銅與不銹鋼焊接技術與工藝研究現(xiàn)狀

安明宇　但斌　袁威杰　劉梓儒　李玉祥　董文軒

摘 要：銅與不銹鋼的合金結構件廣泛應用于石油化學、空調冷凝、航空航天和汽車零部件等中高端工業(yè)領域，存在著廣闊地展現(xiàn)出極高的實用價值和應用潛力。由于銅與不銹鋼物理化學性質差異較大，使得兩者之間的焊接相當困難，文章通過分析銅與不銹鋼的焊接性，綜述了各種焊接方法及其原理，分析了各種焊接缺陷以及解決辦法，并指出當前領域內(nèi)的研究熱點與難點。同時，文章還將展望銅與不銹鋼異種金屬焊接技術的未來發(fā)展趨勢，以期推動該領域的持續(xù)進步。

關鍵詞：銅/不銹鋼 異種金屬焊接 發(fā)展趨勢 應用前景

隨著科技發(fā)展，新型工業(yè)對焊接結構件要求提高，單種金屬材料難以滿足，因此采用異種材料焊接結構，結合不同材料的性能優(yōu)勢。紫銅因導熱性好、導電性強、耐腐蝕且易塑形，廣泛應用于電子電氣設備和復雜零件制作。不銹鋼具有耐腐蝕、耐高溫、易加工、環(huán)保衛(wèi)生等特點，成為工程材料的重要選擇。紫銅和不銹鋼組成的異種金屬焊接結構，兼具紫銅的導熱、導電和延展性與不銹鋼的耐腐蝕性，廣泛應用于多個領域。[1，2]這種結構不僅結合了兩種材料的優(yōu)勢，還節(jié)省材料、降低成本，滿足不同領域的需求。銅與不銹鋼復合結構對中國的經(jīng)濟發(fā)展意義深遠，因此對兩者的焊接研究正逐漸凸顯其重要性。銅與不銹鋼的物理化學性質差異較大，焊接困難，傳統(tǒng)熔化焊因熔點差異難以實現(xiàn)可靠連接，接頭處還存在較大的殘余應力。學者們基于銅與不銹鋼的焊接方法進行了一些研究，本文綜述了各種焊接方法及其原理，分析了各種焊接缺陷以及解決辦法，并指出了當前研究熱點與難點。同時，本文還將展望銅與不銹鋼異種金屬焊接技術的未來發(fā)展趨勢，以推動該領域的持續(xù)進步。

1 焊接性分析

異種金屬焊接是將不同材料的金屬進行連接的過程，涉及不同的物理和冶金特性，需要特別注意焊接接頭的質量和性能。紫銅與奧氏體不銹鋼之間的焊接是異種金屬連接的一種，兩者物理性質差異顯著，兩種金屬的熔點差異超過400℃，增加了焊接難度。為確保焊接接頭質量，需考慮金屬的物理性能、化學成分及所選的焊接方法和工藝。綜合考慮這些因素，有望獲得滿足要求的焊接接頭。

1.1 物理性能差異

由于銅與不銹鋼的導熱系數(shù)差異較大。在進行焊接時，熱量迅速從加熱區(qū)傳導至外部，使熔合區(qū)難以達到熔化溫度，從而填充金屬與母材之間的熔合變得不充分，容易出現(xiàn)焊不透的現(xiàn)象。銅的導熱能力較強，在冷卻凝固過程中，其變形量相對較大。與此同時，焊接接頭的剛度較高，使得焊接變形受到阻礙，進而產(chǎn)生較大的焊接應力。并促使焊接裂紋的產(chǎn)生，關于銅與不銹鋼的物理性能，詳細數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2 化學成分分析

化學元素的相互溶解度受其晶體點陣類型、原子尺寸及晶格常數(shù)差異影響。在高溫下，F(xiàn)e與Cu晶體結構為面心立方，原子半徑和晶格常數(shù)相近，使鋼與銅在焊接過程中相容性好。然而，銅與鋼焊接時由于容易產(chǎn)生低熔點共晶，降低了晶間結合力，導致焊縫金屬塑性韌性顯著下降。

通過對銅與不銹鋼進行可焊性分析表明：選擇合適的焊接參數(shù)與填充材料、預熱、精準地控制溫度和冷卻速度等來提高焊接接頭的強度和可靠性，確保焊接質量和性能，在銅和不銹鋼焊接性的研究具有重要的理論意義，方便進一步選擇銅與鋼的焊接方法和技術，具有相當重要的工程應用前景。

2 壓力焊

壓力焊是通過施加一定的壓力，達到金屬間結合的一種連接方式，主要包括爆炸焊，攪拌摩擦焊，擴散焊，熱等壓擴散連接等方式。

2.1 爆炸焊

爆炸焊利用炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波和射流，使金屬材料發(fā)生碰撞并產(chǎn)生塑性變形，形成牢固連接。該方法焊接速度快，金屬不受熱，連接穩(wěn)固，焊接面積可調。經(jīng)過發(fā)展，廣泛應用于異種金屬焊接。姜超[3]等人采用此工藝焊接紫銅與不銹鋼，獲得波狀界面，結合強度高，顯微硬度提升。微觀示意圖如圖1所示，力學性能測試顯示韌性斷裂，接頭質量高。Ahmet D[4]等研究爆炸焊連接銅與鋼，發(fā)現(xiàn)優(yōu)質接頭，界面無金屬間化合物。隨爆炸比率和焊件距離增加，界面由光滑變?yōu)椴ɡ诵?，拉剪和彎曲試驗后仍保持連接。退火處理后界面發(fā)生擴散，獲得無缺陷接頭。

研究表明，爆炸焊可設置合理焊接參數(shù)與板位置，形成高質量焊縫，適用于銅不銹鋼焊接。但僅適用于小型工件，需特殊設備和較高成本，產(chǎn)生沖擊波和噪音，污染環(huán)境。過程復雜，需精確控制爆炸裝置和焊接參數(shù)，以保證焊接質量穩(wěn)定。

2.2 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是一種金屬連接技術，利用摩擦熱和塑性變形熱使金屬軟化，并通過攪拌針的高速旋轉和進給運動填充空腔，形成鍛造組織的焊縫。完成焊接后，攪拌針回抽，形成匙孔，能可靠連接熔化焊接性能較差的金屬。此過程在低于材料熔點溫度下進行，有效避免了熔化焊接的潛在缺陷[5]。學者劉鴿平[6]研究了銅與不銹鋼的焊縫特點，發(fā)現(xiàn)攪拌頭旋轉速度與焊縫表面氧化程度成正比，而焊接速度增加會使缺陷更嚴重。因此，需要合理控制攪拌頭旋轉速度和焊接速度，以確保焊接質量和安全。學者付萬云[7]在特定參數(shù)下進行了銅與不銹鋼復合板的焊接實驗，發(fā)現(xiàn)攪拌針插入量增加會增強銅與鋼的混合程度，但也會增加攪拌針的磨損。實驗得出最佳攪拌針插入量為0.5mm，以保障焊縫質量并減少攪拌針磨損。在銅/鋼復合板界面上，銅和鋼相互擴散，形成銅鋼固溶體，焊接質量較高。經(jīng)過深入分析，我們可以明確在銅與不銹鋼的摩擦焊過程中，優(yōu)化焊接參數(shù)顯得尤為重要。這包括但不限于對攪拌頭、焊接速度以及攪拌針插入量的嚴格控制。

目前，摩擦焊研究以應用研究為主，集中于優(yōu)化工藝參數(shù)對焊縫質量的影響。但基礎研究領域投入不足?，F(xiàn)有數(shù)值模型與實際FSW工況存在較大差異，未充分考慮工藝傾角和攪拌頭細節(jié)。因此，模型雖提供方向性參考，實際應用價值有限。

2.3 擴散連接

擴散連接是一種特定溫度和壓力下的連接工藝，使兩個待焊接表面相互接觸并擴大接觸面積。經(jīng)過長時間，原子間發(fā)生相互擴散和滲透，形成冶金結合的連接。[8]銅與不銹鋼的擴散連接難以滿足要求，因此中間層的使用變得重要。熊江濤[9]使用錫青銅作為中間層，利用Sn元素偏聚形成Cu-Sn液相，提高了接頭抗拉強度。Xin jian Yuan[10]等使用Ni中間層，提高了接頭強度并減少了孔洞和未焊合區(qū)域。解慶[11]通過在銅上制備Au鍍層改善了接頭形貌和強度。如圖2所示丁文[12]使用CoCrFeMnNi高熵合金作為中間層，實現(xiàn)了Cu/304不銹鋼的穩(wěn)固連接，且未形成脆性金屬間化合物。麻相龍[13]學者采用熱等靜壓工藝連接了316L不銹鋼和T2紫銅棒材，分析了接頭界面的微觀組織和力學性能。結果表明，接頭結合良好，未產(chǎn)生金屬間化合物，斷口呈現(xiàn)韌性特征，形成了3.9μm厚的擴散層。黃伶明[14]學者通過熱等靜壓擴散實現(xiàn)了銅與鋼的高質量擴散焊接，觀察到銅中間層出現(xiàn)晶界擴散現(xiàn)象，硬度沿界面對稱分布，表明焊接質量較高。擴散微觀示意圖如圖4所示，上述文獻表明；在銅與不銹鋼的擴散連接中，在母材之間加入合適的中間層材料時，能有效阻礙脆性金屬間化合物的形成，提高連接接頭的韌性和強度。在未來不斷對高熵合金的開發(fā)與應用，銅與不銹鋼會實現(xiàn)更優(yōu)質的連接。熱等靜壓有助于提高焊接接頭的強度、硬度和結合強度。通過熱等靜壓技術，可以實現(xiàn)高質量、高效率的金屬連接，為工業(yè)生產(chǎn)和科技發(fā)展提供有力支持。

3 高能密度焊

高能密度焊是一種利用高能量密度束流作為熱源的一種焊接方式。其具有能量密度高，能量集中，可焊材料多等優(yōu)點。目前，對于銅與鋼高能密度焊的研究，主要集中在電子束焊和激光焊等焊接領域。

3.1 激光焊

激光焊是快速熔化并凝固材料的焊接技術。銅/鋼激光焊接存在三大缺陷：顯微偏析、氣孔和凝固裂紋。張良[15]研究發(fā)現(xiàn)，這些缺陷源于熔池快速凝固導致的溶質遷移不足和匙孔瞬態(tài)失穩(wěn)。顯微偏析降低晶粒間結合力，導致凝固裂紋，而氣孔則因金屬蒸氣滯留于焊縫中形成。源于熔池金屬凝固時的成分偏析。如圖５所示，部分學者通過控制激光偏置調整熱量輸入，以改善焊接接頭。分析熔合區(qū)多邊形氣孔與熱影響區(qū)開裂，學者Li J[16]發(fā)現(xiàn)焊接過程小孔失穩(wěn)與成分偏析導致氣孔的產(chǎn)生。蔡遠征[17]等人研究了激光偏角、離焦量和焊接速度對焊縫成形的影響。結果表明，正激光偏角下焊縫成形質量良好，正離焦量下焊縫組織分布均勻，焊接速度增加會導致焊縫中氣孔缺陷頻率增加。學者盧貴鵬[18]通過系統(tǒng)分析焊接后的力學性能與元素擴散，認為焊接電流是最主要的影響因素，在試驗生產(chǎn)中為了得到較好的焊接接頭，要注意對焊接電流的控制。杜正勇[19]激光偏移調控，精準控制加熱與熔合比。實驗證實，激光位置調整可優(yōu)化焊接接頭性能。激光偏向鋼側時，熔池中液相銅占比較大，與鋼液混合后形成細小胞狀組織；偏向銅側時，則形成細小等軸晶粒。學者檀財旺[20]通過研究輔助磁場對激光焊的研究，外加磁場與激光焊接過程中的帶電流體相互作用，影響激光等離子體的運動狀態(tài)，對熔池進行攪拌，穩(wěn)定焊接過程，提高激光能量利用效率，改善組織細化，減少缺陷，提高接頭力學性能。

上述文獻表面在焊接銅與不銹鋼激光焊過程中通過合理的激光偏置，工藝設計與參數(shù)設置可以降低焊接缺陷，得到焊接形狀較好，組織均勻的焊接結構。所以在未來將會不斷優(yōu)化焊接工藝來滿足我們?nèi)找嬖鲩L的結構要求。而且未來可以通過設計輔助磁場等來優(yōu)化焊接接頭，減少焊接缺陷。

3.2 電子束焊

電子束是用高能電子束對工件進行照射，使其表面熔化形成焊縫的一種先進焊接技術，由于電子束焊能夠精準控制能量分布與焊接深度，熱變形小其在工業(yè)領域的競爭力也日漸增強，已為工業(yè)部門廣泛接受，在焊接銅與不銹鋼的研究中，學者陳雨[20]通過對電子束焊接的斷裂截面進行微觀組織觀察，分析其疲勞特性，實驗表明兩者冶金結合較好，裂紋區(qū)處于銅合金基體，低周疲勞試樣的裂紋源多于高周疲勞試樣，且分布在焊縫上下。裂紋示意如圖3所示，由于電子束焊接可以精確控制偏移位置來改變?nèi)酆媳?。學者郭順[21]表示304不銹鋼和T2紫銅焊接時，銅側偏置會導致熱影響區(qū)晶粒的顯著粗大化，而鋼側偏置會誘發(fā)熔合不良和熱裂紋的產(chǎn)生。采用銅側少量偏置或無偏置的焊接工藝，可以確保焊接質量和穩(wěn)定性。微觀組織如圖4所示，最終得到了接頭強度達到246MPa，無明顯氣孔，焊縫成型較好。

電子束焊接在真空中進行，能減少氧化和污染，再通過束流偏置來提高焊接接頭的質量，但由于它需要高能電子束發(fā)生器和真空室，使得其設備及運行成本相對較高。其次，它需要熟練的技術人員來操作和維護設備，增加了人力成本。另外，電子束焊接的焊接速度相對較慢，可能會影響生產(chǎn)效率。

4 釬焊

釬焊是使用低熔點的釬料，通過對焊件及釬料同時加熱至釬料熔點，使熔化的釬料填充焊件間隙，達到金屬間連接的焊接方式。目前，對于銅與鋼釬焊的研究，主要集中在火焰釬焊和真空釬焊等焊接領域。

4.1 真空釬焊

真空釬焊是一種先進的金屬連接技術，通過高溫和真空壓力實現(xiàn)。由于其在真空環(huán)境下進行，避免了氧化和增碳等缺陷。此外，其低溫和均勻加熱特點使得熱應力小、接頭變形小且界面光滑，因此廣泛應用于異種材料的連接。[22]真空釬焊中，關鍵在于液態(tài)釬料充分流入并緊密填充釬焊間隙，并與母材基體金屬發(fā)生良好的物理化學互動，生成新合金，從而得到符合要求的釬焊接頭。選用合適的釬料可實現(xiàn)銅/鋼異種金屬的連接。因此，學者們在銅與不銹鋼的真空釬焊中進行了釬料選擇的研究。學者許建平[23]實驗使用Ag-Cu-Zn釬料，通過真空釬焊在800℃溫度下保溫40分鐘，將純銅與16Mn鋼焊接在一起。實驗結果顯示，釬焊接頭組織緊密，無孔洞、雜質、未熔合等缺陷，說明Ag-Cu-Zn釬料對Cu與16Mn鋼具有良好的潤濕和鋪展性能。學者薛敬凱[24]等人采用BNi76CrP粉末釬料在釬焊溫度960～980℃下保溫5min時，得到良好的接頭組織，研究表明960～980℃范圍內(nèi)BNi76CrP粉末釬料對不銹鋼與紫銅具有良好的潤濕性能，接頭具有良好的耐壓性能和氣密性能，未見裂紋、氣孔等缺陷。銅與不銹鋼釬焊接頭微觀示意如圖７所示基于以上研究，

目前的銅與不銹鋼真空釬焊的研究重點在于填充金屬及其工藝研究，在未來，我們要對銅與不銹鋼的接頭形成與影響機理進行研究，優(yōu)化其保溫溫度與真空度，加熱溫度等參數(shù)，以便形成更加優(yōu)良的焊接接頭，現(xiàn)有的數(shù)值模型與實際的釬焊工況之間存在較大的差異。但是也可以為我們的釬焊研究提供很大的技術支持。

4.2 火焰釬焊

火焰釬焊是將金屬工件加熱至焊接溫度，使用燃氣與氧氣混合燃燒，使釬料熔化并滲透到金屬表面，形成金屬間化合物。其較低的熔敷速度有助于減小變形和應力，提高焊接質量。通過合理控制焊接參數(shù)和工藝，可實現(xiàn)高質量的焊接接頭，確保接頭的力學性能、抗腐蝕性和穩(wěn)定性。火焰釬焊具有高靈活性，適應各種復雜結構和環(huán)境，常用于焊接銅與不銹鋼的復合結構。釬料選擇對接頭強度有影響。目前研究銅與不銹鋼焊接大多為銀基釬料，學者陳新旭[25]研究BAg45CuZn與BAg72Cu在復合板上的鋪展性。在不銹鋼試板上涂抹FB102釬劑，預熱銅至熔點80%，使用氧－乙炔火焰。結果表明，BAg45CuZn鋪展性較好，焊縫外觀佳，而BAg72Cu在持續(xù)加熱下鋪展較少。學者周永東[26]在焊接T2純銅管和1Cr18Ni9Ti錫黃銅焊絲（HS221）為釬料，具有低熔點、流動性好、強度高和銅鋼潤濕性好。使用QJ301釬劑，可去除氧化膜，增強潤濕性，防止氧化。使用氧乙炔火焰，預熱銅管至600～700℃，與不銹鋼接頭加熱至紅色，加熱焊絲并涂抹釬劑，送至焊縫處。加熱焊絲至熔點，熔化后填充間隙，得到高質量焊縫。微觀示意圖如圖８所示。

目前對銅與不銹鋼的釬焊釬料研究，會不斷優(yōu)化焊接接頭，通過高熵合金的引入未來會形成外形美觀、質量良好的連續(xù)焊縫完成焊接；大大提高了銅－鋼異種金屬焊接的可靠性，減少焊縫內(nèi)部銅－鋼異種金屬原子間相互擴散，防止焊接裂紋的產(chǎn)生，焊縫成形均勻。Cu基釬料是目前成本低，性能好，焊接效果接近于Ag基釬料的一種低釬焊溫度的平替釬料，在異種金屬的焊接中也有較好的表現(xiàn)，故也可以借鑒為紫銅和不銹鋼焊接時的釬料方向。

5 焊接應用分析

銅與不銹鋼的焊接技術已經(jīng)取得了一系列突破，這些進展不僅推動了材料科學的發(fā)展，也為工業(yè)應用提供了更多的可能性。盡管如此，現(xiàn)有的焊接方法仍需進一步優(yōu)化，以滿足日益嚴苛的工業(yè)要求。未來的研究應更加注重焊接接頭的綜合性能評估，包括力學性能、耐蝕性能以及在不同環(huán)境下的長期穩(wěn)定性，從而確保焊接技術在實際應用中的可靠性和經(jīng)濟性?？梢灶A見在不久的將來，銅與不銹鋼的焊接技術將更加成熟，應用范圍將進一步擴大。未來的研究可能將聚焦于提高焊接接頭的力學性能、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)以及開發(fā)低成本高效率的焊接方法。同時，環(huán)境友好型和能效高的焊接技術亦將成為研究熱點，以期滿足日益嚴格的環(huán)保要求和工業(yè)應用需求。

6 結論

（1）目前，銅與不銹鋼之間的復合板有效連接可采用多種方法，包括激光焊、電子束焊、鎢極氬弧焊、爆炸焊、擴散連接、熱等壓擴散連接、攪拌摩擦焊、真空釬焊以及火焰釬焊等。這些方法均經(jīng)過實踐驗證，可在確保連接質量的同時，滿足不同工藝需求和應用場景。

（2）經(jīng)過深入研究復合板的力學性能，發(fā)現(xiàn)激光焊接技術能顯著提升接頭強度。展望未來，我們將借助輔助磁場的研究，不斷優(yōu)化焊接工藝，進一步拓展異種合金激光焊的應用前景。然而，考慮到成本及工業(yè)應用的靈活性，火焰釬焊在復合結構焊接中仍占據(jù)主導地位。通過我們對高熵合金的研發(fā)與應用，利用中間層材料抑制金屬間化合物的形成，進而提升接頭強度，有望為接頭質量的提升做出重要貢獻。

（3）目前研究集中在優(yōu)化工藝參數(shù)方面，基礎理論研究投入不足，導致數(shù)值模型與實際應用場景差異較大，以后的研究要強化模型與實際工況的研究，促使其有機耦合。

基金項目：2023年陜西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（S202310720061）。

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