銅釬焊方法。如電阻釬焊、超聲波釬焊和擴(kuò)散釬焊等方法。

Xia zhunzhi[6]等人采用真空擴(kuò)散釬焊技術(shù)焊接T2銅和1035鋁合金，并采用Al-Si纖料。試驗(yàn)結(jié)果表明在焊縫界面處生成了Cu3Al2和CuAl2兩相。其中Cu3Al2層寬度約為12?m，CuAl2約為8?m，而且這兩層的硬度明顯高于基體硬度。此外，在焊縫處還發(fā)現(xiàn)了ε-Cu15Si4，Al-Si，CuZn2，α-Al等。合理的真空釬焊工藝參數(shù)為：焊接溫度T=590-610℃，真空度為10-3Pa，持續(xù)時間為5-10min。

3 銅鋁機(jī)械連接界面及模擬計算界面組織

在以鋁代銅的應(yīng)用中，采用機(jī)械連接方法連接是電工產(chǎn)品中常用的方法，但機(jī)械方法用于銅鋁連接后，鋁表面極易氧化，所形成的氧化膜十分牢固，且電阻很大，在負(fù)荷較大的情況下接點(diǎn)處溫度升高，引起鋁本身的蠕變，在產(chǎn)品運(yùn)行過程中接點(diǎn)處接觸不穩(wěn)定，常發(fā)生冒煙、放爆等現(xiàn)象，并由此引起事故和火災(zāi)。為了降低研究成本，突出各種因素的影響，許多學(xué)者還采用了模擬技術(shù)研究銅鋁焊接界面組織。

Shangda Chen等人[7]過分子動力學(xué)（MD）模擬研究溫度和表面粗糙度對焊接界面組織的影響，得到界面區(qū)的厚度有明顯的溫度依賴性，溫度越高越容易擴(kuò)散，界面區(qū)厚度增加。通過分析表明，銅鋁擴(kuò)散焊可以具有很好的機(jī)械性能，拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到理想狀況下的88%。并提出銅鋁擴(kuò)散焊焊接的形變硬化比單質(zhì)更為顯著。

4 結(jié)論

上述研究結(jié)果表明，銅鋁連接常用的方法是壓力焊和釬焊，對于銅鋁界面的研究主要集中于界面組織種類及其生長機(jī)理、界面組織的力學(xué)性能、電性能及抗腐蝕性能等方面的研究。通過對各種連接方法形成的界面組織進(jìn)行分析比較可知，銅鋁界面組織主要有銅鋁固溶體、金屬間化合物（主要有Cu3Al， CuAl、Cu9Al4、CuAl2等）以及他們形成的共晶組織構(gòu)成。無論采用哪種連接方法， Cu/Al異種金屬界面區(qū)均有脆性銅鋁金屬間化合物生成，這對于提高Cu /Al異種金屬接頭的力學(xué)性能及電性能都十分不利。因此，今后的研究重點(diǎn)仍為選擇合適的連接方法，盡量減少界面金屬間化合物的生成，提高Cu/Al接頭的性能。

參考文獻(xiàn)

[1]Victor K.Champagne， Jr.， Dennis Helfritch， Phillip Leyman， Scott Grendahl， Brad Klotz， Interface Materials Mixing Formed by the Deposition of Copper on Aluminum by Means of the Cold Spray Process[J].Journal of Thermal Spray Technology，2004， 14：330-334

[2]Mai T A，Spowage A C.Characterisation of dissimilar joints in laser welding of steel-kovar，copper-steel and cop-per-aluminum[J].Materials Science and Engineering，2004，374（1-2）：224-233.

[3]溫立民，劉燕等，銅鋁異種金屬冷壓焊及焊縫顯微組織和性能，焊接技術(shù)36（3），2007

[4]謝軍、吳衛(wèi)東等，Al/Cu薄膜真空擴(kuò)散連接技術(shù)[J]，強(qiáng)激光與粒子束 16（5），2004，5

作者簡介

班燕，山東勞動職業(yè)技術(shù)學(xué)院，碩士研究生，研究方向： 材料成型，模具等