鋁/銅異種金屬熔釬焊研究現(xiàn)狀

徐文虎，楊 瑾，肖 明，彭銘建，趙一璇，劉紅兵，陸漢龍

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620；2.上海龍爍焊材有限公司，上海 201908）

銅具有良好的延展性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能等，作為我國重要的礦產(chǎn)資源和有色金屬，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè).我國銅資源缺乏，需要大量進(jìn)口，而我國是鋁的主產(chǎn)國，鋁具有價(jià)格低、質(zhì)量輕、電導(dǎo)率高的特點(diǎn)，是代替銅的較好材料.隨著現(xiàn)代工藝對(duì)金屬結(jié)構(gòu)性能要求的日益增加，同時(shí)為解決我國銅資源短缺的問題，“以鋁代銅”國家戰(zhàn)略應(yīng)運(yùn)而生，“以鋁代銅”成為節(jié)約銅資源、可持續(xù)的發(fā)展方向[1].但在實(shí)際的應(yīng)用中，銅的性能遠(yuǎn)比鋁優(yōu)異，在工業(yè)應(yīng)用中無法做到完全“以鋁代銅”，鋁和銅兩者的連接無法避免[2]，這使得鋁/銅異種金屬連接成為焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).鋁/銅異種金屬復(fù)合接頭廣泛應(yīng)用于制冷行業(yè)的制冷管、變電行業(yè)的導(dǎo)電端子、電氣行業(yè)的母線伸縮節(jié)等.據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果使用銅/鋁連接管路，由于管路性能良好，空調(diào)整機(jī)成本預(yù)計(jì)可降低25%以上[3].然而，純鋁由于強(qiáng)度低、耐腐蝕性能差，同時(shí)自身具有強(qiáng)氧化性，表面極易形成氧化膜，其接頭接觸電阻大、強(qiáng)度低，難以與銅等金屬牢固連接，“以鋁代銅”的戰(zhàn)略遭到許多的質(zhì)疑[4?5].因此，能否克服鋁/銅異種金屬材料焊接的難點(diǎn)，對(duì)于“以鋁代銅”的戰(zhàn)略尤為重要.

1 鋁/銅異種金屬材料焊接性

鋁與銅的物理性能[6]見表1.由表1 可知，鋁/銅焊接存在以下難點(diǎn)：1）鋁的熔點(diǎn)為660 ℃，銅的熔點(diǎn)為1 084 ℃，兩者的熔點(diǎn)相差424 K.因此在熔焊過程中，當(dāng)鋁完全熔化時(shí)，銅仍然處于固相狀態(tài)，且鋁的密度遠(yuǎn)低于銅的密度，所以大部分液態(tài)鋁會(huì)浮在固相銅的表面，易出現(xiàn)偏析、分層、未熔合、夾雜等現(xiàn)象；2）由于鋁和銅的線膨脹系數(shù)相差40%，鋁銅焊接時(shí)，工件極易產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)力變形，當(dāng)變形不一致時(shí)容易產(chǎn)生裂紋[7].鋁和銅的二元相圖如圖1 所示[8].由圖1 可知，鋁和銅在液態(tài)下可以無限互溶，在固態(tài)下兩者之間的溶解度較小，在高溫下易產(chǎn)生多種金屬間化合物，可見鋁和銅的冶金相容性較差，焊接過程存在以下難點(diǎn)：1）鋁和銅自身強(qiáng)氧化性，致使直接焊接比較困難，尤其是鋁無論是固態(tài)還是液態(tài)都極易氧化，生成高熔點(diǎn)的氧化鋁（Al2O3），銅易與其結(jié)合形成低熔點(diǎn)共晶，降低接頭性能；2）鋁和銅容易形成多種硬度高于母材的脆性金屬間化合物，如CuAl2、CuAl、Cu9Al4、Cu4Al3、Cu3Al2等，提高了焊縫區(qū)域的硬度，且中間化合物內(nèi)容易萌發(fā)裂紋，弱化接頭力學(xué)性能，同時(shí)還會(huì)影響接頭的導(dǎo)電性[6,9]；3）液態(tài)鋁和銅會(huì)吸收大量的氣體（如氫氣），并在冷卻過程中析出形成氫氣孔[10].

圖1 Al-Cu 二元相圖Fig.1 Al-Cu binary phase diagram

表1 Al 和Cu 的物理性能參數(shù)[6]Table 1 Physical property parameters of Al and Cu[6]

焊接性分析表明，鋁/銅異種金屬的焊接性較差，實(shí)際生產(chǎn)過程中常采用機(jī)械連接[11?12]和固相連接[13?16].機(jī)械連接方面主要包含機(jī)械螺絲連接和熱縮式連接等，但機(jī)械方法連接的鋁/銅電工產(chǎn)品在負(fù)荷較大時(shí)，由于存在間隙，導(dǎo)致電阻增加，接觸點(diǎn)容易不穩(wěn)定，易出現(xiàn)冒煙、放爆等現(xiàn)象，引發(fā)事故和造成火災(zāi).固相連接包含攪拌摩擦焊、電磁脈沖焊、超聲波焊和爆炸焊等方法.因?yàn)殇X和銅都具備良好的塑性，鋁的壓縮率可達(dá)60%～80%，銅的壓縮率可達(dá)80%～90%，所以固相連接過程中采用銅?鋁過渡接頭可有效避開鋁/銅熔焊熔點(diǎn)相差較大產(chǎn)生的金屬蒸汽問題，得到質(zhì)量優(yōu)異的鋁/銅接頭[17].隨著攪拌摩擦焊接技術(shù)的發(fā)展，鋁/銅攪拌摩擦焊的研究報(bào)道逐漸增多，國內(nèi)外許多文章討論了銅/鋁攪拌摩擦焊不同工藝參數(shù)對(duì)不同鋁/銅材料性能的影響[18?19]，對(duì)不同鋁/銅體系攪拌摩擦焊的組織、焊接缺陷和變形進(jìn)行研究.不同類型的鋁/銅攪拌摩擦焊系統(tǒng)由于工藝參數(shù)的不合理而形成不同的金屬間化合物，導(dǎo)致系統(tǒng)的力學(xué)性能較低，常見的缺陷有碎片缺陷、空洞、氣孔和裂紋等.這些化合物增加了接頭區(qū)硬度，使焊接接頭變脆，容易導(dǎo)致脆性斷裂和低延伸率[20?25].而攪拌摩擦點(diǎn)焊、攪拌摩擦對(duì)接焊、攪拌摩擦釬焊、水下攪拌摩擦焊和摩擦攪拌擴(kuò)散焊等方法，通過使用中間層或者調(diào)整接頭形式，改善了接頭的力學(xué)性能[26?29].此外，針對(duì)不同厚度和合金的刀具設(shè)計(jì)和刀具材料對(duì)接頭的影響分析還遠(yuǎn)不夠深入.固相連接對(duì)工件形狀、加工裝配要求高，材料流動(dòng)不充分，易產(chǎn)生孔洞、隧道或溝槽等缺陷.

對(duì)家電行業(yè)領(lǐng)域的鋁/銅薄壁管件焊接時(shí)，上述兩種方法都不適用.而釬焊因工藝簡單、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，是焊接鋁/銅薄壁管件的優(yōu)選工藝，應(yīng)采用焊接速度快、高效率的電弧和激光等作為熱源實(shí)現(xiàn)連接，特別是可以采用電弧和激光熔釬焊方法.近年來國內(nèi)外科研人員對(duì)鋁/銅異種金屬的熔釬焊進(jìn)行了較多研究，但相關(guān)綜述少有報(bào)道.本研究從鋁/銅異種金屬熔釬焊的研究進(jìn)展入手，討論鋁/銅異種金屬熔釬焊存在的共性問題，并對(duì)該領(lǐng)域的研究發(fā)展進(jìn)行展望.

2 熔釬焊焊接工藝

熔釬焊是實(shí)現(xiàn)熔點(diǎn)相差較大的異種金屬焊接的理想方法之一.該方法主要利用異種金屬熔點(diǎn)差異大的特點(diǎn)，焊接過程中通過控制能量分布，使低熔點(diǎn)母材熔化（若填絲則焊絲也熔化）形成熔化焊接頭，而高熔點(diǎn)母材不熔或微熔，熔化金屬在固態(tài)母材表面潤濕鋪展進(jìn)而形成釬焊接頭，如圖2所示.該方法已用于鋁/鋼[30?33]、鎂/鋼[34?36]、鋁/鈦[37?38]和鎂/鈦[39?41]等異質(zhì)金屬的焊接.

圖2 激光?冷金屬過渡焊接復(fù)合熔釬焊示意圖[32]Fig.2 Schematic diagram of laser-gold metal transfer welding composite welding-brazing[32]

根據(jù)焊接熱源種類，熔釬焊主要分為電弧熔釬焊和激光熔釬焊.兩者相比，后者具有能量密度更高（>106 W/cm2）、焊接熱循環(huán)時(shí)間短、加熱位置精確可調(diào)的特點(diǎn).激光熔釬焊過程中，通過調(diào)節(jié)離焦量、激光光斑的形狀以及功率密度分布，可以控制金屬的熔化行為及脆性界面層的生長行為.此外，通過填絲和插入中間層可以有效提升接頭的力學(xué)性能[42?43].近年來隨著電弧、激光加工行業(yè)的快速發(fā)展，諸如電弧激光復(fù)合焊等新焊接技術(shù)的涌現(xiàn)使異種金屬連接技術(shù)重新受到科學(xué)界和工業(yè)界的重視[44?46].

3 鋁/銅熔釬焊研究進(jìn)展

3.1 電弧熔釬焊

電弧焊具有技術(shù)成熟、低成本的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中.因此，如何用電弧熔釬焊實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬的連接一直是研究熱點(diǎn).

3.1.1 鎢極惰性氣體保護(hù)焊熔釬焊

鎢極惰性氣體保護(hù)焊（Tungsten Inert Gas Welding，TIG）具有電弧穩(wěn)定、熱輸入低、容易操控的特點(diǎn)，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的電弧焊工藝之一，是異種金屬連接工藝中成本較低，效率高的焊接工藝.相較于TIG 熔焊，TIG 熔釬焊具有更低的熱輸入和更窄的熱影響區(qū)，可以減少金屬間化合物的產(chǎn)生，更適合于異種金屬的焊接.

周利等[47?48]選用鋅鋁和鋁硅兩種藥芯焊絲作為填充材料進(jìn)行TIG 熔釬焊的搭接試驗(yàn)，對(duì)比兩種藥芯焊絲在銅側(cè)的潤濕性和金屬化合物的區(qū)別，研究發(fā)現(xiàn)：隨著焊接熱輸入的增大，界面層厚度先增大后減小，接頭拉伸載荷隨之先增大后減小.選用鋅鋁藥芯焊絲作為填充材料的潤濕性和接頭強(qiáng)度皆優(yōu)于鋁硅藥芯焊絲作為填充材料，這是因?yàn)殇\鋁藥芯焊絲中Al 含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）較低，抑制了鋁/銅脆性金屬化合物的生成.

孫建新等[49?51]研究不同鋅鋁藥芯焊絲鋁/銅TIG 熔釬焊接頭的組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)：隨著焊接輸入的增大，釬料與銅板之間的原子會(huì)發(fā)生溶解和擴(kuò)散現(xiàn)象，釬料在紫銅板上的潤濕角逐漸減小，潤濕性逐漸增強(qiáng)，接頭抗拉強(qiáng)度隨之增強(qiáng)，如圖3 所示.

圖3 TIG 電流對(duì)釬料與母材潤濕角的影響[49]Fig.3 Influence of TIG current on wetting angle between filler metal and base metal[49]

3.1.2 冷金屬過渡焊接熔釬焊

TIG 熔釬焊由于鎢作為電極，容易發(fā)生夾鎢，而且焊接電流不易過大，相對(duì)于目前主流的冷金屬過渡焊接（Cold Metal Transfer Welding，CMT）效率較低.CMT 由奧地利Fronius 公司提出，其原理是在熔滴短路過渡時(shí)回抽焊絲，促使熔滴過渡到熔池中，使短路電流很小，焊接過程無飛濺，焊接變形小，如圖4 所示.其在數(shù)字控制焊接異種金屬方面顯示出極大的優(yōu)勢，通過和機(jī)器人的配合，可以完美地實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)焊接.

圖4 CMT 示意圖Fig.4 Schematic diagram of CMT

艾兵權(quán)[52]研究鋁/銅異種金屬的CMT 焊接性能，并討論不同接頭形式鋁/銅接頭的性能和顯微組織，如圖5 所示.結(jié)果表明，在非平衡動(dòng)態(tài)結(jié)晶過程中溫度梯度存在巨大差異，使相同結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸明顯不同.焊縫區(qū)的相結(jié)構(gòu)主要由α-Al 和α-Al 及CuAl2的共晶結(jié)構(gòu)組成，銅側(cè)釬焊界面區(qū)的新相主要為CuAl2和CuAl 相，其中CuAl2相的存在是導(dǎo)致熔釬焊接頭斷裂的主要原因.

圖5 焊接區(qū)的組織[52]Fig.5 Structure of welding zone[52]

張璐瑤等[53]研究鍍鎳層對(duì)Cu-Al 金屬間化合物的影響，結(jié)果表明：鍍層厚度隨鍍鎳時(shí)間的增加先增大后減小.鍍鎳層的存在導(dǎo)致在焊接接頭處存在Ni 相，使銅和鋁之間的金屬間化合物的厚度隨著鍍鎳層厚度的增加而減小.這表明鎳層的存在有效阻止了銅和鋁的相互擴(kuò)散，抑制了脆性金屬間化合物的生成，如圖6 所示.

圖6 鍍鎳層的截面厚度、鍍層的形態(tài)和焊接接頭的顯微組織[53]Fig.6 Cross section thickness of nickel plating layer,morphology of coating and microstructure of welded joint[53]

孟凡玲等[54]分別采用S301、ER4043 和ER4047焊絲完成T2 紫銅和1 060 鋁CMT 熔釬焊.結(jié)果表明：Si 元素的存在導(dǎo)致焊接接頭處存在硅相，銅和鋁之間的金屬間化合物的厚度隨著Si 元素含量的增加而減小，這表明Si 元素有效阻止了銅和鋁的相互擴(kuò)散.由于金屬間化合物的存在，在接頭界面銅側(cè)形成顯微硬度峰區(qū)，且Si 元素含量高的焊縫區(qū)維氏硬度（HV）更大，如圖7 所示.

圖7 焊縫結(jié)合區(qū)硬度分布圖[54]Fig.7 Hardness distribution diagram of weld bonding zone[54]

Feng 等[55]采用鋁銅焊絲作為填充金屬進(jìn)行CMT 熔釬焊試驗(yàn)，結(jié)果表明：使用鋁銅焊絲進(jìn)行填充可以獲得良好的潤濕性和焊縫外觀，通過合理地降低熱輸入可以有效減少金屬間化合物層的厚度，從而提升接頭強(qiáng)度.

3.1.3 熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊（MIG）熔釬焊

CMT 焊接工藝雖然能夠有效降低熱輸入，卻不能完全精確控制鋁/銅焊接時(shí)的熱輸入，而熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊（Metal Inert-Gas Arc Welding，MIG）能確保低熔點(diǎn)的鋁合金充分熔化同時(shí)具備較好的潤濕鋪展性能，可以極大程度抑制金屬間化合物的生成[56]，如圖8 所示.低熱量輸入也是MIG 的優(yōu)勢之一；此外，通過旁路電弧的作用降低了熔滴自由轉(zhuǎn)變的臨界電流，促進(jìn)了熔滴轉(zhuǎn)變，并在小電流下保持了液滴的穩(wěn)定性.

圖8 MIG 熔釬焊基本原理及實(shí)物[56]Fig.8 Basic principle and real object of MIC welding brazing[56]

Shi 等[57?60]采用脈沖旁路耦合電弧MIG 焊對(duì)鋁/銅異種金屬熔釬焊進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)分析工藝參數(shù)和不同填充金屬對(duì)鋁/銅異種金屬焊接接頭的組織和力學(xué)性能的影響，如圖9所示.結(jié)果表明：采用4 種不同成分鋁合金焊絲所得到的金屬間化合物成分幾乎相同，并可以推斷出該金屬間化合物主要成分為CuAl2；共晶區(qū)情況類似，金屬間化合物主要成分為α-Al 和CuAl2.采用鋁硅焊絲時(shí)，隨著焊接熱輸入的增大，金屬間化合物層厚度增加明顯，在焊接接頭中固溶少量Si 相，且由于ER4047 中Si 含量較多，在塊狀金屬間化合物層或Al-Cu 共晶體之間有塊狀Si 相析出，接頭抗拉強(qiáng)度隨焊接熱輸入的增大先增大后減小，接頭斷裂位置隨著焊接熱輸入的增加而改變.熱輸入較小時(shí)，斷裂于鋁側(cè)熔合線附近；熱輸入較大時(shí)，斷裂于焊縫/銅界面處；熱輸入適中時(shí)，接頭斷裂于鋁母材熱影響區(qū)，并且有明顯的頸縮現(xiàn)象.采用鋁鎂焊絲時(shí)，隨著焊接熱輸入的增加，不僅金屬間化合物層厚度明顯增大，且Al-Cu 共晶區(qū)厚度也明顯增大，在焊接接頭中固溶少量Mg 相；熱輸入過大時(shí)，在金屬間化合物層處產(chǎn)生細(xì)長的裂紋，會(huì)對(duì)接頭力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響，接頭抗拉強(qiáng)度隨焊接熱輸入的增大先增大后減小.當(dāng)接頭力學(xué)性能較好時(shí)，試樣經(jīng)常在鋁母材熱影響區(qū)附近發(fā)生韌性斷裂；當(dāng)接頭力學(xué)性能較差時(shí)，試樣一般在焊縫與銅母材界面處發(fā)生脆性斷裂.

圖9 脈沖旁路耦合電弧熔釬焊不同填充焊絲下接頭焊縫中心區(qū)微觀組織[59]Fig.9 Microstructure of center area of joint weld under different filler wires in pulsed bypass coupled arc welding-brazing[59]

采用不同成分焊絲所得的鋁銅熔釬焊接頭的電導(dǎo)率存在明顯差異.根據(jù)國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)（IACS），電導(dǎo)率100%IACS=58 MS/m，ER4043 鋁硅焊絲所得接頭的電導(dǎo)率最大，其次依次為ER4047 鋁 硅 焊 絲、ER5356 鋁 鎂 焊 絲、ER1100 純鋁焊絲，如圖10 所示.這說明Si 元素加入對(duì)接頭的導(dǎo)電性能產(chǎn)生重要影響：Si 元素含量較低時(shí)能有效抑制金屬間化合物的產(chǎn)生，使接頭的電導(dǎo)率升高；Si 元素含量較高時(shí)，由于存在Si 的析出相使接頭電導(dǎo)率降低.

圖10 脈沖旁路耦合電弧熔釬焊不同填充焊絲下接頭電導(dǎo)率隨焊接電流變化情況[59]Fig.10 Variation of joint conductivity with welding current under different filler wires in pulsed bypass coupled arc welding-brazing[59]

馬敏敏[61]研究鋁/銅MIG 焊接頭的電導(dǎo)率發(fā)現(xiàn)，大量Si 元素的存在導(dǎo)致接頭界面Si 元素富集區(qū)的存在，進(jìn)而有效地阻止了銅和鋁的相互擴(kuò)散.當(dāng)填充金屬中Si 元素含量小于6%時(shí)，銅和鋁的金屬間化合物厚度隨著Si 元素含量的增加而減小，從而提高了鋁/銅接頭的電導(dǎo)率；當(dāng)填充金屬中Si 元素含量大于6%時(shí)，Si 元素對(duì)于抑制金屬間化合物的作用減弱，金屬間化合物的厚度增加，導(dǎo)致導(dǎo)電性能下降.當(dāng)熱處理溫度為400 ℃時(shí)，接頭的導(dǎo)電性能比熱處理前接頭的有所升高，在對(duì)接頭組織進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)接頭連接的不連續(xù)性會(huì)降低接頭的導(dǎo)電性能.對(duì)接頭熱處理后，接頭連接由原來的非連續(xù)性逐漸轉(zhuǎn)換為連續(xù)性接頭，這對(duì)其導(dǎo)電性能非常有利，如圖11 所示.

圖11 經(jīng)過400 ℃熱處理的接頭SEM 圖像[61]Fig.11 SEM images of joint after 400 ℃ heat treatment[61]

3.2 激光熔釬焊

相較于電弧熔釬焊，激光熔釬焊技術(shù)優(yōu)點(diǎn)有：1）加熱時(shí)間短，有利于抑制異種金屬金屬間化合物的生成量；2）加熱區(qū)域集中，有利于控制結(jié)構(gòu)變形；3）功率密度大，可顯著提高生產(chǎn)效率；4）連接過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，有利于實(shí)現(xiàn)釬料對(duì)母材的最佳潤濕，易于獲得質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠的接頭.

董鵬等[62]開展鋁/銅異種金屬的激光深熔釬焊焊接研究，在焊接過渡層內(nèi)Cu3Al2和CuAl2分布較為集中，使過渡層與焊縫其他部分之間存在較大的硬度梯度，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且CuAl2脆性較大，拉伸過程中容易產(chǎn)生裂紋，如圖12 所示.但試驗(yàn)中斷裂位置存在一定隨機(jī)性，鋁母材處和界面處皆有斷裂，接頭的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到鋁合金母材的94%.

圖12 焊縫橫截面[62]Fig.12 Cross section of weld seam[62]

借助統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，Solchenbach 等[63?65]研究鋁/銅激光熔釬焊工藝參數(shù)與熱輸入之間的聯(lián)系.研究表明，中間層厚度隨著焊接熱輸入的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，如圖13 所示.通過控制熱輸入，鋁/銅界面形成厚度均勻的金屬間化合物層，提升了接頭抗剪強(qiáng)度，降低了界面接觸電阻.

圖13 焊縫橫截面[64]Fig.13 Cross section of weld seam[64]

萬秀蓮等[66]采用Zn-5Al 藥芯焊絲對(duì)鋁/銅進(jìn)行激光熔釬焊對(duì)接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：接頭的抗拉強(qiáng)度隨著激光功率、焊接速度和焊接線能量的增大均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，IMCs 層厚度隨著焊接線能量的增大而增大，當(dāng)IMCs 層厚度在合適范圍時(shí)，既能保持接頭的有效連接，又能使其具有較高的抗拉強(qiáng)度，如圖14 所示.然而，當(dāng)線能量過大時(shí)，熔池環(huán)境溫度越來越高，越來越多熔化的鋁液向銅母材擴(kuò)散，加劇了鋁和銅的冶金反應(yīng)，大量生成CuAl 化合物和CuZn4化合物，導(dǎo)致界面反應(yīng)層過厚、結(jié)構(gòu)疏松，接頭的斷裂形式由韌性向脆性轉(zhuǎn)變，嚴(yán)重降低了接頭的抗拉強(qiáng)度，甚至?xí)霈F(xiàn)氣孔缺陷.

圖14 銅側(cè)焊縫區(qū)組織形貌[66]Fig.14 Microstructure morphology of copper side weld area[66]

Weigl 等[67]采用不同的焊絲作為填充金屬完成銅/鋁激光熔釬焊.結(jié)果表明：由于Si 元素與銅、鋁的相容性較好，銅和鋁之間的金屬間化合物的厚度隨著Si 元素含量的增加而減小，這表明Si 元素的存在有效阻止了銅和鋁的相互擴(kuò)散，如圖15所示.由于這些界面化合物的形成，在接頭界面的銅側(cè)形成顯微硬度峰區(qū).與鋁/銅直接焊接相比，鋁合金填充金屬Al-12%Si 的元素混合更加均勻，延性顯著增強(qiáng).

圖15 填充材料的Cu-Al 焊縫斷口區(qū)域的SEM 顯微圖[67]Fig.15 SEM micrograph of Cu-Al weld fracture area without filler material[67]

Hailat 等[68]通過添加Sn 箔研究鋁/銅連續(xù)激光焊接連接機(jī)理.研究發(fā)現(xiàn)：錫箔合金可以增強(qiáng)鋁和銅的相容性，抑制了可能形成的脆性金屬間化合物，從而提高了接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長率.鋁/銅兩種金屬的溶解度也受到填料摻入的影響；對(duì)銅斷口的EDAX 試驗(yàn)分析表明，鋁在銅中的分布更加均勻，導(dǎo)致斷裂方式更加均勻.試件在拉伸作用下的破壞載荷和破壞機(jī)理的有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.激光-電弧復(fù)合焊是指將激光熱源和作為第二熱源的電弧復(fù)合起來作用在同一熔池上的焊接方法.激光電弧復(fù)合焊結(jié)合了激光和電弧的優(yōu)勢，使其既具備一般電弧焊的高適應(yīng)性特點(diǎn)，又具備激光焊接的大熔深、高速、低變形的特點(diǎn).激光電弧復(fù)合焊中所添加的電弧主要有TIG 電弧、等離子弧和GMA 電?。慈刍瘶O氣體保護(hù)焊，包括MIG 焊和MAG 焊）.對(duì)比試驗(yàn)證明，激光-電弧復(fù)合焊接同種金屬的情況下可以形成更加精細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)并且最大限度減小母材稀釋作用，以實(shí)現(xiàn)高韌性[69].

4 討論

4.1 界面化合物關(guān)鍵影響因素

4.1.1 母材和填充金屬

綜述鋁/銅異種金屬熔釬焊研究見表2 至表4.由表可知，鋁/銅焊接工藝研究中：母材方面普遍采用1 系鋁合金、2 系鋁合金、5 系鋁合金和6 系鋁合金與純銅焊接；填充金屬方面采用鋁硅焊絲、鋅鋁焊絲或者鎳、錫、銀、銅等中間層來阻擋鋁和銅原子之間的擴(kuò)散，減少中間化合物形成，從而提高接頭的力學(xué)性能和物理性能.由表2 可知，Si 元素與銅、鋁的相容性較好，可以有效阻止銅和鋁的相互擴(kuò)散，抑制了脆性鋁/銅金屬間化合物的生成，從而提高接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長率.隨著填充金屬中Si 元素含量的提高，焊縫中生成了更多的Al-Si 共晶體，有利于減小焊縫區(qū)硬度，增強(qiáng)接頭的延展性[54?55,57?60,67].當(dāng)Si 元素含量較低時(shí)能夠有效地抑制金屬間化合物的產(chǎn)生，使接頭的電導(dǎo)率升高，但填充金屬中Si 元素含量過高時(shí)，會(huì)使Si 元素的析出相導(dǎo)致接頭電導(dǎo)率降低[59?61].由表3 可知，Zn 元素可以使釬料具有良好的潤濕鋪展性[46?51]，但是由于Zn 元素低熔點(diǎn)的特定性，容易在高溫中產(chǎn)生鋅蒸汽，造成電弧不穩(wěn)定和工件產(chǎn)生焊接缺陷問題，所以焊接過程中對(duì)于熱輸入的控制較為嚴(yán)苛，在熔釬焊過程中銅的熔化量較少，通過熔池的攪拌，銅與焊絲中的Zn 和Al 元素均能發(fā)生冶金反應(yīng)生成化合物，但是Al 與Zn 則不會(huì)形成化合物，只是形成固溶體及共晶組織，起到強(qiáng)化焊縫組織的作用[66].由表4 可知，Mg 元素可以較好地提高填充金屬在銅母材上的潤濕鋪展性，從而減小界面層的厚度，使冶金結(jié)合較為牢靠，接頭力學(xué)性能提升[59?60].Sn 元素可以增強(qiáng)鋁和銅金屬的相容性，抑制可能形成的脆性金屬間化合物，從而提高接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長率[68].Ni 元素可以和鋁/銅形成固溶體和化合物，且生成的金屬間化合物厚度小、脆性小，可以有效阻斷鋁/銅之間的相互擴(kuò)散，抑制脆性金屬間化合物的形成，提高接頭力學(xué)性能[53].

表2 鋁/銅異種金屬熔釬焊研究（鋁硅焊絲）Table 2 Study on welding-brazing of aluminum and copper dissimilar metals (Al-Si filler metal)

表3 鋁/銅異種金屬熔釬焊研究（鋅鋁焊絲）Table 3 Study on welding-brazing of aluminum and copper dissimilar metals (Zn-Al filler metal)

表4 鋁/銅異種金屬熔釬焊研究（其他填充金屬）Table 4 Study on welding-brazing of aluminum and copper dissimilar metals (other filler metal)

4.1.2 工藝參數(shù)

在焊接母材和填充金屬一定的情況下，由鋁/銅二元相圖（圖2）可知，中間相的種類及其數(shù)量由其溶質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小，即元素?cái)U(kuò)散量來決定，而元素?cái)U(kuò)散量又由原子的擴(kuò)散遷移能力決定.對(duì)于原子的這一能力，焊接熱輸入是影響其大小的主要因素，焊接時(shí)間則為次要因素.擴(kuò)散層厚度隨焊接熱輸入的增加而上升，并與時(shí)間的平方根呈線性增長關(guān)系.因此，鋁/銅連接過程中影響接頭熱輸入及反應(yīng)時(shí)間等的因素將影響中間化合物的形成[70].電弧熔釬焊和激光熔釬焊中，焊接接頭強(qiáng)度普遍隨著焊接熱輸入增加成先增大后減小的趨勢，都存在峰值強(qiáng)度.而由于工藝機(jī)理和工藝參數(shù)的不同，導(dǎo)致焊接熱輸入和焊接時(shí)間的不同，使產(chǎn)生的中間化合物不同，力學(xué)性能也不同.

4.1.3 焊后熱處理?xiàng)l件

由于鋁和銅之間存在較大的物理特性差，使接頭內(nèi)部產(chǎn)生了較大的應(yīng)力.通過焊后熱處理，可以消除接頭內(nèi)部的加工硬化和殘余應(yīng)力.對(duì)鋁/銅接頭進(jìn)行熱處理時(shí)，當(dāng)熱處理溫度較低且時(shí)間較短會(huì)使接頭界面處形成的中間化合物較少，厚度?。欢S溫度的升高以及加熱退火時(shí)間的加長會(huì)使化合物量逐漸增加，不連續(xù)的化合物相沿界面擴(kuò)展并匯合連成一片，并且化合物厚度也逐漸增加[61,70].

4.2 關(guān)鍵共性問題

雖然鋁/銅異種金屬熔釬焊仍存在許多問題，但大部分改良工藝在原理上存在相似性.

1）在沒有填充材料的情況下，對(duì)鋁和銅進(jìn)行激光焊的大多數(shù)研究都集中在調(diào)整工藝參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)方面，而且大多數(shù)焊接接頭的動(dòng)態(tài)長期穩(wěn)定性均較差.為了改善動(dòng)態(tài)長期穩(wěn)定性，必須采取增強(qiáng)延展性的措施，如焊后錘擊、焊后熱處理等.

2）鋁/銅異種金屬可以實(shí)現(xiàn)電弧熔釬焊連接，但是獲得的強(qiáng)度都并不長久可靠，主要是由于釬焊界面生成的Al-Cu 脆硬金屬間化合物易發(fā)生晶間腐蝕和電化學(xué)腐蝕.而增加釬焊界面的面積，控制界面金屬間化合物的生長是增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的關(guān)鍵.目前關(guān)于電弧熔釬焊的研究主要集中在參數(shù)的優(yōu)化、合金元素的添加和退火處理上，很少有對(duì)熔池流動(dòng)和熱輸入模擬進(jìn)行的研究.

3）鋁/銅異種金屬可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械與焊接連接，但是兩者之間都存在相應(yīng)問題，兩者的電位差是行業(yè)與學(xué)界認(rèn)為共同的問題所在，但是如何解決這個(gè)應(yīng)用性問題，也有不少專家提出使用涂層，但是涂層的耐磨性又是一大問題.

5 總結(jié)與展望

經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的多年努力，鋁/銅異種金屬焊接研究已經(jīng)得到一定進(jìn)展，但鋁/銅異種金屬熔釬焊仍然存在一些關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題和應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)，需要系統(tǒng)深入地開展探索研究.

1）外部填充金屬或焊絲添加合金元素焊接的鋁/銅界面的多種性能和作用機(jī)理.鋁/銅異種金屬連接適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，并可滿足復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能要求.目前研究大多集中在力學(xué)性能上，而對(duì)電導(dǎo)率、耐蝕性、疲勞強(qiáng)度和沖擊性能等方面的研究很少，對(duì)作用機(jī)理也需要進(jìn)行深入研究，這在“以鋁代銅”策略中起著重要作用.

2）鋁/銅異種金屬焊接的界面結(jié)構(gòu)和界面性能機(jī)理.大多數(shù)研究認(rèn)為鋁和銅的中間化合物是有害的，但是尚未研究它最佳厚度的存在是否真正有害.有研究表明，少量的IMCs 層會(huì)使鋁/銅接頭的抗拉強(qiáng)度大于或等于相同材料的鋁/鋁或銅/銅接頭抗拉強(qiáng)度.因此，如果采用合適的方法來控制金屬間化合物的厚度并找到臨界點(diǎn)，可能獲得機(jī)械性能更滿足使用要求的接頭.