铜异种金属焊接技术的研究进展

廖乾海，龙 琼，李 娟，伍剑明，苏向东

(贵州理工学院材料与能源工程学院，贵州 贵阳 550003)

0 引言

铜和铜合金在某些介质中具有出色的导电性、导热性、延展性和良好的耐腐蚀性，因此它们已成为热交换管道、导电设备和防腐材料的首选材料，对人类的发展起着至关重要的作用[1- 2]。

自进入21世纪以来，随着科学技术和工业的飞速发展，具有卓越性能的新材料和新结构得到了不断的发展和应用。

通过某种加工技术将两种或更多种金属连接起来，以形成具有某些实际功能的完整的异种金属连接结构。新形成的连接结构不仅满足了各种材料工作条件的要求，还节省了贵金属，降低了结构整体成本，充分利用了各种材料性能上的优势[3-4]。因此，异种材料的焊接技术受到越来越多的关注，具有广阔的应用前景。本文综述了铜/钛、铜/钢、铜/铝、铜/镁等异种金属的焊接工艺研究进展。

1 铜异种金属材料焊接工艺

1.1 熔化焊技术

由于铜与铝、钛、镁、钢和其他材料之间的物理和化学性质差异很大，因此其熔焊性非常差，这表现为接头脆性大，裂纹和接头强度低。因此，在一般的工业生产中很少使用熔焊来焊接铜合金和其他金属的异种材料。铜和钢的线膨胀系数和收缩率差异很大，并且在焊接过程中容易产生热应力和相变应力。当应力值大于接头强度极限值时，将发生开裂行为。另外，由于焊接过程中导热差，不均匀，热变形不一致，容易引起较大的变形[5]。王永芳等[6]分析了独特坡口型式下采用氩弧焊接工艺对铜/钛复合管的可焊性，研究结果表明：当使用银基钎焊材料BAg72Cu作为过渡焊接材料时，在焊接铜钛复合管时可以获得机械性能和耐腐蚀性理想的焊接接头。但是，即使在采用最佳的焊接参数下，采用熔焊技术焊接铜合金异种技术时也容易产生大量的金属间化合物(IMC)，不利于铜合金异种金属接头性能的提高。

1.2 激光焊接技术

在铜/钢异种金属的激光焊接过程中，由于铜的高导热性，通常需要采用预热方法来改善未熔合缺陷，这极大地限制了工业应用。在不进行预热的情况下，可以通过控制激光束偏移、入射角、激光功率和焊接速度对焊缝形成和接头机械性能的影响来优化焊接工艺参数，从而实现铜/钢的激光焊接，在最佳焊接参数下，T2紫铜和201不锈钢焊接接头，抗拉强度可达到260 MPa[7]。铜/钛激光焊接，采用激光束对中的方法焊接时，在焊缝处容易产生大量的Ti2Cu、TiCu和Ti2Cu3等IMC，导致接头连接强度显著降低，在焊接过程中调整激光束的入射位置以改善接头组织结构及焊缝中IMC的生成，从而可以改善接头的力学性能[8]。此外，孟圣昊等[9]在适当的焊接工艺参数下获得成形良好并具一定强度的铜/镁搭接接头，但是IMC是影响焊接接头性能并容易导致脆性断裂的主要因素。因此，在使用激光焊接来焊接铜异种金属时，可以调整接头的IMC以优化接头性能，并且将来可以加强在这一领域的研究。

1.3 超声焊接技术

超声波焊接也是一种较低温度下的固相焊接。铝/铜异种金属接头在电子、汽车工业和电池制造中具有广泛的应用。马成勇等[10]进行了铝铜异种金属的超声波焊接，研究结果表明，通过选择适当的超声波焊接，接头连接的质量得到了显着改善。谷晓燕等[11]采用高功率超声波点焊机成功焊接T2纯铜和Ti6Al4V钛合金异种金属。李彩霞等[12]采用超声波点焊对AZ31镁合金和纯铜进行了连接，研究结果表明，在接头界面反应层生成了Mg2Cu金属间化合物，且界面反应层厚度随着焊接能量的增大而增加，当焊接能量为1 500 J时，铜/镁金属接头的性能最佳，拉剪强度可达56 MPa。当使用铜和其他金属的超声波焊接时，接头处IMC的最佳控制也将直接影响接头的连接性能。

1.4 搅拌摩擦焊技术

搅拌摩擦焊(FSW)是一种相对较新的固相焊接。当焊接不同的铜和铝金属材料时，材料硬度和熔点的差异将导致连接困难，只有合理控制相关参数，才能达到良好的连接效果。阿荣[13]研究表明，当速度超过1 000 r/min时，在接头的界面处会出现脆性化合物层，这容易产生脆性金属中间层和低熔点低共熔物，从而可能导致脆性断裂。铜/镁异种金属的摩擦搅拌焊接可获得具有良好焊接表面和无缺陷界面的搭接接头。在熔核区域中，钛和铜以相间带状结构的形式相互混合，并紧密连接在一起，形成涡状的钛铜双相金属混合区域，有些区域表现出“机械性”“互锁”的结构外貌。陈建辉等[14]对T2纯铜和AZ31B镁合金异种金属进行了FSW技术研究，并在适当的焊接参数下，可以更好地实现铜/镁异种金属的焊接。

1.5 钎焊技术

通过钎焊工艺，将钎焊材料用作过渡层，以实现铜与其他异种金属的有效连接。曹凯等[15]先在铝板表面用刮擦钎焊法搭配M51钎料进行涂层处理，再将铜板与铝板使用焊锡进行钎焊连接，在最佳的焊接参数下，可以实现铝铜焊接接头的有效连接； 还研究使用刮擦钎焊方法将M51焊料涂在铝板的表面，然后再用焊料将铜板和铝板钎焊，在最佳焊接参数下，可以实现铝铜焊接。但是，龙伟民等[16]认为钎焊铜铝异种材料在接头形成与服役时，焊缝中IMCs的形成与生长是不可避免的，从而导致接头的力学性能显著降低。钎焊铜和钢时，由于钢的熔点远高于铜的熔点，因此铜和填充材料在焊接过程中会熔化并混合，并且会与始终处于固态的钢相互扩散，该焊接方法可以更好避免上述问题。因此，在连接铜合金的异种金属时，可以通过控制接头热输入，优化接头设计和焊锡成分来控制IMC的形成和生长，从而提高铜合金的异种金属的连接性能。

1.6 扩散焊

使用扩散焊接时，由于所使用的扩散温度明显低于金属的熔点，也是固相焊接，因此可以大大减少焊接过程中产生的IMC，有利于提高连接性能的铜合金异种金属接头。

Mahendran等[17]研究了镁/铜异种材料扩散焊接工艺，发现镁/铜合金连接的主要困难在于镁表面存在难以去除的氧化膜，且结合区域更容易形成脆性金属化合物中间层和氧化物夹杂物。张维翔等[18]选取厚度50 μm纯Cu箔作为中间层对AZ31B镁合金进行真空扩散焊，在外加压力为10 MPa、温度为480 ℃下保温30 min可以实现镁合金的可靠连接。史鸿培等[19]研究了铜合金QSn6.5-0.1与钢40CrNiMoA的热等静压扩散焊接，其平均接头抗拉强度为401.3 MPa，加镍层后平均接头抗拉强度可达451.0～616.8 MPa。当扩散焊接铜合金异种金属时，添加中间过渡层，可以进一步降低铜合金异种金属连接时产生IMC，改善铜合金接头的连接性能，今后可加强相关方面的研究。

1.7 其他焊接技术

此外，国内外研究人员对铜合金异种金属的焊接采用爆炸焊、磁脉冲焊、冷压焊等工艺进行研究[20-22]，但是，在接头焊接参数可控性、成材率、成本以及综合力学性能的稳定性等方面还有待进一步深入研究。

2 铜合金异种金属焊接展望

IMC显著降低了铜合金异种金属接头综合性能，因此，对焊接接头组织结构的调控是非常重要的，今后可尝试从以下几个方面对铜合金异种金属的焊接展开探索。

2.1 磁控焊接技术

磁控焊接技术的原理是通过磁场和导电流体的作用改变焊接电弧中的等离子体的受力情况，从而影响电流密度和电弧形状、等离子流体的分布、加热以及熔融池中的基础材料和液态金属的流动、晶体成核和晶粒生长、焊缝成形等。在焊接的过程中施加磁场，由于洛伦兹力、热电磁力和磁场能，改善了焊接过程中的传质过程和热场分布，并控制了焊接接头的微观结构和组织。可以显著降低接头裂纹、气孔等缺陷，进而改善接头的综合性能。磁控焊接技术也被誉为“无缺陷焊接技术”[23]。

2.2 复合焊接技术

采用复合焊接技术，两种或两种以上焊接技术的施加，结合不同热源的优势，可以改善单种焊接技术的缺陷，改善焊接过程中的热场分布，调节接头的微观结构，从而提高铜与其他异种金属接头的综合性能，目前关于铜合金异种金属焊接这方面的研究并不多[24-25]。

2.3 表面强化技术

对焊接接头采用表面强化技术，如辊轧、喷丸、激光冲击、超声波冲击等，可以在接头表面植入一定的压应力，减小或消除焊接过程中接头产生的拉应力，从而延长了接头的使用寿命[26]。表面强化技术还可以改善机械零部件及其表面性能，并提高疲劳强度和耐磨性。

2.4 焊后热处理技术

焊后热处理技术可以显著改善接头中的应力分布，同时也可以调控焊接接头析出相的生成及分布，从而提高铜与其他金属的焊接接头的综合性能[27-28]。

焊接残余应力是由焊接引起的焊件温度分布不均匀，焊接金属的热膨胀和收缩等引起的，通常使用高温回火来消除残余应力，并将焊件加热到一定温度(低于Ac1)并保持一定时间，降低接头的应力。因此，焊后热处理对接头的抗拉强度、蠕变极限、冲击韧性和其他性能有重大影响。将来，可以加强对铜合金异种金属接头的焊后热处理研究。

3 结语

铜及铜合金异种金属零件具有广阔的应用前景。目前，铜和铜合金的异种金属接头主要是由金属间化合物(IMC)的产生引起的，这大大降低了接头的力学性能。复合焊接技术、磁控焊接技术、焊接后热处理技术、接头表面强化处理技术等对控制焊接工艺IMC都有很好的效果。今后，我们可以加强对铜合金异种金属相关焊接技术的研究。