鋁銅連接接頭在電子、能源動(dòng)力、交通等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，鋁銅的高質(zhì)量連接是充分利用鋁與銅各自的優(yōu)異性能的前提，因而已成為焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于鋁和銅兩種材料熔點(diǎn)差值大、線膨脹系數(shù)差異大，鋁在加熱時(shí)易形成氧化膜難以去除，并且鋁銅之間極易生成復(fù)雜的脆性金屬間化合物，嚴(yán)重影響接頭力學(xué)性能及導(dǎo)電性，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)鋁銅之間的可靠連接成為焊接領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。擴(kuò)散焊接技術(shù)是一種解決鋁銅高質(zhì)量連接的可行方式。文章對鋁/銅接頭的擴(kuò)散焊連接技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，介紹了鋁/銅擴(kuò)散焊接的材料、前處理過程、中間層的選擇、連接工藝(溫度、壓力、真空度)及性能測試的項(xiàng)目、設(shè)備和方法。

銅具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能、出色的延展性和優(yōu)良的機(jī)械性能，在電纜、電氣和電子等工業(yè)制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。鋁也是一種良好的導(dǎo)電材料，且價(jià)格低于銅。為了降低成本、充分利用鋁與銅各自的優(yōu)異性能，通常需要將鋁與銅連接在一起制成鋁銅復(fù)合構(gòu)件。鋁和銅的高質(zhì)量連接一直以來都是一個(gè)難點(diǎn)，這主要是由兩種材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能決定的，主要包括：(1)兩種材料的熔點(diǎn)相差較大，熔焊方法難以同時(shí)熔融兩種材料[2]；(2)液態(tài)銅和鋁能夠溶解和吸收大量的氣體，導(dǎo)致接頭焊縫中易產(chǎn)生氣孔[3]；(3)鋁表面有致密的氧化膜，阻礙了與銅的高質(zhì)量結(jié)合[4]；(4)銅和鋁易生產(chǎn)金屬間化合物，影響服役性能[5]。

擴(kuò)散焊接是指在溫度和壓力的作用下，相互接觸的材料表面相互靠近，導(dǎo)致局部發(fā)生塑性變形，原子間發(fā)生相互擴(kuò)散而形成整體的焊接技術(shù)。擴(kuò)散焊的優(yōu)點(diǎn)包括：(1)可實(shí)現(xiàn)異種材料的連接；(2)可獲得高質(zhì)量的焊接面；(3)可制造具有復(fù)雜形狀或橫截面的高精度零部件，無需二次加工；(4)擴(kuò)散焊接過程中不產(chǎn)生紫外線輻射和有害氣體，不會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。本文對鋁銅兩種金屬的擴(kuò)散連接的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述。

基體材料及前處理

基體材料和中間層材料

◆基體材料純鋁和純銅的物理性能見表1。由表1可知，鋁的密度約為銅的30%，熔點(diǎn)約為銅的60%，室溫比熱容、線膨系數(shù)和電阻率比銅高，熱導(dǎo)率低于銅。在鋁銅擴(kuò)散焊接過程中，可能形成的金屬間化合物包括CuAl，CuAl2，Cu4Al3，Cu5Al3，Cu3Al2，Cu9Al4和Cu3Al等[6]。

◆中間層的選擇

對于力學(xué)，物理和化學(xué)性能不同的材料，采用中間層有助于改善擴(kuò)散焊接頭質(zhì)量。兩種線膨脹系數(shù)不同的材料進(jìn)行擴(kuò)散焊，在焊接件冷卻過程中，焊接區(qū)會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。線膨脹系數(shù)相差越大，殘余應(yīng)力值越大。采用中間層(線膨脹系數(shù)介于兩種材料之間且具有較高的塑性)有利于釋放殘余應(yīng)力。擴(kuò)散形成脆性金屬間化合物會(huì)影響焊接件的整體強(qiáng)度。通過中間層可阻止金屬間化合物層[8]。

表2總結(jié)了文獻(xiàn)報(bào)道的鋁-銅擴(kuò)散焊連接采用的中間層材料，包括Ag、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Cu-Mg-(Zn)合金。Ag中間層可以有效抑制Al和Cu界面生成脆性金屬間化合物相[9]。通過查閱銅和鋁兩種金屬與其余元素的二元相圖可知，銀銅可以形成共晶組織，銀鋁二元體系也有較寬的共晶成分區(qū)間。與此類似，Si也能與Al形成共晶組織。

樣品前處理

擴(kuò)散焊對焊面的狀態(tài)包括幾何狀態(tài)和物理狀態(tài)。幾何狀態(tài)指機(jī)械加工表面曲線；加工表面可分為宏觀幾何(波度)和微觀幾何(粗糙度)。對于理想清潔表面，表面曲線可分解為宏觀曲線(波度曲線)和微觀曲線(粗糙度頻率曲線)。物理狀態(tài)取決于表面層的成分和結(jié)構(gòu)[8]。為增加鋁和銅的接觸面積，需要對表面進(jìn)行磨光或拋光處理。鋁具有較高的化學(xué)活性，鋁與銅易形成脆性金屬間化合物，與氧形成氧化物。焊接過渡區(qū)的金屬間化合物和氧化物導(dǎo)致焊接接頭的強(qiáng)度和沖擊韌性顯著降低，力學(xué)性能的分散性大。在擴(kuò)散焊接前對鋁及鋁合金進(jìn)行表面處理尤其重要。表3對文獻(xiàn)報(bào)道的鋁-銅擴(kuò)散焊的樣品前處理進(jìn)行了總結(jié)。鋁的表面氧化膜可通過NaOH溶液漂洗或者采用鋼絲刷對表面進(jìn)行處理。銅可用硝酸/硫酸進(jìn)行表面酸洗處理。

擴(kuò)散焊工藝選擇的原則

表4對文獻(xiàn)報(bào)道的鋁-銅擴(kuò)散焊采用的工藝進(jìn)行了總結(jié)。

溫度的選擇原則

在其他條件相同的情況下，提高溫度會(huì)增加連接強(qiáng)度。而溫度過高，會(huì)導(dǎo)致晶粒長大，強(qiáng)度降低。李亞江的研究表明，520~540℃是Cu/Al擴(kuò)散焊的最佳焊接溫度[18]。

壓力的選擇原則

加載的作用是壓碎和去除表面氧化膜和污染物、使對焊面彼此靠近、增加接觸和原子相互作用以及激發(fā)后續(xù)的擴(kuò)散與再結(jié)晶。壓力足夠大以彌合焊接面的凸凹不平，以獲得最大的實(shí)際接觸面積。壓力不能導(dǎo)致焊接區(qū)產(chǎn)生宏觀塑性變形。一般選擇焊接溫度下工件的屈服強(qiáng)度。對于鋁和銅的擴(kuò)散焊接，選擇焊接溫度下鋁的屈服強(qiáng)度作為焊接壓力是比較合適的。文獻(xiàn)報(bào)道的鋁-銅擴(kuò)散焊連接的壓力一般不超過20 MPa。

保溫時(shí)間的選擇原則

擴(kuò)散焊接的過程包括氧化膜的凈化和溶解，塑性流變，再結(jié)晶，互擴(kuò)散。這些過程可能同時(shí)進(jìn)行或順序進(jìn)行。擴(kuò)散焊接的速度由最慢的過程決定。隨著時(shí)間的延長，強(qiáng)度、延伸率和沖擊強(qiáng)度都增加了。時(shí)間達(dá)到臨界值后，由于晶粒長大，性能降低。保持時(shí)間一般通過計(jì)算或試錯(cuò)法確定，取決于是否包括中間層。適當(dāng)延長保溫時(shí)間有利于原子的擴(kuò)散、提高接頭抗剪強(qiáng)度[10]。

真空度的選擇原則

計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明，真空度在(1~100)×10–3Pa區(qū)間足以使焊接面潔凈至形成與母材強(qiáng)度相當(dāng)?shù)耐暾附蛹?，需要基于前期的研究基礎(chǔ)和焊接強(qiáng)度分析，根據(jù)材料的性能進(jìn)行選擇[8]。

擴(kuò)散焊樣品性能表征

為了評價(jià)鋁銅擴(kuò)散焊連接的工藝，需要進(jìn)行性能測試以評價(jià)工藝。性能測試內(nèi)容包括接頭處的成分、相結(jié)構(gòu)、組織和力學(xué)性能以及物理性能測試。
成分分析一般采用能譜、電子探針和光譜分析；相結(jié)構(gòu)采用X射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行表征；微觀組織采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行測試。力學(xué)性能測試包括微區(qū)顯微硬度測試、剪切強(qiáng)度測試；物理性能測試包括電阻率測試等。金相組織分析腐蝕劑采用FeCl3鹽酸酒精溶液和氫氟酸溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%)[21]或硝酸銀溶液[12]。

結(jié)束語

鋁銅連接接頭在電子、能源動(dòng)力、交通等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，二者的高質(zhì)量連接是焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于鋁和銅兩種材料熔點(diǎn)差值大、線膨脹系數(shù)差異大，鋁在加熱時(shí)易形成氧化膜難以去除，并且鋁銅之間極易生成復(fù)雜的脆性金屬間化合物，嚴(yán)重影響接頭力學(xué)性能及導(dǎo)電性，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)鋁銅之間的可靠連接是焊接領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。本文對鋁/銅接頭的擴(kuò)散焊連接技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，介紹了鋁/銅擴(kuò)散焊接的材料、前處理過程、中間層的選擇、連接工藝(溫度、壓力、真空度)及性能測試的項(xiàng)目、設(shè)備和方法。

文章來源——金屬世界