铝铜接头的扩散焊连接研究现状

供稿|彭胜 ，初铭强 ，张书彦 ，张鹏 / PENG Sheng , CHU Ming-qiang , ZHANG Shu-yan , ZHANG Peng

内容导读

铝铜连接接头在电子、能源动力、交通等领域中的应用越来越广泛，铝铜的高质量连接是充分利用铝与铜各自的优异性能的前提，因而已成为焊接领域的研究热点。由于铝和铜两种材料熔点差值大、线膨胀系数差异大，铝在加热时易形成氧化膜难以去除，并且铝铜之间极易生成复杂的脆性金属间化合物，严重影响接头力学性能及导电性，导致实现铝铜之间的可靠连接成为焊接领域的研究难点。扩散焊接技术是一种解决铝铜高质量连接的可行方式。文章对铝/铜接头的扩散焊连接技术的现状进行了综述，介绍了铝/铜扩散焊接的材料、前处理过程、中间层的选择、连接工艺(温度、压力、真空度)及性能测试的项目、设备和方法。

铜具有良好的导电、导热性能、出色的延展性和优良的机械性能，在电缆、电气和电子等工业制造领域具有广泛的应用[1]。铝也是一种良好的导电材料，且价格低于铜。为了降低成本、充分利用铝与铜各自的优异性能，通常需要将铝与铜连接在一起制成铝铜复合构件。

铝和铜的高质量连接一直以来都是一个难点，这主要是由两种材料的结构特点和性能决定的，主要包括：(1)两种材料的熔点相差较大，熔焊方法难以同时熔融两种材料[2]；(2)液态铜和铝能够溶解和吸收大量的气体，导致接头焊缝中易产生气孔[3]；(3)铝表面有致密的氧化膜，阻碍了与铜的高质量结合[4]；(4)铜和铝易生产金属间化合物，影响服役 性能[5]。

扩散焊接是指在温度和压力的作用下，相互接触的材料表面相互靠近，导致局部发生塑性变形，原子间发生相互扩散而形成整体的焊接技术。扩散焊的优点包括：(1)可实现异种材料的连接；(2)可获得高质量的焊接面；(3)可制造具有复杂形状或横截面的高精度零部件，无需二次加工；(4)扩散焊接过程中不产生紫外线辐射和有害气体，不会对环境产生不利影响。本文对铝铜两种金属的扩散连接的研究现状进行了概述。

基体材料及前处理

基体材料和中间层材料

◆ 基体材料

纯铝和纯铜的物理性能见表1。由表1可知，铝的密度约为铜的30%，熔点约为铜的60%，室温比热容、线膨系数和电阻率比铜高，热导率低于铜。在铝铜扩散焊接过程中，可能形成的金属间化合物包括CuAl，CuAl2，Cu4Al3，Cu5Al3，Cu3Al2，Cu9Al4和Cu3Al等[6]。

表1 纯铝和纯铜的物理性能[7]

◆ 中间层的选择

对于力学，物理和化学性能不同的材料，采用中间层有助于改善扩散焊接头质量。两种线膨胀系数不同的材料进行扩散焊，在焊接件冷却过程中，焊接区会产生残余应力。线膨胀系数相差越大，残余应力值越大。采用中间层(线膨胀系数介于两种材料之间且具有较高的塑性)有利于释放残余应力。扩散形成脆性金属间化合物会影响焊接件的整体强度。通过中间层可阻止金属间化合物层[8]。

表2总结了文献报道的铝-铜扩散焊连接采用的中间层材料，包括Ag、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Cu-Mg-(Zn)合金。Ag 中间层可以有效抑制 Al 和 Cu 界面生成脆性金属间化合物相[9]。通过查阅铜和铝两种金属与其余元素的二元相图可知，银铜可以形成共晶组织，银铝二元体系也有较宽的共晶成分区间。与此类似，Si也能与Al形成共晶组织。

表2 铝铜扩散焊的中间层选择

样品前处理

扩散焊对焊面的状态包括几何状态和物理状态。几何状态指机械加工表面曲线；加工表面可分为宏观几何(波度)和微观几何(粗糙度)。对于理想清洁表面，表面曲线可分解为宏观曲线(波度曲线)和微观曲线(粗糙度频率曲线)。物理状态取决于表面层的成分和结构[8]。为增加铝和铜的接触面积，需要对表面进行磨光或抛光处理。

铝具有较高的化学活性，铝与铜易形成脆性金属间化合物，与氧形成氧化物。焊接过渡区的金属间化合物和氧化物导致焊接接头的强度和冲击韧性显著降低，力学性能的分散性大。在扩散焊接前对铝及铝合金进行表面处理尤其重要。表3对文献报道的铝-铜扩散焊的样品前处理进行了总结。铝的表面氧化膜可通过NaOH溶液漂洗或者采用钢丝刷对表面进行处理。铜可用硝酸/硫酸进行表面酸洗处理。

表3 铝铜扩散焊的样品前处理

扩散焊工艺选择的原则

表4对文献报道的铝-铜扩散焊采用的工艺进行了总结。

温度的选择原则

在其他条件相同的情况下，提高温度会增加连接强度。而温度过高，会导致晶粒长大，强度降低。李亚江的研究表明，520～540 ℃是Cu/Al扩散焊的最佳焊接温度[18]。

表4 铝铜扩散焊的工艺参数

压力的选择原则

加载的作用是压碎和去除表面氧化膜和污染物、使对焊面彼此靠近、增加接触和原子相互作用以及激发后续的扩散与再结晶。压力足够大以弥合焊接面的凸凹不平，以获得最大的实际接触面积。压力不能导致焊接区产生宏观塑性变形。一般选择焊接温度下工件的屈服强度。对于铝和铜的扩散焊接，选择焊接温度下铝的屈服强度作为焊接压力是比较合适的。文献报道的铝-铜扩散焊连接的压力一般不超过20 MPa。

保温时间的选择原则

扩散焊接的过程包括氧化膜的净化和溶解，塑性流变，再结晶，互扩散。这些过程可能同时进行或顺序进行。扩散焊接的速度由最慢的过程决定。随着时间的延长，强度、延伸率和冲击强度都增加了。时间达到临界值后，由于晶粒长大，性能降低。保持时间一般通过计算或试错法确定，取决于是否包括中间层。适当延长保温时间有利于原子的扩散、提高接头抗剪强度[10]。

真空度的选择原则

计算和实验表明，真空度在(1～100)×10-3Pa区间足以使焊接面洁净至形成与母材强度相当的完整焊接件，需要基于前期的研究基础和焊接强度分析，根据材料的性能进行选择[8]。

表5 铝铜扩散焊的性能测试

扩散焊样品性能表征

为了评价铝铜扩散焊连接的工艺，需要进行性能测试以评价工艺。性能测试内容包括接头处的成分、相结构、组织和力学性能以及物理性能测试。

成分分析一般采用能谱、电子探针和光谱分析；相结构采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)进行表征；微观组织采用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)进行测试。力学性能测试包括微区显微硬度测试、剪切强度测试；物理性能测试包括电阻率测试等。金相组织分析腐蚀剂采用FeCl3盐酸酒精溶液和氢氟酸溶液(质量分数为50%)[21]或硝酸银溶液[12]。

结束语

铝铜连接接头在电子、能源动力、交通等领域中的应用越来越广泛，二者的高质量连接是焊接领域的研究热点。由于铝和铜两种材料熔点差值大、线膨胀系数差异大，铝在加热时易形成氧化膜难以去除，并且铝铜之间极易生成复杂的脆性金属间化合物，严重影响接头力学性能及导电性，导致实现铝铜之间的可靠连接是焊接领域的研究难点。本文对铝/铜接头的扩散焊连接技术的现状进行了综述，介绍了铝/铜扩散焊接的材料、前处理过程、中间层的选择、连接工艺(温度、压力、真空度)及性能测试的项目、设备和方法。