铝/铜异种材料的焊接研究

摘要：主要针对铝/铜焊接方法及其应用进行研究，由于铝/铜熔焊难度非常大，所以应用较少；而超声波焊、摩擦焊及热压焊的质量较好，但该工艺的工程较大。相比而言，电阻焊接的难度小、成本低，在目前已经得到大量应用；而钎焊的优势在目前也逐渐显现出来，是研究的热点，所以，电阻焊与钎焊是铝/铜焊接的主要方向。

关键词：铝；铜；焊接；研究

中图分类号：P755.1文献标识码： A 文章编号：

受铜资源短缺的影响，其产量低，价格高成为铜应用中的难题，而与之相比，铝的产量较高，且价格低廉，因此用铝替代铜是近年来研究的重点。由于铝的导电性仅次于铜，且密度比铜小，用铝来代替铜不但可以降低成本，零部件的重量也能够降低。用铝代替铜的实际应用中，铝和铜的连接是必然的，主要包含板-板连接、管-管连接、板-管连接等，连接的方法包含非焊接与焊接方法。本文主要针对焊接方法进行研究。

1、异种材料焊接的特点

因为铝和铜都具有强氧化性，因此在对其焊接的时候难度比较大。对于铝而言，不管是固态还是液态，其氧化性极强。铝和铜之间容易形成脆性金属化合物，使得连接点的力学性能下降。此外，二者的物理性能也有较大差异，都是导致焊接难度大的原因。因为铝和铜的比热、导热率都较高，因此在焊接的时候必须要有强大的热源支撑，而且两种金属的熔点相差较大，使其均匀受热熔化的难度非常大。由于铜和铝的密度不同，对焊缝的混合也会产生影响。在高温环境下，两种金属液体能够吸收大量气体，使得铜和铝在焊接时，焊缝中出现气孔。

2、异种材料焊接方法介绍

2.1熔化焊

铝/铜熔化焊主要包含气焊、激光焊、MIG焊、TIG焊、电子束焊及埋弧焊等焊接方法，由于铝和铜的熔点差异较大，在熔化焊过程中，出现铝已经熔化了，但铜还是固态，形成夹杂或者未熔合，因此焊接的难度比较大。铝和铜受到强烈的氧化后会形成氧化膜，而氧化膜中含有结晶水或吸附水，导致焊缝中出现气孔。而且两种金属焊接中，易出现脆性金属间化合物，导致接头的强度降低。采用熔化焊，是对异种金属不同熔点的物理性能差异的考虑，并且采取措施对金属的氧化进行防止，将焊缝中铜的含量控制在最佳范围，尽可能的降低液态铝与铜的接触时间。实践证明，激光焊引起具有高密度的能量和可控性，对降低异种材料焊接时脆性金属间化合物的产生能够有效的抑制，所以，其焊接的效果较好。

2.2摩擦焊

包含高温摩擦焊和低温摩擦焊。摩擦焊最大的特点是热影响区小、省电，是异种金属材料焊接比较适合的焊接方法。主要用于管状、圆柱状的铝件、铜件的对接。如果铝/铜焊件尺寸大、壁薄且承受一定的荷载时，因为铝的刚性差、强度低，很容易出现变形、扭折，甚至发生断裂，并且焊件的尺寸精度难以保证。随着搅拌摩擦焊技术的出现，使焊接的过程中不会出现熔化，有效的抑制了焊缝出现气孔、氧化及裂纹等缺陷，焊接质量与焊接的速度及搅拌头的转速有很大的关系，很多时候焊接失败都是由于焊接速度与搅拌头转速的匹配不当导致的。

2.3爆炸焊

目前，在多种生产与科技中都用到铝/铜爆炸焊接。爆炸产生的高速巨大压力能够将铝和铜表面的油污、氧化膜等清除掉。进行焊接时，容易导致焊件出现变形，所以对连接管的内外都需要进行休整。要控制焊接的质量，就需要对两个零件的角度以及靠近的速度合理的进行控制。从焊接实践来看，要提高接触面的强度，就需要提高爆速，经过对接触面进行弯曲试验，焊接处的强度满足要求。

2.4超声波焊

自上世纪六十年代出现至今，超声波焊接目前已经在多个领域内广泛的应用。对异种材料的焊接中，超声波焊接方法比较简单，只需要对焊接件施加超声和压力作用，使异种材料接触面发生摩擦，并将铝表面的污染物及氧化膜撕裂清除，从而使两个干净的接触面产生原子扩散，铝和铜均在没有达到熔点的基础上发生粘结作用。这种焊接方法不需要外加热源，也不需要接电，焊接时不会出现液相和气相，所以也不会出现脆性金属间化合物。通过水下与空气中焊接试验效果对比发现，两种环境下的焊接强度接近，因此可以说明这种焊接方法受环境的影响不大，但是由于在水中散热较快，所以需要的焊接实践较长，压力较大。

2.5电阻焊

在铝/铜焊接应用中，对接电阻焊的使用时间较差，可分为闪光堆焊及电阻对焊。电阻对焊主要是将焊接工件端面压紧，然后利用电阻热将端面加热到塑性状态，然后施加压力完成焊接。该方法的生产率比较高，但设备复杂且能耗大，而且在接头处易出现氧化物夹杂，力学性能不高。而闪光对焊则通过高压快速顶锻和极短的通电时间，在大电流、高送料速度下完成对接，这种方法的优势在于可以将接头处的氧化物及化合物挤出，使接头发生大的塑性变形，其焊接接头性能较好。

2.6钎焊

这种焊接方法在铝/铜异种材料焊接中的优势主要有变形小、温度低、操作方便、设备简单、周期短、生产成本低等，因此也是近年来研究的一个重要方面。在采用钎焊焊接时，对铝/铜直接进行焊接的难度还是比较大的，为了去除铝表面的氧化膜，需要用腐蚀性比较强的钎剂，使其形成强烈的腐蚀性。由于铜和铝的电位差异较大，也容易引起腐蚀。铝/铜钎焊可分为电阻钎焊、直接钎焊、扩散钎焊及超声波钎焊等几种形式。其中，电阻钎焊的加热快，生产率高；超声波钎焊的接头抗腐蚀能力强；扩散钎焊中零件变形小，接头质量好，一次能进行多个接头的焊接。

3、结束语

由于铝/铜异种材料的焊接难度非常大，接头的质量还需要进一步的提高。而爆炸焊、超声波焊、摩擦焊、扩散焊等方法在提高接头质量中的作用非常显著，但是由于其工艺复杂、设备投资较大、成本高，其经济性能方面不及钎焊，因此，近些年对钎焊的研究成为一个热点。而电阻焊在铝/铜焊接中也取得了较好的效果，因此从实际应用方面来讲，钎焊和电阻焊是铝/铜焊接的主要方向。

参考文献

[1]吴伟明,高岩.铜与铝软钎焊技术的研究现状[J].电子工艺技术,2008(2).

[2]杨宏.铝-铜异种材料焊接工艺及其质量评价[J].机械管理开发,2012(6).

[3]刘会杰,沈俊军.铝/铜异种材料的焊接研究[J].焊接,2009(3).

[4]杨刘波,孙德明,刘鹏,李静.铜/铝钎焊用软钎料及其焊接性研究现状[J].焊接技术,2011(5).

[5]罗乾.Cu/Al合金异种材料复合管电阻压焊接头连接特性分析[J].热加工工艺,2010(7).