銅異種金屬焊接技術(shù)的研究進(jìn)展

廖乾海，龍 瓊，李 娟，伍劍明，蘇向東

(貴州理工學(xué)院材料與能源工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

銅和銅合金在某些介質(zhì)中具有出色的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和良好的耐腐蝕性，因此它們已成為熱交換管道、導(dǎo)電設(shè)備和防腐材料的首選材料，對(duì)人類的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[1- 2]。

自進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的飛速發(fā)展，具有卓越性能的新材料和新結(jié)構(gòu)得到了不斷的發(fā)展和應(yīng)用。

通過某種加工技術(shù)將兩種或更多種金屬連接起來，以形成具有某些實(shí)際功能的完整的異種金屬連接結(jié)構(gòu)。新形成的連接結(jié)構(gòu)不僅滿足了各種材料工作條件的要求，還節(jié)省了貴金屬，降低了結(jié)構(gòu)整體成本，充分利用了各種材料性能上的優(yōu)勢(shì)[3-4]。因此，異種材料的焊接技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文綜述了銅/鈦、銅/鋼、銅/鋁、銅/鎂等異種金屬的焊接工藝研究進(jìn)展。

1 銅異種金屬材料焊接工藝

1.1 熔化焊技術(shù)

由于銅與鋁、鈦、鎂、鋼和其他材料之間的物理和化學(xué)性質(zhì)差異很大，因此其熔焊性非常差，這表現(xiàn)為接頭脆性大，裂紋和接頭強(qiáng)度低。因此，在一般的工業(yè)生產(chǎn)中很少使用熔焊來焊接銅合金和其他金屬的異種材料。銅和鋼的線膨脹系數(shù)和收縮率差異很大，并且在焊接過程中容易產(chǎn)生熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力值大于接頭強(qiáng)度極限值時(shí)，將發(fā)生開裂行為。另外，由于焊接過程中導(dǎo)熱差，不均勻，熱變形不一致，容易引起較大的變形[5]。王永芳等[6]分析了獨(dú)特坡口型式下采用氬弧焊接工藝對(duì)銅/鈦復(fù)合管的可焊性，研究結(jié)果表明：當(dāng)使用銀基釬焊材料BAg72Cu作為過渡焊接材料時(shí)，在焊接銅鈦復(fù)合管時(shí)可以獲得機(jī)械性能和耐腐蝕性理想的焊接接頭。但是，即使在采用最佳的焊接參數(shù)下，采用熔焊技術(shù)焊接銅合金異種技術(shù)時(shí)也容易產(chǎn)生大量的金屬間化合物(IMC)，不利于銅合金異種金屬接頭性能的提高。

1.2 激光焊接技術(shù)

在銅/鋼異種金屬的激光焊接過程中，由于銅的高導(dǎo)熱性，通常需要采用預(yù)熱方法來改善未熔合缺陷，這極大地限制了工業(yè)應(yīng)用。在不進(jìn)行預(yù)熱的情況下，可以通過控制激光束偏移、入射角、激光功率和焊接速度對(duì)焊縫形成和接頭機(jī)械性能的影響來優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)銅/鋼的激光焊接，在最佳焊接參數(shù)下，T2紫銅和201不銹鋼焊接接頭，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到260 MPa[7]。銅/鈦激光焊接，采用激光束對(duì)中的方法焊接時(shí)，在焊縫處容易產(chǎn)生大量的Ti2Cu、TiCu和Ti2Cu3等IMC，導(dǎo)致接頭連接強(qiáng)度顯著降低，在焊接過程中調(diào)整激光束的入射位置以改善接頭組織結(jié)構(gòu)及焊縫中IMC的生成，從而可以改善接頭的力學(xué)性能[8]。此外，孟圣昊等[9]在適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)下獲得成形良好并具一定強(qiáng)度的銅/鎂搭接接頭，但是IMC是影響焊接接頭性能并容易導(dǎo)致脆性斷裂的主要因素。因此，在使用激光焊接來焊接銅異種金屬時(shí)，可以調(diào)整接頭的IMC以優(yōu)化接頭性能，并且將來可以加強(qiáng)在這一領(lǐng)域的研究。

1.3 超聲焊接技術(shù)

超聲波焊接也是一種較低溫度下的固相焊接。鋁/銅異種金屬接頭在電子、汽車工業(yè)和電池制造中具有廣泛的應(yīng)用。馬成勇等[10]進(jìn)行了鋁銅異種金屬的超聲波焊接，研究結(jié)果表明，通過選擇適當(dāng)?shù)某暡ê附樱宇^連接的質(zhì)量得到了顯著改善。谷曉燕等[11]采用高功率超聲波點(diǎn)焊機(jī)成功焊接T2純銅和Ti6Al4V鈦合金異種金屬。李彩霞等[12]采用超聲波點(diǎn)焊對(duì)AZ31鎂合金和純銅進(jìn)行了連接，研究結(jié)果表明，在接頭界面反應(yīng)層生成了Mg2Cu金屬間化合物，且界面反應(yīng)層厚度隨著焊接能量的增大而增加，當(dāng)焊接能量為1 500 J時(shí)，銅/鎂金屬接頭的性能最佳，拉剪強(qiáng)度可達(dá)56 MPa。當(dāng)使用銅和其他金屬的超聲波焊接時(shí)，接頭處IMC的最佳控制也將直接影響接頭的連接性能。

1.4 攪拌摩擦焊技術(shù)

攪拌摩擦焊(FSW)是一種相對(duì)較新的固相焊接。當(dāng)焊接不同的銅和鋁金屬材料時(shí)，材料硬度和熔點(diǎn)的差異將導(dǎo)致連接困難，只有合理控制相關(guān)參數(shù)，才能達(dá)到良好的連接效果。阿榮[13]研究表明，當(dāng)速度超過1 000 r/min時(shí)，在接頭的界面處會(huì)出現(xiàn)脆性化合物層，這容易產(chǎn)生脆性金屬中間層和低熔點(diǎn)低共熔物，從而可能導(dǎo)致脆性斷裂。銅/鎂異種金屬的摩擦攪拌焊接可獲得具有良好焊接表面和無缺陷界面的搭接接頭。在熔核區(qū)域中，鈦和銅以相間帶狀結(jié)構(gòu)的形式相互混合，并緊密連接在一起，形成渦狀的鈦銅雙相金屬混合區(qū)域，有些區(qū)域表現(xiàn)出“機(jī)械性”“互鎖”的結(jié)構(gòu)外貌。陳建輝等[14]對(duì)T2純銅和AZ31B鎂合金異種金屬進(jìn)行了FSW技術(shù)研究，并在適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)下，可以更好地實(shí)現(xiàn)銅/鎂異種金屬的焊接。

1.5 釬焊技術(shù)

通過釬焊工藝，將釬焊材料用作過渡層，以實(shí)現(xiàn)銅與其他異種金屬的有效連接。曹凱等[15]先在鋁板表面用刮擦釬焊法搭配M51釬料進(jìn)行涂層處理，再將銅板與鋁板使用焊錫進(jìn)行釬焊連接，在最佳的焊接參數(shù)下，可以實(shí)現(xiàn)鋁銅焊接接頭的有效連接； 還研究使用刮擦釬焊方法將M51焊料涂在鋁板的表面，然后再用焊料將銅板和鋁板釬焊，在最佳焊接參數(shù)下，可以實(shí)現(xiàn)鋁銅焊接。但是，龍偉民等[16]認(rèn)為釬焊銅鋁異種材料在接頭形成與服役時(shí)，焊縫中IMCs的形成與生長是不可避免的，從而導(dǎo)致接頭的力學(xué)性能顯著降低。釬焊銅和鋼時(shí)，由于鋼的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于銅的熔點(diǎn)，因此銅和填充材料在焊接過程中會(huì)熔化并混合，并且會(huì)與始終處于固態(tài)的鋼相互擴(kuò)散，該焊接方法可以更好避免上述問題。因此，在連接銅合金的異種金屬時(shí)，可以通過控制接頭熱輸入，優(yōu)化接頭設(shè)計(jì)和焊錫成分來控制IMC的形成和生長，從而提高銅合金的異種金屬的連接性能。

1.6 擴(kuò)散焊

使用擴(kuò)散焊接時(shí)，由于所使用的擴(kuò)散溫度明顯低于金屬的熔點(diǎn)，也是固相焊接，因此可以大大減少焊接過程中產(chǎn)生的IMC，有利于提高連接性能的銅合金異種金屬接頭。

Mahendran等[17]研究了鎂/銅異種材料擴(kuò)散焊接工藝，發(fā)現(xiàn)鎂/銅合金連接的主要困難在于鎂表面存在難以去除的氧化膜，且結(jié)合區(qū)域更容易形成脆性金屬化合物中間層和氧化物夾雜物。張維翔等[18]選取厚度50 μm純Cu箔作為中間層對(duì)AZ31B鎂合金進(jìn)行真空擴(kuò)散焊，在外加壓力為10 MPa、溫度為480 ℃下保溫30 min可以實(shí)現(xiàn)鎂合金的可靠連接。史鴻培等[19]研究了銅合金QSn6.5-0.1與鋼40CrNiMoA的熱等靜壓擴(kuò)散焊接，其平均接頭抗拉強(qiáng)度為401.3 MPa，加鎳層后平均接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)451.0～616.8 MPa。當(dāng)擴(kuò)散焊接銅合金異種金屬時(shí)，添加中間過渡層，可以進(jìn)一步降低銅合金異種金屬連接時(shí)產(chǎn)生IMC，改善銅合金接頭的連接性能，今后可加強(qiáng)相關(guān)方面的研究。

1.7 其他焊接技術(shù)

此外，國內(nèi)外研究人員對(duì)銅合金異種金屬的焊接采用爆炸焊、磁脈沖焊、冷壓焊等工藝進(jìn)行研究[20-22]，但是，在接頭焊接參數(shù)可控性、成材率、成本以及綜合力學(xué)性能的穩(wěn)定性等方面還有待進(jìn)一步深入研究。

2 銅合金異種金屬焊接展望

IMC顯著降低了銅合金異種金屬接頭綜合性能，因此，對(duì)焊接接頭組織結(jié)構(gòu)的調(diào)控是非常重要的，今后可嘗試從以下幾個(gè)方面對(duì)銅合金異種金屬的焊接展開探索。

2.1 磁控焊接技術(shù)

磁控焊接技術(shù)的原理是通過磁場(chǎng)和導(dǎo)電流體的作用改變焊接電弧中的等離子體的受力情況，從而影響電流密度和電弧形狀、等離子流體的分布、加熱以及熔融池中的基礎(chǔ)材料和液態(tài)金屬的流動(dòng)、晶體成核和晶粒生長、焊縫成形等。在焊接的過程中施加磁場(chǎng)，由于洛倫茲力、熱電磁力和磁場(chǎng)能，改善了焊接過程中的傳質(zhì)過程和熱場(chǎng)分布，并控制了焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)和組織。可以顯著降低接頭裂紋、氣孔等缺陷，進(jìn)而改善接頭的綜合性能。磁控焊接技術(shù)也被譽(yù)為“無缺陷焊接技術(shù)”[23]。

2.2 復(fù)合焊接技術(shù)

采用復(fù)合焊接技術(shù)，兩種或兩種以上焊接技術(shù)的施加，結(jié)合不同熱源的優(yōu)勢(shì)，可以改善單種焊接技術(shù)的缺陷，改善焊接過程中的熱場(chǎng)分布，調(diào)節(jié)接頭的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高銅與其他異種金屬接頭的綜合性能，目前關(guān)于銅合金異種金屬焊接這方面的研究并不多[24-25]。

2.3 表面強(qiáng)化技術(shù)

對(duì)焊接接頭采用表面強(qiáng)化技術(shù)，如輥軋、噴丸、激光沖擊、超聲波沖擊等，可以在接頭表面植入一定的壓應(yīng)力，減小或消除焊接過程中接頭產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而延長了接頭的使用壽命[26]。表面強(qiáng)化技術(shù)還可以改善機(jī)械零部件及其表面性能，并提高疲勞強(qiáng)度和耐磨性。

2.4 焊后熱處理技術(shù)

焊后熱處理技術(shù)可以顯著改善接頭中的應(yīng)力分布，同時(shí)也可以調(diào)控焊接接頭析出相的生成及分布，從而提高銅與其他金屬的焊接接頭的綜合性能[27-28]。

焊接殘余應(yīng)力是由焊接引起的焊件溫度分布不均勻，焊接金屬的熱膨脹和收縮等引起的，通常使用高溫回火來消除殘余應(yīng)力，并將焊件加熱到一定溫度(低于Ac1)并保持一定時(shí)間，降低接頭的應(yīng)力。因此，焊后熱處理對(duì)接頭的抗拉強(qiáng)度、蠕變極限、沖擊韌性和其他性能有重大影響。將來，可以加強(qiáng)對(duì)銅合金異種金屬接頭的焊后熱處理研究。

3 結(jié)語

銅及銅合金異種金屬零件具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，銅和銅合金的異種金屬接頭主要是由金屬間化合物(IMC)的產(chǎn)生引起的，這大大降低了接頭的力學(xué)性能。復(fù)合焊接技術(shù)、磁控焊接技術(shù)、焊接后熱處理技術(shù)、接頭表面強(qiáng)化處理技術(shù)等對(duì)控制焊接工藝IMC都有很好的效果。今后，我們可以加強(qiáng)對(duì)銅合金異種金屬相關(guān)焊接技術(shù)的研究。