淺論銅鋁異種金屬釬焊技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展戰(zhàn)略

張貴東

（包頭鋁業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014046）

根據(jù)有關(guān)資料顯示，在21 世紀(jì)銅鋁異種焊接接頭的應(yīng)用將占到各種常用的異種金屬焊接接頭總量的5.8%。目前難以解決的問題是銅鋁異種金屬接頭的釬焊不能同時滿足高強(qiáng)度、高抗腐蝕性能、工藝操作方便以及生產(chǎn)成本低的要求。銅鋁異種金屬接頭的釬焊工藝技術(shù)需要得到進(jìn)一步優(yōu)化。盡管如此，但是由于銅鋁異種金屬接頭具有優(yōu)良的力學(xué)性能與導(dǎo)電性能，用鋁可替代部分銅從而降低金屬接頭工件的生產(chǎn)成本以及減輕其工件本身的重量，因此在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中，銅鋁異種金屬釬焊工藝技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。在對銅鋁異種金屬釬焊的基礎(chǔ)理論及其工藝技術(shù)的應(yīng)用推廣領(lǐng)域中，從其釬焊工藝、釬料以及釬劑等方面進(jìn)行銅鋁異種金屬釬焊的組織和使用性能研究，意義非常重要。

1 對銅鋁異種金屬釬焊技術(shù)應(yīng)用的分析與認(rèn)識

銅與鋁的焊接工藝主要有熔化焊、壓焊以及釬焊等工藝。銅與鋁的熔點差異較大，而且銅金屬與鋁金屬的表面還易形成高溫而致密的氧化物薄膜。銅與鋁在冶金反應(yīng)中易產(chǎn)生脆性相物質(zhì)而致使銅鋁異種金屬接頭區(qū)發(fā)生脆化。由此可見，銅與鋁進(jìn)行焊接時不能使用熔化焊工藝。銅鋁異種金屬的焊接工藝在目前國內(nèi)外主要有冷壓焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊、爆炸焊以及電阻焊等焊接工藝。這些焊接工藝技術(shù)的使用不僅需要專用的焊接裝備，投資大，而且其還不能在施工現(xiàn)場安裝這些裝備來進(jìn)行焊接。其局限性大，因為其只能預(yù)制銅鋁異種金屬接頭。釬焊工藝具有比較小的工件變形，使用裝備相對比較簡單，工藝操作比較方便，而且可進(jìn)行施工現(xiàn)場焊接等優(yōu)點。對于異種金屬材料的焊接工藝而言，釬焊工藝特別適用。

1.1 在焊縫中存在的脆性金屬間化合物

在液體狀態(tài)下，銅與鋁可實現(xiàn)無限互溶。而在固體狀態(tài)下銅與鋁相互溶解度卻很低。在高溫狀態(tài)下，銅與鋁極易形成Cu2A1、Cu3A12、CuA1 和CuA12 等多種脆性金屬間化合物。這些脆性化合物在釬料與母材金屬發(fā)生反應(yīng)而形成時，就會使釬焊焊縫的強(qiáng)度與塑性均降低，而且其還會在釬焊焊縫中產(chǎn)生晶間腐蝕等現(xiàn)象。

1.1.1 機(jī)理的形成

在使用單元素的釬料焊接純金屬時，因在釬料中溶解了釬焊金屬而使其界面區(qū)產(chǎn)生含母材金屬少的一種化合物，即金屬間化合物。但是在該溫度下的平衡狀態(tài)其還沒有達(dá)到。此時其二者之間還會進(jìn)行繼續(xù)擴(kuò)散，最后在釬焊焊縫冷凝結(jié)晶后可能形成幾種化合物。除此之外，母材金屬與釬料直接進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時也可能會在界面區(qū)中形成金屬間化合物。其從釬焊工藝技術(shù)方面分析而言，形成因素如下：

（1）在銅鋁異種金屬進(jìn)行釬焊時，其選擇的釬焊間隙過大。

（2）選擇不合適的釬料。

（3）在進(jìn)行釬焊后，對其焊縫進(jìn)行高溫擴(kuò)散處理的時間很短。

在進(jìn)行銅鋁異種金屬的釬焊時，若選擇太大的間隙的話，則其被填充的釬料會增加。此時，因大部分釬料與母材金屬發(fā)生反應(yīng)而形成一種或多種金屬間化合物。在進(jìn)行釬焊后，若對釬縫進(jìn)行高溫擴(kuò)散處理的時間很短的話，而且在焊縫中的銅原子沒有來得進(jìn)行擴(kuò)散或進(jìn)行擴(kuò)散的時間不夠充分的話，則其會在釬焊焊縫中形成數(shù)量巨大的金屬間化合物。

1.1.2 采取的措施

在釬焊焊縫中存在數(shù)量較大的金屬間化合物會降低焊接接頭的強(qiáng)度與塑性。為了防止銅鋁異種金屬進(jìn)行釬焊時焊縫中存在的金屬間化合物，其必須控制釬焊工藝參數(shù)：

（1）對釬焊焊縫間隙要嚴(yán)格控制。

（2）釬料應(yīng)當(dāng)選擇不易生成脆性相的材料，或者選擇合適的金屬粉末來進(jìn)行置換脆性相。

（3）為了防止銅鋁異種金屬之間直接進(jìn)行反應(yīng)，可采取在其金屬表面鍍層的措施。

為了去除已進(jìn)行過釬焊的銅鋁異種金屬焊縫中的金屬間化合物，其可以將釬焊焊縫加熱至適當(dāng)?shù)臏囟龋缓笤龠M(jìn)行較長時間的擴(kuò)散處理即可去除。其具體適當(dāng)?shù)臏囟瓤筛鶕?jù)釬焊焊縫的重熔溫度以及使用釬料的冶金特性來進(jìn)行確定。

1.2 在母材金屬中存在的溶蝕

在進(jìn)行銅鋁異種金屬的釬焊過程中，液態(tài)釬料進(jìn)入釬焊焊縫間隙時，在具體的溫度和時間情況下，釬料會與母材金屬進(jìn)行合金化作用。在這個過程中，一方面母材金屬被液態(tài)釬料溶解；另一方面釬料成份向母材金屬擴(kuò)散。銅鋁異種金屬進(jìn)行釬焊時因母材金屬被液態(tài)釬料過度溶解而產(chǎn)生的缺陷被稱為溶蝕。

1.2.1 機(jī)理的形成

在釬料部位附進(jìn)存在數(shù)量較多的母材金屬溶蝕。其形成原因如下：

（1）進(jìn)行釬焊的選擇較高的溫度。選擇較高的釬焊溫度時，母材金屬被液態(tài)釬料溶解的數(shù)量會因溫度的升高而逐步增加，從而導(dǎo)致釬料部位附近產(chǎn)生溶蝕。

（2）在釬焊溫度時的保溫時間過長。在確定的釬焊溫度下，較長的保溫度時間會使母材金屬被溶解的數(shù)量較多，進(jìn)而出現(xiàn)溶蝕缺陷。

（3）選擇不合適的釬料。母材金屬與釬料之間會產(chǎn)生強(qiáng)烈的合金化作用。其相互合金化作用的強(qiáng)弱主要表現(xiàn)在釬料的合金化作用方面。若其選擇合金化作用過于強(qiáng)烈型釬料的話，則會使母材金屬與釬料之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而使母材金屬形成溶蝕缺陷。除此之外，若其選擇數(shù)量過多釬料的話，則也會使母材金屬形成溶蝕缺陷。

1.2.2 采取的措施

因為母材金屬形成的溶蝕缺陷會降低其強(qiáng)度，所以母材溶蝕缺陷在進(jìn)行銅鋁異種金屬釬焊的過程中要防止。為此在進(jìn)行銅鋁異種金屬釬焊過程中，其應(yīng)當(dāng)采取以下措施：

（1）選擇合適的釬料。

（2）適度降低釬焊溫度與減少高溫停留時間。

在銅鋁異種金屬進(jìn)行釬焊的過程中，其選擇與母材金屬的合金化作用不是過于強(qiáng)烈的釬料，以減弱釬料與母材的相互作用，進(jìn)而防止母材金屬形成溶蝕缺陷。適度降低釬焊溫度，減少高溫停留時間，可降低在釬焊溫度下母材金屬被液態(tài)釬料溶解的數(shù)量，進(jìn)而直接防止了母材形成溶蝕缺陷。對于已經(jīng)進(jìn)行過釬焊的銅鋁異種金屬接頭，其可采取選擇能與釬縫形成新合金化作用的釬料，在較低溫度下對焊縫進(jìn)行熔融處理等措施，以改善銅鋁異種金屬釬焊接頭的組織。

1.3 在釬焊過程中存在的腐蝕

在銅鋁異種金屬的釬焊過程中形成的腐蝕缺陷有兩種，即點蝕和晶間腐蝕。晶間腐蝕缺陷是沿著金屬的晶界臨近區(qū)域與晶料邊界發(fā)展而形成的缺陷。

1.3.1 機(jī)理的形成

銅鋁異種金屬進(jìn)行釬焊過程中，釬焊接頭形成的腐蝕缺陷原因如下：

（1）在釬焊工藝過程中使用腐蝕性較強(qiáng)的釬劑；在釬焊工藝進(jìn)行前，在去除工件氧化膜后對殘留在工件表面的釬劑未及時清除。

（2）在銅鋁異種金屬釬焊過程中選用的釬料腐蝕性較強(qiáng)。在銅鋁異種金屬進(jìn)行釬焊的過程中，為了去除銅鋁金屬表面的氧化膜，其需要使用腐蝕性較強(qiáng)的釬劑來進(jìn)行。因為銅鋁金屬之間的電位差相差較大，而且使用的釬劑殘渣會在釬焊過程中形成電解液，所以其對銅鋁異種金屬釬焊接頭形成電化學(xué)腐蝕。在同樣的環(huán)境條件下，其電位越負(fù)的金屬越易形成電偶的陰極而產(chǎn)生腐蝕缺陷；電位越正的金屬越易形成電偶陽極而不會產(chǎn)生腐蝕缺陷。在釬焊工藝進(jìn)行過程中會有數(shù)量較多的脆性相CuAl2在冷卻過程中會沿焊縫晶界析出。因CuAl2 的電位比鋁的電位高而使釬焊焊縫極易產(chǎn)生晶間腐蝕缺陷。

1.3.2 采取的措施

（1）為了達(dá)到防止釬焊接頭產(chǎn)生腐蝕缺陷的目的，在去除銅鋁金屬表面的氧化膜時可使用腐蝕性較小或無腐蝕性的釬劑。

（2）因為使用稀土元素不僅能夠在釬焊進(jìn)行的過程中去除氣體與細(xì)化晶粒，而且還能夠提高釬焊接頭的抗腐蝕能力，所以其可采用含有稀土元素的釬料來進(jìn)行銅鋁異種金屬的釬焊工藝過程。

（3）在進(jìn)行銅鋁異種金屬的釬焊工藝過程中應(yīng)盡可能防止焊縫中脆性相CuAl2 的產(chǎn)生，以間接地防止產(chǎn)生晶間腐蝕缺陷。

1.4 在釬焊過程中產(chǎn)生的其他缺陷及防止

在銅鋁異種金屬的釬焊工藝過程中，其釬焊焊縫不僅會產(chǎn)生脆性相，產(chǎn)生溶蝕與腐蝕等缺陷，而且會產(chǎn)生諸如釬焊焊縫不連續(xù)，釬焊焊縫氧化，釬焊焊縫未釬透以及未釬著（釬縫連接未在兩個釬焊面的接縫處形成）等缺陷。

銅鋁異種金屬釬焊過程中焊縫不連續(xù)的產(chǎn)生原因：（1）在進(jìn)行釬焊時，未將工件表面清潔干凈。（2）使用流動性與潤濕性極差的釬料。（3）進(jìn)行釬焊的溫度較低。

銅鋁異種金屬釬焊焊縫未釬著的產(chǎn)生原因：（1）釬焊時使用不合適的釬縫間隙進(jìn)行裝配。（2）不合適的釬焊溫度。（3）使用流動性和潤濕性極差的釬料。

釬縫氧化的原因是零部件在釬焊進(jìn)行過程中未被有效地實行保護(hù)而使在高溫下零部件被氧化。

銅鋁異種金屬釬焊焊縫未釬透產(chǎn)生原因：（1）焊縫間隙較大而使其毛細(xì)作用失去。（2）釬料使用量較少或使用不合適的釬料。（3）因釬焊接頭設(shè)計較長而使釬料的填縫能力不能滿足。（4）使用不合適的釬料裝配方式。

2 依靠技術(shù)進(jìn)步，以促進(jìn)銅鋁異種金屬釬焊技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展

2.1 銅鋁異種金屬釬焊工藝技術(shù)的種類

（1）使用有釬劑的釬焊。某位研究者對銅鋁直接進(jìn)行釬焊的可行性進(jìn)行了研究。在其研究過程中，對釬焊工藝參數(shù)，使用的釬劑和釬料等方面進(jìn)行了較深入的研究。其研究結(jié)果說明：進(jìn)行采取選擇適當(dāng)?shù)拟F劑與釬料，將釬焊溫度降低，縮短釬焊時間，對釬縫間隙進(jìn)行調(diào)整以及提高金屬基體的表面粗糙度，進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮负筇幚淼却胧┘纯色@得強(qiáng)度合適的銅鋁異種金屬的釬焊接頭。諸如其使用Zn-40Sn-2Cu 及Zn-55Sn-2.5Si-2.5Ag 釬料與Al 反應(yīng)釬劑等匹配來進(jìn)行銅鋁異種金屬的釬焊工藝過程，進(jìn)而取得了較理想的效果。

（2）使用無釬劑的釬焊。在使用有釬劑的釬焊時，因焊后清理焊劑殘渣的需要而消耗數(shù)量巨大的淡水資源。這樣會帶來環(huán)境污染問題。為了解決釬焊殘留釬劑的腐蝕與污染問題，其需要進(jìn)行研發(fā)無釬劑釬焊技術(shù)。一般情況下，其在保護(hù)性的氣氛或真空狀態(tài)下來進(jìn)行無釬劑釬焊。鋁表面氧化膜可在真空狀態(tài)下進(jìn)行有利地去除。

2.2 銅鋁釬焊技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

在銅鋁異種金屬釬焊工藝進(jìn)行的過程中，若其直接進(jìn)行釬焊的話，則會因使用過高的釬焊溫度與過長的保溫時間而在釬縫中產(chǎn)生脆性相（CuAl2、Cu2Al 和Cu3Al2）等。這樣會使釬縫的強(qiáng)度與塑性均降低，而且在釬縫中還會產(chǎn)生較嚴(yán)重的腐蝕缺陷。其需要用腐蝕性較低強(qiáng)的釬劑來清除比較致密的鋁氧化膜。釬劑殘渣吸潮后會對釬縫進(jìn)行較嚴(yán)重的腐蝕。由此可見，銅鋁異種金屬采取直接釬焊比較有困難，而且其釬焊接頭質(zhì)量得不到保證。在銅鋁異種金屬釬焊時，其可以先在鋁表面鍍一層金屬，然后再進(jìn)行釬焊。這樣就會防止銅鋁原子直接進(jìn)行接觸而形成脆性金屬間化合物。在這種情況下其會因銅與鋁不直接接觸而能夠使用腐蝕性弱或無腐蝕性的釬劑，進(jìn)而可提高銅鋁異種金屬釬焊接頭的強(qiáng)度以及抗腐蝕性能。

3 結(jié)語

提高機(jī)械結(jié)構(gòu)與裝備的技術(shù)性能與可靠性，降低其金屬消耗量是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)需要迫切解決的問題。鋁及鋁合金具有密度低，高強(qiáng)度、耐腐蝕性能、熱導(dǎo)率及電導(dǎo)率高、優(yōu)良的易加工性能等特性。在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域以及國防建設(shè)中，鋁的使用量僅次于鋼鐵的使用量而穩(wěn)居第二位，而且已得到廣泛地應(yīng)用。銅及銅合金也具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，耐腐蝕性能以及良好的易加工性能，而且其已被廣泛地應(yīng)用。但是銅屬于戰(zhàn)略資源，而且是稀缺金屬。我國每年使用的銅材大部分需要通過進(jìn)口來滿足需求。在通常情況下，機(jī)械的零部件經(jīng)受特定的負(fù)荷、溫度以及各種介質(zhì)的作用只是其結(jié)構(gòu)的一部分。將銅及銅合金與鋁，或者將銅與鋁及鋁合金利用適當(dāng)?shù)拟F焊工藝制造具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的機(jī)械零部件不僅能發(fā)揮復(fù)合金屬各自的優(yōu)良性能，而且能夠使機(jī)械零部件構(gòu)件重量減輕，進(jìn)而獲得節(jié)約機(jī)械零部件制造使用材料的目的。