铜与不锈钢焊接技术与工艺研究现状

安明宇　但斌　袁威杰　刘梓儒　李玉祥　董文轩

摘 要：铜与不锈钢的合金结构件广泛应用于石油化学、空调冷凝、航空航天和汽车零部件等中高端工业领域，存在着广阔地展现出极高的实用价值和应用潜力。由于铜与不锈钢物理化学性质差异较大，使得两者之间的焊接相当困难，文章通过分析铜与不锈钢的焊接性，综述了各种焊接方法及其原理，分析了各种焊接缺陷以及解决办法，并指出当前领域内的研究热点与难点。同时，文章还将展望铜与不锈钢异种金属焊接技术的未来发展趋势，以期推动该领域的持续进步。

关键词：铜/不锈钢 异种金属焊接 发展趋势 应用前景

随着科技发展，新型工业对焊接结构件要求提高，单种金属材料难以满足，因此采用异种材料焊接结构，结合不同材料的性能优势。紫铜因导热性好、导电性强、耐腐蚀且易塑形，广泛应用于电子电气设备和复杂零件制作。不锈钢具有耐腐蚀、耐高温、易加工、环保卫生等特点，成为工程材料的重要选择。紫铜和不锈钢组成的异种金属焊接结构，兼具紫铜的导热、导电和延展性与不锈钢的耐腐蚀性，广泛应用于多个领域。[1，2]这种结构不仅结合了两种材料的优势，还节省材料、降低成本，满足不同领域的需求。铜与不锈钢复合结构对中国的经济发展意义深远，因此对两者的焊接研究正逐渐凸显其重要性。铜与不锈钢的物理化学性质差异较大，焊接困难，传统熔化焊因熔点差异难以实现可靠连接，接头处还存在较大的残余应力。学者们基于铜与不锈钢的焊接方法进行了一些研究，本文综述了各种焊接方法及其原理，分析了各种焊接缺陷以及解决办法，并指出了当前研究热点与难点。同时，本文还将展望铜与不锈钢异种金属焊接技术的未来发展趋势，以推动该领域的持续进步。

1 焊接性分析

异种金属焊接是将不同材料的金属进行连接的过程，涉及不同的物理和冶金特性，需要特别注意焊接接头的质量和性能。紫铜与奥氏体不锈钢之间的焊接是异种金属连接的一种，两者物理性质差异显著，两种金属的熔点差异超过400℃，增加了焊接难度。为确保焊接接头质量，需考虑金属的物理性能、化学成分及所选的焊接方法和工艺。综合考虑这些因素，有望获得满足要求的焊接接头。

1.1 物理性能差异

由于铜与不锈钢的导热系数差异较大。在进行焊接时，热量迅速从加热区传导至外部，使熔合区难以达到熔化温度，从而填充金属与母材之间的熔合变得不充分，容易出现焊不透的现象。铜的导热能力较强，在冷却凝固过程中，其变形量相对较大。与此同时，焊接接头的刚度较高，使得焊接变形受到阻碍，进而产生较大的焊接应力。并促使焊接裂纹的产生，关于铜与不锈钢的物理性能，详细数据如表1所示。

1.2 化学成分分析

化学元素的相互溶解度受其晶体点阵类型、原子尺寸及晶格常数差异影响。在高温下，Fe与Cu晶体结构为面心立方，原子半径和晶格常数相近，使钢与铜在焊接过程中相容性好。然而，铜与钢焊接时由于容易产生低熔点共晶，降低了晶间结合力，导致焊缝金属塑性韧性显著下降。

通过对铜与不锈钢进行可焊性分析表明：选择合适的焊接参数与填充材料、预热、精准地控制温度和冷却速度等来提高焊接接头的强度和可靠性，确保焊接质量和性能，在铜和不锈钢焊接性的研究具有重要的理论意义，方便进一步选择铜与钢的焊接方法和技术，具有相当重要的工程应用前景。

2 压力焊

压力焊是通过施加一定的压力，达到金属间结合的一种连接方式，主要包括爆炸焊，搅拌摩擦焊，扩散焊，热等压扩散连接等方式。

2.1 爆炸焊

爆炸焊利用炸药爆炸产生的冲击波和射流，使金属材料发生碰撞并产生塑性变形，形成牢固连接。该方法焊接速度快，金属不受热，连接稳固，焊接面积可调。经过发展，广泛应用于异种金属焊接。姜超[3]等人采用此工艺焊接紫铜与不锈钢，获得波状界面，结合强度高，显微硬度提升。微观示意图如图1所示，力学性能测试显示韧性断裂，接头质量高。Ahmet D[4]等研究爆炸焊连接铜与钢，发现优质接头，界面无金属间化合物。随爆炸比率和焊件距离增加，界面由光滑变为波浪形，拉剪和弯曲试验后仍保持连接。退火处理后界面发生扩散，获得无缺陷接头。

研究表明，爆炸焊可设置合理焊接参数与板位置，形成高质量焊缝，适用于铜不锈钢焊接。但仅适用于小型工件，需特殊设备和较高成本，产生冲击波和噪音，污染环境。过程复杂，需精确控制爆炸装置和焊接参数，以保证焊接质量稳定。

2.2 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是一种金属连接技术，利用摩擦热和塑性变形热使金属软化，并通过搅拌针的高速旋转和进给运动填充空腔，形成锻造组织的焊缝。完成焊接后，搅拌针回抽，形成匙孔，能可靠连接熔化焊接性能较差的金属。此过程在低于材料熔点温度下进行，有效避免了熔化焊接的潜在缺陷[5]。学者刘鸽平[6]研究了铜与不锈钢的焊缝特点，发现搅拌头旋转速度与焊缝表面氧化程度成正比，而焊接速度增加会使缺陷更严重。因此，需要合理控制搅拌头旋转速度和焊接速度，以确保焊接质量和安全。学者付万云[7]在特定参数下进行了铜与不锈钢复合板的焊接实验，发现搅拌针插入量增加会增强铜与钢的混合程度，但也会增加搅拌针的磨损。实验得出最佳搅拌针插入量为0.5mm，以保障焊缝质量并减少搅拌针磨损。在铜/钢复合板界面上，铜和钢相互扩散，形成铜钢固溶体，焊接质量较高。经过深入分析，我们可以明确在铜与不锈钢的摩擦焊过程中，优化焊接参数显得尤为重要。这包括但不限于对搅拌头、焊接速度以及搅拌针插入量的严格控制。

目前，摩擦焊研究以应用研究为主，集中于优化工艺参数对焊缝质量的影响。但基础研究领域投入不足。现有数值模型与实际FSW工况存在较大差异，未充分考虑工艺倾角和搅拌头细节。因此，模型虽提供方向性参考，实际应用价值有限。

2.3 扩散连接

扩散连接是一种特定温度和压力下的连接工艺，使两个待焊接表面相互接触并扩大接触面积。经过长时间，原子间发生相互扩散和渗透，形成冶金结合的连接。[8]铜与不锈钢的扩散连接难以满足要求，因此中间层的使用变得重要。熊江涛[9]使用锡青铜作为中间层，利用Sn元素偏聚形成Cu-Sn液相，提高了接头抗拉强度。Xin jian Yuan[10]等使用Ni中间层，提高了接头强度并减少了孔洞和未焊合区域。解庆[11]通过在铜上制备Au镀层改善了接头形貌和强度。如图2所示丁文[12]使用CoCrFeMnNi高熵合金作为中间层，实现了Cu/304不锈钢的稳固连接，且未形成脆性金属间化合物。麻相龙[13]学者采用热等静压工艺连接了316L不锈钢和T2紫铜棒材，分析了接头界面的微观组织和力学性能。结果表明，接头结合良好，未产生金属间化合物，断口呈现韧性特征，形成了3.9μm厚的扩散层。黄伶明[14]学者通过热等静压扩散实现了铜与钢的高质量扩散焊接，观察到铜中间层出现晶界扩散现象，硬度沿界面对称分布，表明焊接质量较高。扩散微观示意图如图4所示，上述文献表明；在铜与不锈钢的扩散连接中，在母材之间加入合适的中间层材料时，能有效阻碍脆性金属间化合物的形成，提高连接接头的韧性和强度。在未来不断对高熵合金的开发与应用，铜与不锈钢会实现更优质的连接。热等静压有助于提高焊接接头的强度、硬度和结合强度。通过热等静压技术，可以实现高质量、高效率的金属连接，为工业生产和科技发展提供有力支持。

3 高能密度焊

高能密度焊是一种利用高能量密度束流作为热源的一种焊接方式。其具有能量密度高，能量集中，可焊材料多等优点。目前，对于铜与钢高能密度焊的研究，主要集中在电子束焊和激光焊等焊接领域。

3.1 激光焊

激光焊是快速熔化并凝固材料的焊接技术。铜/钢激光焊接存在三大缺陷：显微偏析、气孔和凝固裂纹。张良[15]研究发现，这些缺陷源于熔池快速凝固导致的溶质迁移不足和匙孔瞬态失稳。显微偏析降低晶粒间结合力，导致凝固裂纹，而气孔则因金属蒸气滞留于焊缝中形成。源于熔池金属凝固时的成分偏析。如图５所示，部分学者通过控制激光偏置调整热量输入，以改善焊接接头。分析熔合区多边形气孔与热影响区开裂，学者Li J[16]发现焊接过程小孔失稳与成分偏析导致气孔的产生。蔡远征[17]等人研究了激光偏角、离焦量和焊接速度对焊缝成形的影响。结果表明，正激光偏角下焊缝成形质量良好，正离焦量下焊缝组织分布均匀，焊接速度增加会导致焊缝中气孔缺陷频率增加。学者卢贵鹏[18]通过系统分析焊接后的力学性能与元素扩散，认为焊接电流是最主要的影响因素，在试验生产中为了得到较好的焊接接头，要注意对焊接电流的控制。杜正勇[19]激光偏移调控，精准控制加热与熔合比。实验证实，激光位置调整可优化焊接接头性能。激光偏向钢侧时，熔池中液相铜占比较大，与钢液混合后形成细小胞状组织；偏向铜侧时，则形成细小等轴晶粒。学者檀财旺[20]通过研究辅助磁场对激光焊的研究，外加磁场与激光焊接过程中的带电流体相互作用，影响激光等离子体的运动状态，对熔池进行搅拌，稳定焊接过程，提高激光能量利用效率，改善组织细化，减少缺陷，提高接头力学性能。

上述文献表面在焊接铜与不锈钢激光焊过程中通过合理的激光偏置，工艺设计与参数设置可以降低焊接缺陷，得到焊接形状较好，组织均匀的焊接结构。所以在未来将会不断优化焊接工艺来满足我们日益增长的结构要求。而且未来可以通过设计辅助磁场等来优化焊接接头，减少焊接缺陷。

3.2 电子束焊

电子束是用高能电子束对工件进行照射，使其表面熔化形成焊缝的一种先进焊接技术，由于电子束焊能够精准控制能量分布与焊接深度，热变形小其在工业领域的竞争力也日渐增强，已为工业部门广泛接受，在焊接铜与不锈钢的研究中，学者陈雨[20]通过对电子束焊接的断裂截面进行微观组织观察，分析其疲劳特性，实验表明两者冶金结合较好，裂纹区处于铜合金基体，低周疲劳试样的裂纹源多于高周疲劳试样，且分布在焊缝上下。裂纹示意如图3所示，由于电子束焊接可以精确控制偏移位置来改变熔合比。学者郭顺[21]表示304不锈钢和T2紫铜焊接时，铜侧偏置会导致热影响区晶粒的显著粗大化，而钢侧偏置会诱发熔合不良和热裂纹的产生。采用铜侧少量偏置或无偏置的焊接工艺，可以确保焊接质量和稳定性。微观组织如图4所示，最终得到了接头强度达到246MPa，无明显气孔，焊缝成型较好。

电子束焊接在真空中进行，能减少氧化和污染，再通过束流偏置来提高焊接接头的质量，但由于它需要高能电子束发生器和真空室，使得其设备及运行成本相对较高。其次，它需要熟练的技术人员来操作和维护设备，增加了人力成本。另外，电子束焊接的焊接速度相对较慢，可能会影响生产效率。

4 钎焊

钎焊是使用低熔点的钎料，通过对焊件及钎料同时加热至钎料熔点，使熔化的钎料填充焊件间隙，达到金属间连接的焊接方式。目前，对于铜与钢钎焊的研究，主要集中在火焰钎焊和真空钎焊等焊接领域。

4.1 真空钎焊

真空钎焊是一种先进的金属连接技术，通过高温和真空压力实现。由于其在真空环境下进行，避免了氧化和增碳等缺陷。此外，其低温和均匀加热特点使得热应力小、接头变形小且界面光滑，因此广泛应用于异种材料的连接。[22]真空钎焊中，关键在于液态钎料充分流入并紧密填充钎焊间隙，并与母材基体金属发生良好的物理化学互动，生成新合金，从而得到符合要求的钎焊接头。选用合适的钎料可实现铜/钢异种金属的连接。因此，学者们在铜与不锈钢的真空钎焊中进行了钎料选择的研究。学者许建平[23]实验使用Ag-Cu-Zn钎料，通过真空钎焊在800℃温度下保温40分钟，将纯铜与16Mn钢焊接在一起。实验结果显示，钎焊接头组织紧密，无孔洞、杂质、未熔合等缺陷，说明Ag-Cu-Zn钎料对Cu与16Mn钢具有良好的润湿和铺展性能。学者薛敬凯[24]等人采用BNi76CrP粉末钎料在钎焊温度960～980℃下保温5min时，得到良好的接头组织，研究表明960～980℃范围内BNi76CrP粉末钎料对不锈钢与紫铜具有良好的润湿性能，接头具有良好的耐压性能和气密性能，未见裂纹、气孔等缺陷。铜与不锈钢钎焊接头微观示意如图７所示基于以上研究，

目前的铜与不锈钢真空钎焊的研究重点在于填充金属及其工艺研究，在未来，我们要对铜与不锈钢的接头形成与影响机理进行研究，优化其保温温度与真空度，加热温度等参数，以便形成更加优良的焊接接头，现有的数值模型与实际的钎焊工况之间存在较大的差异。但是也可以为我们的钎焊研究提供很大的技术支持。

4.2 火焰钎焊

火焰钎焊是将金属工件加热至焊接温度，使用燃气与氧气混合燃烧，使钎料熔化并渗透到金属表面，形成金属间化合物。其较低的熔敷速度有助于减小变形和应力，提高焊接质量。通过合理控制焊接参数和工艺，可实现高质量的焊接接头，确保接头的力学性能、抗腐蚀性和稳定性。火焰钎焊具有高灵活性，适应各种复杂结构和环境，常用于焊接铜与不锈钢的复合结构。钎料选择对接头强度有影响。目前研究铜与不锈钢焊接大多为银基钎料，学者陈新旭[25]研究BAg45CuZn与BAg72Cu在复合板上的铺展性。在不锈钢试板上涂抹FB102钎剂，预热铜至熔点80%，使用氧－乙炔火焰。结果表明，BAg45CuZn铺展性较好，焊缝外观佳，而BAg72Cu在持续加热下铺展较少。学者周永东[26]在焊接T2纯铜管和1Cr18Ni9Ti锡黄铜焊丝（HS221）为钎料，具有低熔点、流动性好、强度高和铜钢润湿性好。使用QJ301钎剂，可去除氧化膜，增强润湿性，防止氧化。使用氧乙炔火焰，预热铜管至600～700℃，与不锈钢接头加热至红色，加热焊丝并涂抹钎剂，送至焊缝处。加热焊丝至熔点，熔化后填充间隙，得到高质量焊缝。微观示意图如图８所示。

目前对铜与不锈钢的钎焊钎料研究，会不断优化焊接接头，通过高熵合金的引入未来会形成外形美观、质量良好的连续焊缝完成焊接；大大提高了铜－钢异种金属焊接的可靠性，减少焊缝内部铜－钢异种金属原子间相互扩散，防止焊接裂纹的产生，焊缝成形均匀。Cu基钎料是目前成本低，性能好，焊接效果接近于Ag基钎料的一种低钎焊温度的平替钎料，在异种金属的焊接中也有较好的表现，故也可以借鉴为紫铜和不锈钢焊接时的钎料方向。

5 焊接应用分析

铜与不锈钢的焊接技术已经取得了一系列突破，这些进展不仅推动了材料科学的发展，也为工业应用提供了更多的可能性。尽管如此，现有的焊接方法仍需进一步优化，以满足日益严苛的工业要求。未来的研究应更加注重焊接接头的综合性能评估，包括力学性能、耐蚀性能以及在不同环境下的长期稳定性，从而确保焊接技术在实际应用中的可靠性和经济性。可以预见在不久的将来，铜与不锈钢的焊接技术将更加成熟，应用范围将进一步扩大。未来的研究可能将聚焦于提高焊接接头的力学性能、优化焊接工艺参数以及开发低成本高效率的焊接方法。同时，环境友好型和能效高的焊接技术亦将成为研究热点，以期满足日益严格的环保要求和工业应用需求。

6 结论

（1）目前，铜与不锈钢之间的复合板有效连接可采用多种方法，包括激光焊、电子束焊、钨极氩弧焊、爆炸焊、扩散连接、热等压扩散连接、搅拌摩擦焊、真空钎焊以及火焰钎焊等。这些方法均经过实践验证，可在确保连接质量的同时，满足不同工艺需求和应用场景。

（2）经过深入研究复合板的力学性能，发现激光焊接技术能显著提升接头强度。展望未来，我们将借助辅助磁场的研究，不断优化焊接工艺，进一步拓展异种合金激光焊的应用前景。然而，考虑到成本及工业应用的灵活性，火焰钎焊在复合结构焊接中仍占据主导地位。通过我们对高熵合金的研发与应用，利用中间层材料抑制金属间化合物的形成，进而提升接头强度，有望为接头质量的提升做出重要贡献。

（3）目前研究集中在优化工艺参数方面，基础理论研究投入不足，导致数值模型与实际应用场景差异较大，以后的研究要强化模型与实际工况的研究，促使其有机耦合。

基金项目：2023年陕西省大学生创新创业训练计划项目（S202310720061）。

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