浅论铜铝异种金属钎焊技术的应用与发展战略

张贵东

（包头铝业有限公司，内蒙古 包头 014046）

根据有关资料显示，在21 世纪铜铝异种焊接接头的应用将占到各种常用的异种金属焊接接头总量的5.8%。目前难以解决的问题是铜铝异种金属接头的钎焊不能同时满足高强度、高抗腐蚀性能、工艺操作方便以及生产成本低的要求。铜铝异种金属接头的钎焊工艺技术需要得到进一步优化。尽管如此，但是由于铜铝异种金属接头具有优良的力学性能与导电性能，用铝可替代部分铜从而降低金属接头工件的生产成本以及减轻其工件本身的重量，因此在国民经济的发展中，铜铝异种金属钎焊工艺技术的应用前景十分广阔。在对铜铝异种金属钎焊的基础理论及其工艺技术的应用推广领域中，从其钎焊工艺、钎料以及钎剂等方面进行铜铝异种金属钎焊的组织和使用性能研究，意义非常重要。

1 对铜铝异种金属钎焊技术应用的分析与认识

铜与铝的焊接工艺主要有熔化焊、压焊以及钎焊等工艺。铜与铝的熔点差异较大，而且铜金属与铝金属的表面还易形成高温而致密的氧化物薄膜。铜与铝在冶金反应中易产生脆性相物质而致使铜铝异种金属接头区发生脆化。由此可见，铜与铝进行焊接时不能使用熔化焊工艺。铜铝异种金属的焊接工艺在目前国内外主要有冷压焊、摩擦焊、扩散焊、爆炸焊以及电阻焊等焊接工艺。这些焊接工艺技术的使用不仅需要专用的焊接装备，投资大，而且其还不能在施工现场安装这些装备来进行焊接。其局限性大，因为其只能预制铜铝异种金属接头。钎焊工艺具有比较小的工件变形，使用装备相对比较简单，工艺操作比较方便，而且可进行施工现场焊接等优点。对于异种金属材料的焊接工艺而言，钎焊工艺特别适用。

1.1 在焊缝中存在的脆性金属间化合物

在液体状态下，铜与铝可实现无限互溶。而在固体状态下铜与铝相互溶解度却很低。在高温状态下，铜与铝极易形成Cu2A1、Cu3A12、CuA1 和CuA12 等多种脆性金属间化合物。这些脆性化合物在钎料与母材金属发生反应而形成时，就会使钎焊焊缝的强度与塑性均降低，而且其还会在钎焊焊缝中产生晶间腐蚀等现象。

1.1.1 机理的形成

在使用单元素的钎料焊接纯金属时，因在钎料中溶解了钎焊金属而使其界面区产生含母材金属少的一种化合物，即金属间化合物。但是在该温度下的平衡状态其还没有达到。此时其二者之间还会进行继续扩散，最后在钎焊焊缝冷凝结晶后可能形成几种化合物。除此之外，母材金属与钎料直接进行化学反应时也可能会在界面区中形成金属间化合物。其从钎焊工艺技术方面分析而言，形成因素如下：

（1）在铜铝异种金属进行钎焊时，其选择的钎焊间隙过大。

（2）选择不合适的钎料。

（3）在进行钎焊后，对其焊缝进行高温扩散处理的时间很短。

在进行铜铝异种金属的钎焊时，若选择太大的间隙的话，则其被填充的钎料会增加。此时，因大部分钎料与母材金属发生反应而形成一种或多种金属间化合物。在进行钎焊后，若对钎缝进行高温扩散处理的时间很短的话，而且在焊缝中的铜原子没有来得进行扩散或进行扩散的时间不够充分的话，则其会在钎焊焊缝中形成数量巨大的金属间化合物。

1.1.2 采取的措施

在钎焊焊缝中存在数量较大的金属间化合物会降低焊接接头的强度与塑性。为了防止铜铝异种金属进行钎焊时焊缝中存在的金属间化合物，其必须控制钎焊工艺参数：

（1）对钎焊焊缝间隙要严格控制。

（2）钎料应当选择不易生成脆性相的材料，或者选择合适的金属粉末来进行置换脆性相。

（3）为了防止铜铝异种金属之间直接进行反应，可采取在其金属表面镀层的措施。

为了去除已进行过钎焊的铜铝异种金属焊缝中的金属间化合物，其可以将钎焊焊缝加热至适当的温度，然后再进行较长时间的扩散处理即可去除。其具体适当的温度可根据钎焊焊缝的重熔温度以及使用钎料的冶金特性来进行确定。

1.2 在母材金属中存在的溶蚀

在进行铜铝异种金属的钎焊过程中，液态钎料进入钎焊焊缝间隙时，在具体的温度和时间情况下，钎料会与母材金属进行合金化作用。在这个过程中，一方面母材金属被液态钎料溶解；另一方面钎料成份向母材金属扩散。铜铝异种金属进行钎焊时因母材金属被液态钎料过度溶解而产生的缺陷被称为溶蚀。

1.2.1 机理的形成

在钎料部位附进存在数量较多的母材金属溶蚀。其形成原因如下：

（1）进行钎焊的选择较高的温度。选择较高的钎焊温度时，母材金属被液态钎料溶解的数量会因温度的升高而逐步增加，从而导致钎料部位附近产生溶蚀。

（2）在钎焊温度时的保温时间过长。在确定的钎焊温度下，较长的保温度时间会使母材金属被溶解的数量较多，进而出现溶蚀缺陷。

（3）选择不合适的钎料。母材金属与钎料之间会产生强烈的合金化作用。其相互合金化作用的强弱主要表现在钎料的合金化作用方面。若其选择合金化作用过于强烈型钎料的话，则会使母材金属与钎料之间产生强烈的物理反应和化学反应，进而使母材金属形成溶蚀缺陷。除此之外，若其选择数量过多钎料的话，则也会使母材金属形成溶蚀缺陷。

1.2.2 采取的措施

因为母材金属形成的溶蚀缺陷会降低其强度，所以母材溶蚀缺陷在进行铜铝异种金属钎焊的过程中要防止。为此在进行铜铝异种金属钎焊过程中，其应当采取以下措施：

（1）选择合适的钎料。

（2）适度降低钎焊温度与减少高温停留时间。

在铜铝异种金属进行钎焊的过程中，其选择与母材金属的合金化作用不是过于强烈的钎料，以减弱钎料与母材的相互作用，进而防止母材金属形成溶蚀缺陷。适度降低钎焊温度，减少高温停留时间，可降低在钎焊温度下母材金属被液态钎料溶解的数量，进而直接防止了母材形成溶蚀缺陷。对于已经进行过钎焊的铜铝异种金属接头，其可采取选择能与钎缝形成新合金化作用的钎料，在较低温度下对焊缝进行熔融处理等措施，以改善铜铝异种金属钎焊接头的组织。

1.3 在钎焊过程中存在的腐蚀

在铜铝异种金属的钎焊过程中形成的腐蚀缺陷有两种，即点蚀和晶间腐蚀。晶间腐蚀缺陷是沿着金属的晶界临近区域与晶料边界发展而形成的缺陷。

1.3.1 机理的形成

铜铝异种金属进行钎焊过程中，钎焊接头形成的腐蚀缺陷原因如下：

（1）在钎焊工艺过程中使用腐蚀性较强的钎剂；在钎焊工艺进行前，在去除工件氧化膜后对残留在工件表面的钎剂未及时清除。

（2）在铜铝异种金属钎焊过程中选用的钎料腐蚀性较强。在铜铝异种金属进行钎焊的过程中，为了去除铜铝金属表面的氧化膜，其需要使用腐蚀性较强的钎剂来进行。因为铜铝金属之间的电位差相差较大，而且使用的钎剂残渣会在钎焊过程中形成电解液，所以其对铜铝异种金属钎焊接头形成电化学腐蚀。在同样的环境条件下，其电位越负的金属越易形成电偶的阴极而产生腐蚀缺陷；电位越正的金属越易形成电偶阳极而不会产生腐蚀缺陷。在钎焊工艺进行过程中会有数量较多的脆性相CuAl2在冷却过程中会沿焊缝晶界析出。因CuAl2 的电位比铝的电位高而使钎焊焊缝极易产生晶间腐蚀缺陷。

1.3.2 采取的措施

（1）为了达到防止钎焊接头产生腐蚀缺陷的目的，在去除铜铝金属表面的氧化膜时可使用腐蚀性较小或无腐蚀性的钎剂。

（2）因为使用稀土元素不仅能够在钎焊进行的过程中去除气体与细化晶粒，而且还能够提高钎焊接头的抗腐蚀能力，所以其可采用含有稀土元素的钎料来进行铜铝异种金属的钎焊工艺过程。

（3）在进行铜铝异种金属的钎焊工艺过程中应尽可能防止焊缝中脆性相CuAl2 的产生，以间接地防止产生晶间腐蚀缺陷。

1.4 在钎焊过程中产生的其他缺陷及防止

在铜铝异种金属的钎焊工艺过程中，其钎焊焊缝不仅会产生脆性相，产生溶蚀与腐蚀等缺陷，而且会产生诸如钎焊焊缝不连续，钎焊焊缝氧化，钎焊焊缝未钎透以及未钎着（钎缝连接未在两个钎焊面的接缝处形成）等缺陷。

铜铝异种金属钎焊过程中焊缝不连续的产生原因：（1）在进行钎焊时，未将工件表面清洁干净。（2）使用流动性与润湿性极差的钎料。（3）进行钎焊的温度较低。

铜铝异种金属钎焊焊缝未钎着的产生原因：（1）钎焊时使用不合适的钎缝间隙进行装配。（2）不合适的钎焊温度。（3）使用流动性和润湿性极差的钎料。

钎缝氧化的原因是零部件在钎焊进行过程中未被有效地实行保护而使在高温下零部件被氧化。

铜铝异种金属钎焊焊缝未钎透产生原因：（1）焊缝间隙较大而使其毛细作用失去。（2）钎料使用量较少或使用不合适的钎料。（3）因钎焊接头设计较长而使钎料的填缝能力不能满足。（4）使用不合适的钎料装配方式。

2 依靠技术进步，以促进铜铝异种金属钎焊技术的可持续发展

2.1 铜铝异种金属钎焊工艺技术的种类

（1）使用有钎剂的钎焊。某位研究者对铜铝直接进行钎焊的可行性进行了研究。在其研究过程中，对钎焊工艺参数，使用的钎剂和钎料等方面进行了较深入的研究。其研究结果说明：进行采取选择适当的钎剂与钎料，将钎焊温度降低，缩短钎焊时间，对钎缝间隙进行调整以及提高金属基体的表面粗糙度，进行适当的焊后处理等措施即可获得强度合适的铜铝异种金属的钎焊接头。诸如其使用Zn-40Sn-2Cu 及Zn-55Sn-2.5Si-2.5Ag 钎料与Al 反应钎剂等匹配来进行铜铝异种金属的钎焊工艺过程，进而取得了较理想的效果。

（2）使用无钎剂的钎焊。在使用有钎剂的钎焊时，因焊后清理焊剂残渣的需要而消耗数量巨大的淡水资源。这样会带来环境污染问题。为了解决钎焊残留钎剂的腐蚀与污染问题，其需要进行研发无钎剂钎焊技术。一般情况下，其在保护性的气氛或真空状态下来进行无钎剂钎焊。铝表面氧化膜可在真空状态下进行有利地去除。

2.2 铜铝钎焊技术的应用与发展

在铜铝异种金属钎焊工艺进行的过程中，若其直接进行钎焊的话，则会因使用过高的钎焊温度与过长的保温时间而在钎缝中产生脆性相（CuAl2、Cu2Al 和Cu3Al2）等。这样会使钎缝的强度与塑性均降低，而且在钎缝中还会产生较严重的腐蚀缺陷。其需要用腐蚀性较低强的钎剂来清除比较致密的铝氧化膜。钎剂残渣吸潮后会对钎缝进行较严重的腐蚀。由此可见，铜铝异种金属采取直接钎焊比较有困难，而且其钎焊接头质量得不到保证。在铜铝异种金属钎焊时，其可以先在铝表面镀一层金属，然后再进行钎焊。这样就会防止铜铝原子直接进行接触而形成脆性金属间化合物。在这种情况下其会因铜与铝不直接接触而能够使用腐蚀性弱或无腐蚀性的钎剂，进而可提高铜铝异种金属钎焊接头的强度以及抗腐蚀性能。

3 结语

提高机械结构与装备的技术性能与可靠性，降低其金属消耗量是现代机械制造业需要迫切解决的问题。铝及铝合金具有密度低，高强度、耐腐蚀性能、热导率及电导率高、优良的易加工性能等特性。在国民经济各领域以及国防建设中，铝的使用量仅次于钢铁的使用量而稳居第二位，而且已得到广泛地应用。铜及铜合金也具有导电、导热性能优良，耐腐蚀性能以及良好的易加工性能，而且其已被广泛地应用。但是铜属于战略资源，而且是稀缺金属。我国每年使用的铜材大部分需要通过进口来满足需求。在通常情况下，机械的零部件经受特定的负荷、温度以及各种介质的作用只是其结构的一部分。将铜及铜合金与铝，或者将铜与铝及铝合金利用适当的钎焊工艺制造具有复合结构的机械零部件不仅能发挥复合金属各自的优良性能，而且能够使机械零部件构件重量减轻，进而获得节约机械零部件制造使用材料的目的。