铜铝异种金属焊接研究现状及展望
时间：2023-06-30 19:50:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
供稿|刘兰胜，王龙凤 / LIU Lan-sheng ,WANG Long-feng
内容导读 介绍了铜铝异种金属固相连接技术，比如搅拌摩擦焊、电磁脉冲焊等方法在铜铝焊接中的应用和相关研究成果，此外国内外研究学者将钎焊技术应用到铜铝异种金属焊接也获得了丰硕的成果。最后，重点叙述了激光焊在铜铝焊接中的发展现状和未来趋势，并对复合激光和环形光斑新型焊接技术进行了展望。
铜铝金属材料因具有良好的导电、导热及延展性，且有优良的物理化学和加工性能；
而广泛应用于电气、机械制造、汽车、新能源等领域[1]。能否实现铜铝异种材料的有效连接[2]，直接决定了铜铝金属的应用范围。大量研究证明，传统的熔焊无法实现铜铝异种金属之间良好连接[3]，这是因为铜铝金属熔点、导热率、线膨胀系数等物理性能差异较大，这两种金属在凝固过程中会产生大量金属间化合物，金属间化合物属于硬脆相，其不但会降低焊缝强度还会增加金属电阻值。前苏联学者里亚博夫[4]曾对铜铝异种金属材料开展了一系列熔焊研究。通过在铜一侧开一定角度的坡口，采用埋弧焊和非熔化极惰性气体保护焊（TIG）对铜铝进行焊接，获得的接头综合力学性能较差；
若通过预先在铜表面镀复合金属（Ag、Zn、Sn、Ni）的方法，获得的焊接接头力学性能有较大提升，基本能够满足设计需求。如镀锌时，当镀层厚度为60 μm 时，铜侧开75°坡口，获得了比较理想的焊接接头，分析原因为镀层减小了金属间化合物的生成，降低了金属间夹层厚度，从而提高了焊缝的力学性能。但由于镀层金属价格昂贵，并且增加了制造难度和成本，导致这一工艺方法应用的局限性较大，并未实现大规模的应用和推广。
固态焊接由于母材不熔化，所需的焊接热输入量较少，和传统熔焊相比更适合异种金属之间的连接。因此，固态焊接技术在铜铝异种金属焊接方面存在较大优势，获得的焊接接头较传统熔焊综合力学性能也有较大提升。搅拌摩擦焊、超声波焊、电磁脉冲焊等固相连接方法，成为国内外学者研究铜铝金属异种焊接的热点，并且取得了丰硕的成果。钎焊作为一种古老的连接技术比较适合异种金属之间的焊接，选用比母材熔点更低的金属作为钎料，将焊件和钎料加热到钎料熔化而低于母材熔点的温度，液态钎料就会润湿母材，填充接头间隙并与母材扩散形成焊缝，从而实现铜铝焊接。近几年，随着激光技术的成熟和进步，激光焊接也逐渐应用到铜铝焊接中，特别是在汽车工业和新能源动力电池领域应用广泛。
搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊是铜铝异种金属焊接比较常用的一种压焊方法，Lee[5]等人采用传统摩擦焊方法实现了纯铜与1050 铝合金焊接，且进行了退火处理，分析焊缝中金属间化合物的生长规律对焊接接头电阻率和综合力学性能的影响。研究发现，金属间化合物宽度为21 μm 时，其电阻率为45 μΩ/cm；
当金属间化合物的宽度增加至107.5 μm 时，电阻率变为85 μΩ/cm，抗拉强度随着金属间化合物的增大而降低，断裂位置也从铝侧热影响区变为整个金属间化合物层。Ouyang 等[6]采用搅拌摩擦焊（FSW）方法对铜与6061 铝合金对接接头研究表明：焊后接头的机械混合区域主要由CuAl2、CuAl 和Cu9Al4组成；
该区域的显微硬度变化范围为HV0.2136～760。由于脆性金属间化合物的形成，导致铜铝异种金属的搅拌摩擦焊存在一定难度。南昌航空大学柯黎明[7]等人也曾采用搅拌摩擦焊（FSW）对工业纯铜T1 与防锈铝LF6 对接接头进行研究，结果表明：搅拌头的旋转速度与焊接速度的比值直接影响焊缝的致密性和接头组织性能；
当板材为薄板时，焊接工艺参数窗口较大，并且焊缝成形较好，这是因为接头内部产生了剧烈的塑性流动，减少了金属间化合物的生成。
电磁脉冲焊
电磁脉冲焊起源于上世纪70 年代初期，属于固相连接的一种，非常适合异种材料之间的焊接，因为它可以将属性相似或不相似的金属实现良好的连接。但是，目前关于铜铝异种金属电磁脉冲焊的研究还较少，张杰[8]曾尝试采用电磁脉冲焊将T3 纯铜与LF21 防锈铝进行焊接，对焊缝接头的显微组织进行分析，并测试了焊缝表面硬度值和接头力学性能。结果表明：获得的焊接接头抗拉强度为137 MPa，分别为母材LF21 防锈铝的110%和T3 纯铜的51%；
接头屈服强度为60 MPa，达到了LF21 防锈铝的102%和T3 纯铜的88%，在接头综合力学性能方面获得了优质焊接接头。两种金属电磁脉冲焊接头硬度最大值出现在了LF12 防锈铝一侧，最大值为HV 118，主要原因为在焊接过程中T3 纯铜与LF21 防锈铝相互扩散，在焊缝周围产生了剧烈的置换反应，生成了α-Al 固溶体相和CuAl2化合物导致的；
此外，焊缝的主要成分是由α-Al 固溶体相、CuAl2相和Cu 相组成。
为了研究电磁脉冲焊在同种和异种金属焊接之间的差异性，Raoelison 等[9-11]采用不同的方案来研究这个问题。他们分别对Cu/Al 和Al/Al 采用相同的焊接参数和设备并在相同的环境条件下施焊，结果表明：Cu/Al 异种金属产生了金属间化合物，而Al/Al则是连续的金属结合。因此，Cu/Al 接头的综合力学性能较低，焊缝易出现脆性断裂，而Al/A 一般具有良好的力学性能，拉伸时往往是由于产生塑性变形产生的韧性断裂。
钎焊
钎焊由于母材不熔化，而是依靠钎料将两种金属实现连接，因此，比较适合异种金属之间的焊接。孙德超等[12]对铜铝的直接钎焊进行了研究，分别分析了钎料、钎剂、工艺参数等对铜铝钎焊的影响。结果表明：在选择正确的钎料、钎剂前提下，通过降低钎焊温度，减小钎焊时间，调节焊缝间隙和母材表面光洁度，并进行焊后处理，可以获得比较理想的钎焊接头。南京航空航天大学薛松柏等[13]采用火焰钎焊方法，实现了铜铝中温钎焊的良好连接，并选用改良的无腐蚀钎剂和中温钎料大大减少了铜铝间金属间化合物的形成。
日本广岛大学Koyama 等[14]对Cu/Al 进行了真空钎焊研究，所用钎料为AlSiMgBi 合金，结果表明：钎焊温度在520～580 °C 之间最为合适，焊缝中存在CuAl2和Cu3Al2两种金属间化合物，焊件拉伸试验断裂处均发生在金属间化合物处，接头的强度与金属间化合物类型相关。山东大学李亚江课题组也研究了铜铝异种金属真空钎焊工艺和接头组织性能[15]。研究表明：通过控制加热温度、保温时间和真空度等工艺参数可以获得优良的铜铝焊接接头，接头界面区主要由铜侧过渡区、钎缝和铝侧过渡区组成，有少量的金属间化合物生成，这些金属间化合物对焊缝性能有重要影响。
激光焊
激光焊作为一种新型焊接方法，相对于传统焊接具有能量密度高、热影响区窄、深宽比大、热输入量低等特点，激光技术的应用和成熟使得铜铝异种金属在熔焊方面获得了巨大的进步和推广。薛志清等[16]研究了铜铝薄板激光焊接，并分析了接头组织特征与力学性能。结果表明：接头微观组织由板条状过共晶区和片层状共晶组织及枝晶状的亚共晶区组成，并且获得了具有优良力学性能的焊接接头。
在提高铜铝异种金属接头抗拉强度方面，科研工作者们提出了不同的优化方法，比如增大铝在铜铝合金焊缝中的占比，发挥激光焊接功率的能量调节作用。特别是近几年复合激光技术的应用，可以较为精确的调节激光在焊接过程中的功率密度和分布，提高焊接稳定性的同时还降低了焊接飞溅。
通用汽车和德克萨斯州南卫理公会大学的学者们[17]对铜铝异种金属的激光焊接开展了较深入的研究。他们分别采用光纤激光器和盘式激光器对铜铝进行搭接焊，分析了焊缝组织显微硬度和剪切强度；
此外，还应用四点测试法研究了焊缝电阻率的变化规律。结果表明：铜铝异种金属的激光搭接焊时，影响焊缝质量和外观形貌的主要因素是上方母材的类型，当铝在上方时，焊缝表面会有明显凸起，且铜铝熔深较浅；
当采用铜铝铜或铝铜铝“三明治”结构进行搭接焊时，接头的显微硬度和电阻率均较大，这是由于焊缝中生成了金属间化合物导致。他们认为可以通过调整焊接工艺参数对焊缝质量进行优化，但仍需要进一步研究来证明，特别是焊缝中金属间化合物形成机理需要大量的探索研究工作。
在铜铝异种金属焊接方面，本文主要介绍了固相连接的一些方法，铜铝本身的一些特性决定了很难采用传统的熔焊方法实现良好连接，而搅拌摩擦焊、电磁脉冲焊等固相连接方法比较适合铜铝之间的焊接，国内外的研究学者也对此做了大量实验研究，并取得了丰硕的成果。此外，钎焊这门古老的技术，只要选择了合适的钎料、钎剂，也可以获得比较理想的钎焊接头。最后，激光焊接技术使得铜铝连接的应用得到了极大的推广，特别是在汽车工业和新能源动力电池领域应用广泛；
复合激光焊接技术和环形光斑焊接是近几年新推的激光焊接类型，在提高焊接稳定性和降低焊接飞溅方面有较大优势，它们的焊接机理和应用成果有待进一步研究和完善。
