综述铜铝结合面的研究进展

冯海伟　班燕　徐海峰

摘 要：本文介绍了近年来国内外对于铜铝异种金属塑性成形、焊接成形及机械连接成形等各种方法所形成的铜铝界面组织的研究情况，阐述了各种方法的特点、应用。通过对形成的各种界面组织进行分析、比较，找到铜铝结合最易形成的组织种类，并且分析了各种组织的形成原因及对铜铝异种金属连接性能的影响，对于推动Cu/Al异种金属金属接头的研究及应用具有重要意义。

关键词：铜铝；结合面；连接性能

0 前言

铜铝连接过程中出现的主要问题是界面易出现铜铝脆性化合物。当接头长期处于高温环境受到机械震动作用时，还会导致铜铝原子扩散形成金属间化合物层不断加厚，使接头的冲击韧性下降，电阻升高。因此，连接界面组织对铜铝异种金属连接性能有重要的影响，

1 铜铝塑性成形界面组织

铜铝塑性成形主要有轧制、拉拔、旋压等方法，成形温度较低，界面层组织主要靠铜铝原子扩散形成。Victor k.Champagne[1]等人采用冷喷涂技术，将微米级的铜颗粒高速沉积在Al（6061）基体上。发现在高速作用下，铜颗粒和铝基体之间产生了粘性混合物，而且通过力学性能测试，证明结合力很强。通过经验模型表明界面混合物依赖于基体硬度和覆盖层材料的密度。

2 铜铝焊接成形界面组织

2.1 铜铝熔焊焊接界面组织

Mai等人采用350WNd：YAG激光焊成功地对1mm厚的铜和铝进行了焊接。[2]研究表明，由于激光输入能量的可控性以及能量的高密度性，激光焊能够实现对能量分布的控制，极大减小连接金属间的相互作用，避免脆性金属间化合物的产生，使异种金属的焊接能够得到满意的接头。

2.2 铜铝压焊焊接界面组织

2.2.1冷压焊、电阻压力焊界面组织

冷压焊对焊材准备工作要求比较严格，焊前母材表面要绝对清洁。铝铜异种金属冷压焊工艺是对焊接接头的显微组织、抗拉强度、电阻性能，耐温度变化性能及接头耐高温性能进行试验和分析[3]。从冷压焊的金相组织图看出，焊缝组织非常致密，焊缝接合面两侧的组织均发生滑移和变形。这种滑移和变形是在焊接挤压过程中，金属被挤出形成飞边造成的。由于近缝区晶粒组织结构被压缩，变得很致密，因此这部分组织的强度和韧性均得到提高。

2.2.2扩散焊界面组织

扩散焊或称扩散连接（diffusion joining）是在一定温度和压力下使待焊表面相互接触，通过微观塑性变形或通过待焊表面产生的微量液相而扩大待焊表面的物理接触，然后经过长时间的原子互扩散实现结合的一种焊接方法。

中国工程物理研究院的谢军[4]等人采用真空扩散连接技术，在高温环境下对Al/Cu薄膜进行连接界面的研究。结果发现，Al/Cu界面结合良好，扩散界面窄，连接过程对原始材料表面质量影响小；Al/Cu界面产生CuAl2金属间化合物，通过对加热温度、保温时间、压力等工艺参数的控制，能够有效的控制扩散界面，使界面较窄，有效的防治扩散空洞的产生。

2.2.3摩擦焊界面组织

摩擦焊是在材料塑性变形与流动的基础上，通过界面上的扩散与再结晶冶金反应实现连接的固态焊接方法，异种材料熔点差异影响较小，因此可以用于焊接异种金属。

Jiahu Ouyang，Eswar Yarrapareddy[5]等人采用搅拌摩擦焊接方法实现了6061铝合金和铜的焊接，经过T6热处理后观察了微观结构组织的变化。实验观察到焊缝机械混合区主要包括Cu9Al4、CuAl和CuAl2等金属间化合物，少量的α-Al和Al在Cu中的面心立方结构的固溶体。不同的显微组织有不同的显微硬度，其范围由136-760HV0.2。

2.3 钎焊界面组织

铝铜直接钎焊困难较大，接头质量不好。铝铜电极电位相差较大，易引起腐蚀；在钎缝中有脆性化合物生成使接头强度降低。针对上述问题，应从钎料、钎剂和设备等着手研究了一些新的铝铜钎焊方法。如电阻钎焊、超声波钎焊和扩散钎焊等方法。

Xia zhunzhi[6]等人采用真空扩散钎焊技术焊接T2铜和1035铝合金，并采用Al-Si纤料。试验结果表明在焊缝界面处生成了Cu3Al2和CuAl2两相。其中Cu3Al2层宽度约为12?m，CuAl2约为8?m，而且这两层的硬度明显高于基体硬度。此外，在焊缝处还发现了ε-Cu15Si4，Al-Si，CuZn2，α-Al等。合理的真空钎焊工艺参数为：焊接温度T=590-610℃，真空度为10-3Pa，持续时间为5-10min。

3 铜铝机械连接界面及模拟计算界面组织

在以铝代铜的应用中，采用机械连接方法连接是电工产品中常用的方法，但机械方法用于铜铝连接后，铝表面极易氧化，所形成的氧化膜十分牢固，且电阻很大，在负荷较大的情况下接点处温度升高，引起铝本身的蠕变，在产品运行过程中接点处接触不稳定，常发生冒烟、放爆等现象，并由此引起事故和火灾。为了降低研究成本，突出各种因素的影响，许多学者还采用了模拟技术研究铜铝焊接界面组织。

Shangda Chen等人[7]过分子动力学（MD）模拟研究温度和表面粗糙度对焊接界面组织的影响，得到界面区的厚度有明显的温度依赖性，温度越高越容易扩散，界面区厚度增加。通过分析表明，铜铝扩散焊可以具有很好的机械性能，拉伸强度可以达到理想状况下的88%。并提出铜铝扩散焊焊接的形变硬化比单质更为显著。

4 结论

上述研究结果表明，铜铝连接常用的方法是压力焊和钎焊，对于铜铝界面的研究主要集中于界面组织种类及其生长机理、界面组织的力学性能、电性能及抗腐蚀性能等方面的研究。通过对各种连接方法形成的界面组织进行分析比较可知，铜铝界面组织主要有铜铝固溶体、金属间化合物（主要有Cu3Al， CuAl、Cu9Al4、CuAl2等）以及他们形成的共晶组织构成。无论采用哪种连接方法， Cu/Al异种金属界面区均有脆性铜铝金属间化合物生成，这对于提高Cu /Al异种金属接头的力学性能及电性能都十分不利。因此，今后的研究重点仍为选择合适的连接方法，尽量减少界面金属间化合物的生成，提高Cu/Al接头的性能。

参考文献

[1]Victor K.Champagne， Jr.， Dennis Helfritch， Phillip Leyman， Scott Grendahl， Brad Klotz， Interface Materials Mixing Formed by the Deposition of Copper on Aluminum by Means of the Cold Spray Process[J].Journal of Thermal Spray Technology，2004， 14：330-334

[2]Mai T A，Spowage A C.Characterisation of dissimilar joints in laser welding of steel-kovar，copper-steel and cop-per-aluminum[J].Materials Science and Engineering，2004，374（1-2）：224-233.

[3]温立民，刘燕等，铜铝异种金属冷压焊及焊缝显微组织和性能，焊接技术36（3），2007

[4]谢军、吴卫东等，Al/Cu薄膜真空扩散连接技术[J]，强激光与粒子束 16（5），2004，5

作者简介

班燕，山东劳动职业技术学院，硕士研究生，研究方向： 材料成型，模具等