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(yáng) 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(lái)，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(guò)某種加工技術(shù)將兩種或更多種金屬連接起來(lái)，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(lái)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(lái)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(guò)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(kāi)裂行為。另外，由于焊接過(guò)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(guò)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(guò)程中，由于銅的高導(dǎo)熱性，通常需要采用預(yù)熱方法來(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)選擇適當(dāng)?shù)某暡ê附?，接頭連接的質(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(guò)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(wú)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(guò)釬焊工藝，將釬焊材料用作過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(wèn)題。因此，在連接銅合金的異種金屬時(shí)，可以通過(guò)控制接頭熱輸入，優(yōu)化接頭設(shè)計(jì)和焊錫成分來(lái)控制IMC的形成和生長(zhǎng)，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(guò)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(guò)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(guó)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(kāi)探索。

2.1 磁控焊接技術(shù)

磁控焊接技術(shù)的原理是通過(guò)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(zhǎng)、焊縫成形等。在焊接的過(guò)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(guò)程中的傳質(zhì)過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)程中接頭產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而延長(zhǎng)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(lái)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(lái)，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(yǔ)

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。