铜金属特种焊接技术的开发应用

张军元，李岸锦

（1.武威职业学院，甘肃 武威733000；2. 山东出入境检验检疫局检验检疫技术中心，山东 青岛266001）

金属铜是现代工业常用的金属原材料，具有优秀的导电性、导热性、耐磨腐蚀性和可延展性，而且在力学加工领域也有较好的物理性能。在现代石油化工、大型机械生产、电力通讯中均具有大规模的运用。现代工业对铜或铜合金的焊接方式大多为：气焊、手工电弧焊、TIG焊、MIG焊、手工激光焊、液相电镀焊等等。近年来，国内外专家学者对各类焊接方式和设备虽然进行了不断研究，使焊接技术有了一定提高，但是随着现代工业对金属铜焊接质量和焊接口物理性能的要求不断加深，传统焊接技术和焊接设备不断向复杂化发展，导致其焊接效率和焊接敏捷性不断降低，难以满足现代市场需求。人们通过大量研究可以确定，碳纳米管是迄今为止，世界上最独特的纳米材料之一，因为其良好的结构稳定性和机械性，如果可以应用于铜金属焊接，将会大大提高焊接效果。随着激光设备的不断发生，激光焊接技术也有了较为成熟的硬件支持。由于激光具有较强的能量和焊接密度，在焊接过程中可以轻易细化纳米碳颗粒，而且具有较强的同化作用，所以完全可以达到焊接要求[1]。

1 碳纳米复合材料

（1）碳纳米管特性分析。碳纳米管是典型的一堆纳米材料。直径为纳米级，长度可以达到微米级，所以纵横比较为突出。通过显微镜研究发现，碳纳米管是由六边形的探环组成的真空卷状管，碳管密度极小，平均密度小于0.8g/cm-3，具有高强度稳定性。机械性方面，因为其杨氏模量为0.5tpa～2tpa，拉抻强度可以达到180PA，所以其刚度也非常突出。此外，碳纳米管自身还具有非常优秀的化学稳定性、导热性、导电性，所以十分适合在增强铜金属焊接强度中应用[2]。

（2）碳纳米复合材料制备。在焊接前，需要提前制备所需添加的碳纳米管与铜的复合材料。现代常用的碳纳米管复合材料的制备方式主要是粉末冶金法，此外还有电镀沉积法和金属液喷涂法。具体方法根据复合材料所用金属物理性判断，如果金属熔点较低，也可以直接采用先融化后凝固的方法，具体方法如图1所示。

图1 碳纳米复合材料制备方法示意图

因为本次探究焊接材料为金属铜，所以选择粉末冶金的方法制备碳纳米复合材料。其基本步骤主要为：根据焊接口面积准备适量金属铜粉并与碳纳米管混合后，搅拌均匀。通过金属研磨机，机械合金化，随后通过冷凝机冷凝压实。也可以通过等离子电流释放装置进行热压操作。最后利用液压机，进行碳纳米复合材料挤压。利用粉末冶金固态加工方式的有点在于：可以随时控制相关材料的配比，在制备过程中不需要融合铜金属，避免破坏其物理性，此外，因为材料制备成型后，直接为固态，所以可以根据后续焊接接口的形状，随时加工碳纳米复合材料形状，完成后续焊接操作[3]。

（3）碳纳米材料改性。根据研究可知，碳纳米管属于集成分子，化学稳定性较强。因为其内部碳原子之间的原子共价链是SP2杂化链，所以碳纳米管表面碳纤维的不能溶于水或者其他有机化学溶剂。同时，碳纳米管还具有跟石墨类似的低金属湿润性，因此其表面不能直接进行化学催化。美国物理学家斯蒂芬·莱恩纳德曾经详细研究过碳纳米管的湿润性，认为其表面湿润性强弱的决定因素在于表面张力。并且认为100mN/M～180mN/M使其临界值，这就意味着作为典型纯金属的金属铜，很难直接被润湿在碳纳米管表面上，其最典型的现象就是在金属焊接中，碳纳米管与铜金属之间，在激光焊接后，会发生焊接面滑移。为了避免类似情况，需要对碳纳米管进行物理改性操作。

现在对碳纳米材料进行改性的主要操作主要是从物理和化学两方面出发改善其湿润性和相容性的，常用方式主要有：金属打磨，超声波处理、物理填充等等[4]。

2 金属铜焊接工艺开发

（1）焊接用材料。本次焊接工艺使用的金属铜为T9型紫铜，厚度为0.3毫米，其主要金属成分如表1所示。激光点焊焊头尺寸为6×6mm，为了方便对其进行焊接和力学拉抻，焊接口面积尺寸定为100×15mm。

表1 紫铜化学成分表

本次实验焊接口增强项材料，选择的是碳纳米管和金属铜的复合材料，多壁纳米管全部由南阳曙光纳米技术有限公司提供，通过1.2和1.3所论述的碳纳米复合材料制备方法和改性方法进行加工而成。其主要技术参数如表2。

表2 纳米复合材料技术参数表

（2）焊接流程。本次焊接主要选择激光电焊的方式进行金属铜接口焊接，通过在接口添加制备的多碳纳米复合材料，提高焊接后接口物理性。其主体可分为两方面：一是多碳纳米材料的制备工艺和改性操作；二是激光电焊接口材料添加。如果多碳纳米合金纯化度不够，在添加材料时，需要立刻进行镀铜操作，保证接口完整性。

（3）焊接头力学分析。为了验证本次开发的焊接工艺是否真实有效，需要对实验样品进行焊接头力学分析验证。实验项目主要为拉抻应力值测试和接头金属硬度测试[4，5]。测量金属硬度主要使用的是洛氏硬度测量法，测量过程为：以一定载荷值，将136°顶角的金刚石锥压入金属表面测量其压痕面积，公式如下：

公式中f为载荷值，d为压痕对角线长度值。对传统焊接方式和本次开发的方式进行对比论证，其结果如表3。

表3 焊接效果对比表

3 结语

本次开发的铜金属特种焊接技术是在焊接过程中，通过添加多碳纳米复合材料，提高焊接口焊接强度。通过实验证明，本次研发的焊接技术可以大幅提高焊接口拉抻应力强度和金属硬度，具有较强应用性，可以进行推广使用。

[1]王希靖,刘勇,郁志勇．铜/铝异种金属的电阻钎焊技术研究[J]．热加工工艺,2016,18(17)：74-77．

[2]付伟,宋晓国,龙隆,等．石墨/紫铜间接钎焊接头的界面组织及力学性能[J]．金属学报,2016,52(6)：734-740．

[3]郭纯,张学杰,张文军,等．新型焊接材料无缝无镀铜药芯焊丝的研制[J]．金属加工(热加工)热加工,20175(8)：26-28．

[4]董亭义,户赫龙,于文军,等．集成电路用钛靶材和铜铬合金背板扩散焊接技术研究[J]．金属功能材料,201714(6)：23-27．

[5]陈寿军,段绵俊,周景蓉,等．铜/不锈钢加筋板爆炸焊接工艺实验[J]．工程爆破,2016,22(5)：92-96．