鋁/銅異種金屬熔釬焊工藝及界面調控方式的研究現狀

李巖, 樊丁,2, 黃健康,2， 于曉全

(1.蘭州理工大學, 蘭州 730050；2. 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室, 蘭州 730050)

創新點： (1)通過對國內外激光熔釬焊與電弧熔釬焊的研究現狀進行對比分析，得出了各自的優缺點。

0 前言

銅及其合金的導熱性、導電性、耐蝕性及易加工性等優點，使其在新能源汽車、電器元件等領域被廣泛應用[1-2]。但由于國內銅資源匱乏，主要依賴于國外進口，而鋁價格便宜、資源豐富[3]、密度比銅小，因此“以鋁節銅”不僅降低了制造成本、減輕了產品質量，還合理的利用了資源[4]。近些年工業飛速發展，單一材料已經很難滿足發展需求，因此，異種金屬復合結構應運而生，這不但發揮了不同材料的性能優勢，而且滿足了工業生產需求，但在實際工程應用中，仍面臨著鋁/銅高效高強度連接的技術瓶頸。

普通的機械連接，如鉚接、螺栓連接雖然可以使鋁/銅之間實現有效連接，但是連接工件氣密性較差，相比前者而言，通過焊接方法實現鋁/銅連接獲得的接頭性能更為突出。當前為實現高質量鋁/銅異種金屬連接主要通過釬焊[5-6]、爆炸焊[7]、攪拌摩擦焊[8-9]、超聲波焊[10-13]及熔釬焊等焊接方法，但釬焊和固相焊受工件形狀制約，焊接效率低、不適合現場做業等問題，很大程度限制了其在鋁/銅焊接過程中的應用。熔釬焊作為一種結合了熔焊和釬焊共同特點的新型焊接方法[14-15]，其只熔化低熔點母材(Al)使其在高熔點母材(Cu)上進行鋪展，最終在鋁和銅2種金屬之間形成永久、牢固的金屬結合，其具有焊接效率高、熱輸入較低、適用于多種異種金屬接頭等優點。但由于鋁和銅物理性能差異較大，(如熔點相差424 ℃，線膨脹系數差40%)[16]，相互固溶度較低，這使得鋁/銅在熔焊過程中，焊縫處會形成大量的脆性相的金屬間化合物和Al-Cu共晶組織，使焊縫脆性傾向變大，易產生裂紋，這對鋁/銅焊接接頭的力學性能產生了巨大影響[17-21]。因此，為使焊接接頭性能更好，研究者采取各種措施從工藝和冶金上調控金屬間化合層的形態尺寸、抑制接頭缺陷，以期改善接頭界面組織、提高接頭性能。

文中以熔釬焊方法及Al/Cu界面IMC組織調控為主要介紹內容，總結了國內外鋁/銅熔釬焊研究現狀，探討了鋁/銅焊接中的界面調控難題，并對其解決措施進行分析和介紹，這將為鋁/銅異種金屬的高效高強連接提供技術指導，并為推動鋁/銅復合結構的廣泛應用奠定基礎。

1 鋁/銅熔釬焊研究現狀

1.1 鋁/銅激光熔釬焊

激光可以高效、經濟地將電磁波轉化為熱量，精確地應用于特定的小點。它以高精度和高速度提供局部加熱，而無需施加高壓。因此，相比于傳統的焊接，它產生微觀層面結合所需的熱輸入較少，形成的熱影響區較小，基于以上眾多優點，研究人員開始嘗試使用激光焊實現鋁/銅的有效連接。Mathivanan等人[22]研究了激光脈沖的聯合振蕩和調制對鋁/銅搭接焊的影響，如圖1所示,由于銅鋁激光快速焊接工藝，焊縫中形成了圖1a中的復雜的鋁/銅形貌,研究分析得出脈沖時間和功率調制可以影響混合的程度和形成的氣孔的數量,如圖1b所示。

圖1 激光脈沖的聯合振蕩和調制對鋁/銅搭接焊的影響

Lee等人[23]比較了鋁/銅不同搭接方式的激光焊，當鋁在頂部時，在接近界面區域形成約5 μm厚度的AlCu2的形成，鋁在底部時，界面處可觀察到大量CuAl2和Cu9Al4的IMC層，該IMC層使得焊縫接頭處的硬度大于母材。由于該IMC層高脆、高硬的特征，嚴重影響了接頭的力學性能，且其在焊縫熔合區的大量堆積影響了接頭導電及導熱性能。為解決熔釬焊接頭的問題，Mohid等人[24]研究發現采用較大的平均激光功率可以獲得較小的硬度增量，使接頭的性能更好。Solchenbach等人[25]研究了500 μm厚SF-Cu和鋁合金AA1050在搭接結構中的激光熔釬焊，他們在3種不同的工藝參數下得到了3種不同的焊縫結構，如圖2所示。最終結果顯示，合適的工藝參數下，可觀察到均勻的界面結構，金屬間化合物的厚度減小到3.2 μm，抗剪強度可達121 MPa。

圖2 不同的工藝參數下的焊接結構

近年來，鋁/銅焊接結構件在電子電氣領域得到廣泛應用，但金屬間化合物的厚度，嚴重惡化了接頭處的導電性能，因此，除力學性能之外，導電性能也顯得尤為重要。Solchenbach等人[26]研究了金屬間化合物對鋁/銅接頭接觸電阻的影響，研究發現超過3～5 μm的IMC層對接觸電阻有很大的影響，如圖3所示，焊后通電測試，發現并非所有電流直接通過焊接界面，如圖4所示，一部分電流沿母材流動并隨后通過界面，從而增加了接觸電阻。

圖3 金屬間化合物厚度與界面電阻的相關性

圖4 界面電阻下降等高線圖

通過以上研究分析得知，激光熔釬焊在異種金屬連接中起到了舉足輕重的作用，但相比于其他焊接方法激光焊接對焊件的裝配精度要求更高，其次激光焊機及其相關設備成本較高，通常用于高精密器件的焊接，這大大增加了焊接成本且難以實現復雜接頭的焊接。

1.2 鋁/銅電弧熔釬焊

眾所周知，電弧焊作為目前國內外生產制造中最為普遍的焊接工藝方法，被廣泛應用于各個工業制造領域。在鋁/銅異種金屬連接方面，相對于固相焊與激光焊，電弧焊方法具有制造成本低，設備簡單靈活，易于實現自動化，可用于多種復雜結構接頭的焊接等諸多優點。近年來，因異種金屬焊接的需要，研究人員利用被焊母材熔點的較大差異，提出電弧熔釬焊的焊接工藝，已有研究人員開展了鋁/銅電弧熔釬焊方法及工藝的初步嘗試。

董紅剛等人[27]采用添加Zn-15%Al焊絲的TIG熔釬焊方法，實現了鋁合金/黃銅的搭接焊，研究發現IMC層主要由CuZn5相組成,并以柱狀晶向焊縫生長。 該課題組采用旁路耦合電弧焊方法實現了鋁合金與紫銅的熔釬焊[28]，并研究焊后退火下鋁/銅界面組織的演變,發現微觀組織主要由富含 CuAl2的IMC層及焊縫中的α-Al和θ-CuAl2共晶組織組成，退火后界面可觀察到CuAl2,CuAl 及 Cu9Al43層金屬間化合物。周利等人[29]使用Al-Zn藥芯焊絲TIG焊方法進行了鋁合金與黃銅的熔釬焊試驗，界面組織主要由Al4Cu9與CuZn相組成，后期對焊件進行拉伸試驗，發現接頭黃銅側界面最先斷裂，且呈解理斷裂。

當前所用焊接方法雖然都實現了鋁/銅異種金屬的有效連接，但焊縫組織中可觀察到如CuAl2，Cu9Al4等其他脆硬相金屬化合物及Al-Cu共晶組織，這對界面處的導電、導熱、耐腐蝕性能及力學性能產生了嚴重的影響，為了獲得性能良好的焊接接頭，對焊接界面調控成為關鍵一步，為此，國內外研究人員圍繞著焊接工藝調控及界面冶金調控開展了大量的研究。

2 鋁/銅焊接接頭組織性能調控

2.1 工藝調控

傳統電弧焊方法容易造成接頭過熱，易導致異種金屬IMC層過厚，故一些學者嘗試優化電弧熱源及其特性，其中旁路耦合電弧焊方法被美國肯塔基大學張裕明教授提出[30]，因其熱輸入精確可控且高效等特性，在鋁/鋼、鎂/鋼、鋁/銅等異種金屬焊接研究中進行了嘗試[31]，結果表明，焊縫成形均勻美觀，接頭呈現熔釬焊接頭形貌。Zuo等人[32]為改善界面金屬間化合物層對接頭的影響，提出調節激光功率和焊接速度的方法，結果顯示，激光功率1 650 W焊接速度95 mm/s下最佳，拉伸強度可達539.52 N,斷裂發生在含20.08%～54.65%銅的區域。Zhou等人[33]對不同激光偏移量下鋁/黃銅異種合金激光焊接-釬焊接頭進行研究分析，結果表明，當激光偏移0.3 mm時，CuZn5相的形成顯著減少, 隨著激光從鋁側向黃銅側偏移，抗拉強度先增大后減小,當激光偏移量為-0.3 mm時，拉伸強度最大為128 MPa，是鋁母材的55.7%,如圖5所示 。

圖5 不同激光偏移量下焊縫黃銅界面厚度方向的界面形貌

Jarwitz等人[34]研究了脈沖參數對焊縫幾何形狀的影響, 并研究了焊縫幾何形狀對電阻的影響，以及電阻和連接機械強度之間的相關性。結果表明，使用脈沖激光可以使焊縫中的氣孔和裂紋更少，接頭的電阻隨著連接面積的增加而降低。對于接頭的電阻，他們指出主要受薄板之間界面處的焊縫寬度、焊縫的冶金成分和焊縫幾何特征沿焊接方向的恒定性3個因素的影響。通過運用脈沖激光，可以優化這3個因素，進而獲得性能優異的焊接接頭。于江等人[35]對鋁/銅 TIG 電弧預熱輔助超聲波縫焊試驗進行了研究，隨后由圖6和圖 7比較可知，TIG電弧預熱作用下，鋁合金和鋁箔夾層結合面處基本實現固相連接，這主要是因為 TIG 預熱下材料軟化，有助于粉碎界面上的氧化物膜形成良好的固相連接，促進材料間實現原子間結合。

圖6 超聲波下焊接接頭宏觀形貌

圖7 TIG+超聲波下焊接接頭宏觀形貌

從工藝方面對焊接界面進行調控，盡管有些許效果，但僅僅通過改變熱源及工藝參數的方法，只能對金屬間化合物的厚度進行一定控制，而不能改變金屬間化合物的成分、組成及形貌。而冶金調控通過加入微量合金元素，使界面金屬間化合物的生長受到阻礙，因此，只憑工藝調控不足以獲得成形良好、性能優異的焊接接頭，還需要采取一定的冶金措施來促進銅鋁之間的冶金結合。

2.2 冶金調控

在選擇焊接熱源的同時，還需要對金屬間化合物的組成與形貌采取冶金措施調控，比如添加介于鋁/銅之間的鉻、錳、鐵、鈷、鎳等合金元素。近年來，為控制IMC的生長一些學者初步嘗試通過添加合金元素來進行冶金調控。Dai等人[36]采用 Al-Si-Zn-Sr 釬料對鋁合金焊接進行試驗。試驗數據顯示：少量 Sr 的加入改善了釬料合金的微觀組織，降低了初生 Si 相的含量，并使釬料在鋁母材上的潤濕得到了改善。Lei等人[37]研究了純鋁、鋁/硅和鋁/鋅填料對鋁/銅搭接激光焊接-釬焊過程中組織和力學性能的影響，圖8為鋁/鋅釬料接頭斷面圖，分析得知，鋅/鋁焊接填料中銅原子的擴散率遠低于純鋁和鋁/硅焊接填料，使鋁/銅界面附近銅相的形成受到阻礙，鋅/鋁釬料形成的相的力學性能優于純鋁和鋁/硅釬料形成的相，其最高拉伸強度為148 MPa。Niu等人[38]在鋁/銅激光熔釬焊試驗中，通過添加Al-Zn焊絲來改變界面金屬間化合物的成分及其分布，進一步證明了鋁/鋅釬料的優異性。

圖8 鋁/鋅釬料鋁/銅接頭斷裂分析

為促進鋁和銅之間的冶金結合，形成光滑的鋁/銅熔釬焊接頭，Furuya等人[39]在激光釬焊鋁/銅異種接頭中添加鎳，他們通過比了加入鈦、鈷、硅、鉻、錳、錫和鋅之后的抗剪強度，來探究添加鎳對鋁/銅異種接頭抗剪強度的影響，如圖9所示，不含合金元素的接頭強度為61 MPa。適量鎳的加入顯著提高了鋁/銅異種材料界面的強度，由此可見，添加鎳對接頭強度有很大程度改善。Weigl等人[40]研究了AlSi12對鋁/銅復合結構件延展性的影響，圖10為不添加AlSi12和添加AlSi12的銅/鋁焊縫斷裂區域的掃描電鏡照片。分析得出，硅元素增加了熔融金屬的流動性，導致焊接過程中元素混合更加均勻，且可以減少金屬間相的局部形成，顯著增強了鋁/銅結構件的延展性。

圖9 合金元素對鋁/銅異種接頭強度的影響

圖10 銅/鋁焊縫斷裂區域的掃描電鏡照片

添加合金元素的方法有利有弊，存在著諸如工藝復雜化、合金元素燒損及元素難以過渡等問題。為解決該問題，該課題組提出了納米顆粒強化調控焊縫組織及界面的新的思路，通過添加SiO2納米顆粒來調控界面，如圖11[41]所示,當SiO2納米顆粒作為擴散屏障并吸附在銅/鋁金屬間化合物的表面時，這些顆粒阻礙了銅和鋁原子的進一步反應和相互擴散，從而降低了金屬間化合物的生長速度和金屬間化合物薄層的形成，相比于不添加SiO2，添加SiO2納米顆粒的鋁/銅接頭抑制了金屬間化合物的生長并使金屬間化合物層更薄，且力學性能得到明顯改善。

圖11 SiO2納米顆粒對金屬間化合物生長抑制作用示意圖

3 結束語

近年來，為節約銅資源的浪費，“以鋁節銅”的思想更加被重視，于是研究者在鋁銅連接方面深入研究并取得了大量研究成果。在現有研究成果中，從焊接效率、焊接強度來看當屬熔釬焊最佳，其通過熔化Al母材使其在Cu母材上進行鋪展，同時具備了熔焊跟釬焊的特點，形成了成形良好的接頭，但如何有效控制焊接過程中產生的金屬間化合物是困擾國內外專家學者的一大難題。其中接頭力學性能受這些金屬間化合物(如Al2Cu)嚴重影響,為優化Al-Cu界面性能，一方面研究者通過優化工藝參數(如焊接速度、電流大小、激光頻率等)來獲得更優異的焊接接頭。另一方面通過添加微量的合金元素(如Zn，Al，Si，SiO2納米顆粒等)來抑制Al和Cu的進一步反應，從而減少金屬間化合物，研究發現，在鋁/黃銅的激光熔釬焊中黃銅板上Al/Zn釬料和Al/Si釬料的潤濕和鋪展能力比純鋁釬料更佳，而Al/Zn釬料的加入抑制了Al2Cu的形成，提高了界面強度。

盡管如此，在未來的研究工作中仍需對鋁/銅熔釬焊過程中界面處Al-Cu金屬間化合物生長的冶金條件以及熱力學條件進行深入系統性研究，為以后的界面調控奠定理論基礎。除此之外，當前關于服役條件下，鋁/銅界面的演化、界面演化是否會帶來接頭性能弱化，以及怎樣確保在服役條件下界面性能的穩定性等方面的研究鮮有涉及，這也將成為未來鋁銅焊接研究的一大方向。