銅鋁異種金屬焊接研究現(xiàn)狀及展望

供稿|劉蘭勝，王龍鳳 / LIU Lan-sheng ,WANG Long-feng

內(nèi)容導(dǎo)讀 介紹了銅鋁異種金屬固相連接技術(shù)，比如攪拌摩擦焊、電磁脈沖焊等方法在銅鋁焊接中的應(yīng)用和相關(guān)研究成果，此外國內(nèi)外研究學(xué)者將釬焊技術(shù)應(yīng)用到銅鋁異種金屬焊接也獲得了豐碩的成果。最后，重點(diǎn)敘述了激光焊在銅鋁焊接中的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢，并對復(fù)合激光和環(huán)形光斑新型焊接技術(shù)進(jìn)行了展望。

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程中會產(chǎn)生大量金屬間化合物，金屬間化合物屬于硬脆相，其不但會降低焊縫強(qiáng)度還會增加金屬電阻值。前蘇聯(lián)學(xué)者里亞博夫[4]曾對銅鋁異種金屬材料開展了一系列熔焊研究。通過在銅一側(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）對銅鋁進(jìn)行焊接，獲得的接頭綜合力學(xué)性能較差；若通過預(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。

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，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)釬料就會潤濕母材，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)和新能源動力電池領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

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規(guī)律對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）方法對銅與6061 鋁合金對接接頭研究表明：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HV0.2136～760。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）對工業(yè)純銅T1 與防銹鋁LF6 對接接頭進(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，減少了金屬間化合物的生成。

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，對焊縫接頭的顯微組織進(jìn)行分析，并測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^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]采用不同的方案來研究這個(gè)問題。他們分別對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。

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Cu3Al2兩種金屬間化合物，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)過渡區(qū)、釬縫和鋁側(cè)過渡區(qū)組成，有少量的金屬間化合物生成，這些金屬間化合物對焊縫性能有重要影響。

激光焊

激光焊作為一種新型焊接方法，相對于傳統(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)理公會大學(xué)的學(xué)者們[17]對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)為可以通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，但仍需要進(jìn)一步研究來證明，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。

結(jié)束語

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，國內(nèi)外的研究學(xué)者也對此做了大量實(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，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。