綜述銅鋁結合面的研究進展

馮海偉　班燕　徐海峰

摘 要：本文介紹了近年來國內外對于銅鋁異種金屬塑性成形、焊接成形及機械連接成形等各種方法所形成的銅鋁界面組織的研究情況，闡述了各種方法的特點、應用。通過對形成的各種界面組織進行分析、比較，找到銅鋁結合最易形成的組織種類，并且分析了各種組織的形成原因及對銅鋁異種金屬連接性能的影響，對于推動Cu/Al異種金屬金屬接頭的研究及應用具有重要意義。

關鍵詞：銅鋁；結合面；連接性能

0 前言

銅鋁連接過程中出現的主要問題是界面易出現銅鋁脆性化合物。當接頭長期處于高溫環境受到機械震動作用時，還會導致銅鋁原子擴散形成金屬間化合物層不斷加厚，使接頭的沖擊韌性下降，電阻升高。因此，連接界面組織對銅鋁異種金屬連接性能有重要的影響，

1 銅鋁塑性成形界面組織

銅鋁塑性成形主要有軋制、拉拔、旋壓等方法，成形溫度較低，界面層組織主要靠銅鋁原子擴散形成。Victor k.Champagne[1]等人采用冷噴涂技術，將微米級的銅顆粒高速沉積在Al（6061）基體上。發現在高速作用下，銅顆粒和鋁基體之間產生了粘性混合物，而且通過力學性能測試，證明結合力很強。通過經驗模型表明界面混合物依賴于基體硬度和覆蓋層材料的密度。

2 銅鋁焊接成形界面組織

2.1 銅鋁熔焊焊接界面組織

Mai等人采用350WNd：YAG激光焊成功地對1mm厚的銅和鋁進行了焊接。[2]研究表明，由于激光輸入能量的可控性以及能量的高密度性，激光焊能夠實現對能量分布的控制，極大減小連接金屬間的相互作用，避免脆性金屬間化合物的產生，使異種金屬的焊接能夠得到滿意的接頭。

2.2 銅鋁壓焊焊接界面組織

2.2.1冷壓焊、電阻壓力焊界面組織

冷壓焊對焊材準備工作要求比較嚴格，焊前母材表面要絕對清潔。鋁銅異種金屬冷壓焊工藝是對焊接接頭的顯微組織、抗拉強度、電阻性能，耐溫度變化性能及接頭耐高溫性能進行試驗和分析[3]。從冷壓焊的金相組織圖看出，焊縫組織非常致密，焊縫接合面兩側的組織均發生滑移和變形。這種滑移和變形是在焊接擠壓過程中，金屬被擠出形成飛邊造成的。由于近縫區晶粒組織結構被壓縮，變得很致密，因此這部分組織的強度和韌性均得到提高。

2.2.2擴散焊界面組織

擴散焊或稱擴散連接（diffusion joining）是在一定溫度和壓力下使待焊表面相互接觸，通過微觀塑性變形或通過待焊表面產生的微量液相而擴大待焊表面的物理接觸，然后經過長時間的原子互擴散實現結合的一種焊接方法。

中國工程物理研究院的謝軍[4]等人采用真空擴散連接技術，在高溫環境下對Al/Cu薄膜進行連接界面的研究。結果發現，Al/Cu界面結合良好，擴散界面窄，連接過程對原始材料表面質量影響小；Al/Cu界面產生CuAl2金屬間化合物，通過對加熱溫度、保溫時間、壓力等工藝參數的控制，能夠有效的控制擴散界面，使界面較窄，有效的防治擴散空洞的產生。

2.2.3摩擦焊界面組織

摩擦焊是在材料塑性變形與流動的基礎上，通過界面上的擴散與再結晶冶金反應實現連接的固態焊接方法，異種材料熔點差異影響較小，因此可以用于焊接異種金屬。

Jiahu Ouyang，Eswar Yarrapareddy[5]等人采用攪拌摩擦焊接方法實現了6061鋁合金和銅的焊接，經過T6熱處理后觀察了微觀結構組織的變化。實驗觀察到焊縫機械混合區主要包括Cu9Al4、CuAl和CuAl2等金屬間化合物，少量的α-Al和Al在Cu中的面心立方結構的固溶體。不同的顯微組織有不同的顯微硬度，其范圍由136-760HV0.2。

2.3 釬焊界面組織

鋁銅直接釬焊困難較大，接頭質量不好。鋁銅電極電位相差較大，易引起腐蝕；在釬縫中有脆性化合物生成使接頭強度降低。針對上述問題，應從釬料、釬劑和設備等著手研究了一些新的鋁銅釬焊方法。如電阻釬焊、超聲波釬焊和擴散釬焊等方法。

Xia zhunzhi[6]等人采用真空擴散釬焊技術焊接T2銅和1035鋁合金，并采用Al-Si纖料。試驗結果表明在焊縫界面處生成了Cu3Al2和CuAl2兩相。其中Cu3Al2層寬度約為12?m，CuAl2約為8?m，而且這兩層的硬度明顯高于基體硬度。此外，在焊縫處還發現了ε-Cu15Si4，Al-Si，CuZn2，α-Al等。合理的真空釬焊工藝參數為：焊接溫度T=590-610℃，真空度為10-3Pa，持續時間為5-10min。

3 銅鋁機械連接界面及模擬計算界面組織

在以鋁代銅的應用中，采用機械連接方法連接是電工產品中常用的方法，但機械方法用于銅鋁連接后，鋁表面極易氧化，所形成的氧化膜十分牢固，且電阻很大，在負荷較大的情況下接點處溫度升高，引起鋁本身的蠕變，在產品運行過程中接點處接觸不穩定，常發生冒煙、放爆等現象，并由此引起事故和火災。為了降低研究成本，突出各種因素的影響，許多學者還采用了模擬技術研究銅鋁焊接界面組織。

Shangda Chen等人[7]過分子動力學（MD）模擬研究溫度和表面粗糙度對焊接界面組織的影響，得到界面區的厚度有明顯的溫度依賴性，溫度越高越容易擴散，界面區厚度增加。通過分析表明，銅鋁擴散焊可以具有很好的機械性能，拉伸強度可以達到理想狀況下的88%。并提出銅鋁擴散焊焊接的形變硬化比單質更為顯著。

4 結論

上述研究結果表明，銅鋁連接常用的方法是壓力焊和釬焊，對于銅鋁界面的研究主要集中于界面組織種類及其生長機理、界面組織的力學性能、電性能及抗腐蝕性能等方面的研究。通過對各種連接方法形成的界面組織進行分析比較可知，銅鋁界面組織主要有銅鋁固溶體、金屬間化合物（主要有Cu3Al， CuAl、Cu9Al4、CuAl2等）以及他們形成的共晶組織構成。無論采用哪種連接方法， Cu/Al異種金屬界面區均有脆性銅鋁金屬間化合物生成，這對于提高Cu /Al異種金屬接頭的力學性能及電性能都十分不利。因此，今后的研究重點仍為選擇合適的連接方法，盡量減少界面金屬間化合物的生成，提高Cu/Al接頭的性能。

參考文獻

[1]Victor K.Champagne， Jr.， Dennis Helfritch， Phillip Leyman， Scott Grendahl， Brad Klotz， Interface Materials Mixing Formed by the Deposition of Copper on Aluminum by Means of the Cold Spray Process[J].Journal of Thermal Spray Technology，2004， 14：330-334

[2]Mai T A，Spowage A C.Characterisation of dissimilar joints in laser welding of steel-kovar，copper-steel and cop-per-aluminum[J].Materials Science and Engineering，2004，374（1-2）：224-233.

[3]溫立民，劉燕等，銅鋁異種金屬冷壓焊及焊縫顯微組織和性能，焊接技術36（3），2007

[4]謝軍、吳衛東等，Al/Cu薄膜真空擴散連接技術[J]，強激光與粒子束 16（5），2004，5

作者簡介

班燕，山東勞動職業技術學院，碩士研究生，研究方向： 材料成型，模具等