铝/铜异种金属熔钎焊研究现状

徐文虎; 杨瑾; 肖明; 彭铭建; 赵一璇; 刘红兵; 陆汉龙

铝/铜异种金属熔钎焊研究现状

1.
上海工程技术大学材料工程学院，上海 201620
2.
上海龙烁焊材有限公司，上海 201908

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51805315)；上海工程技术大学人才行动计划资助项目(2018RC45)

详细信息

作者简介:
徐文虎（1998−），男，在读硕士，研究方向为异种材料连接. E-mail：1130194286@qq.com

通讯作者:
杨　瑾（1987−），男，副教授，博士，研究方向为异种材料连接、激光焊接和超快激光微纳制造等. E-mail：jyang@sues.edu.cn

中图分类号: TG457
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2021-05-26
- 刊出日期: 2021-09-30

Research status of dissimilar welding-brazing of aluminum to copper

1.
School of Materials Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China
2.
Shanghai Longshuo Welding Material Co., Ltd., Shanghai 201908, China

摘要

摘要: 由于铝合金和铜异种金属之间的物化性能差异较大，铝合金具有强氧化性等因素，铝/铜异种金属连接是焊接领域的研究难点. 综述近年来铝/铜异种金属熔钎焊的研究现状，介绍了铝合金和铜异种金属的焊接性，评述了铝/铜异种金属电弧和激光熔钎焊的研究进展，讨论了铝/铜异种金属熔钎焊仍然存在的共性问题；通过采用合适的焊接工艺配合合金元素调控是解决铝/钢异种金属熔钎焊问题的关键，并对该领域的研究发展进行展望和评述.
- 铝铜异种金属 /
- 电弧熔钎焊 /
- 激光熔钎焊 /
- 合金化 /
- 力学性能
Abstract: Due to the great difference in physical and chemical properties between aluminum alloy and copper dissimilar metals, the strong oxidation property of aluminum alloy and other factors, it has become a difficult point in the welding field of dissimilar metals joining. The research status of aluminum/copper dissimilar metal welding-brazing in recent years and weldability of aluminum and copper dissimilar metal were reviewed, common problems of the aluminum/copper dissimilar metal welding-brazing were discussed. Appropriate welding process with adjustment of alloy elements is the key to solve the problem of aluminum/steel dissimilar metal welding and brazing, and the research and development in this field are prospected and reviewed.
- aluminum-copper dissimilar metals /
- arc welding-brazing /
- laser welding-brazing /
- alloying /
- mechanical property

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图 1 Al-Cu二元相图

Figure 1. Al-Cu binary phase diagram

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图 2 激光−冷金属过渡焊接复合熔钎焊示意图^[32]

Figure 2. Schematic diagram of laser-gold metal transfer welding composite welding-brazing^[32]

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图 3 TIG电流对钎料与母材润湿角的影响^[49]

Figure 3. Influence of TIG current on wetting angle between filler metal and base metal^[49]

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图 4 CMT示意图

Figure 4. Schematic diagram of CMT

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图 5 焊接区的组织^[52]

Figure 5. Structure of welding zone^[52]

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图 6 镀镍层的截面厚度、镀层的形态和焊接接头的显微组织^[53]

Figure 6. Cross section thickness of nickel plating layer, morphology of coating and microstructure of welded joint^[53]

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图 7 焊缝结合区硬度分布图^[54]

Figure 7. Hardness distribution diagram of weld bonding zone^[54]

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图 8 MIG熔钎焊基本原理及实物^[56]

Figure 8. Basic principle and real object of MIC welding brazing^[56]

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图 9 脉冲旁路耦合电弧熔钎焊不同填充焊丝下接头焊缝中心区微观组织^[59]

Figure 9. Microstructure of center area of joint weld under different filler wires in pulsed bypass coupled arc welding-brazing^[59]

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图 10 脉冲旁路耦合电弧熔钎焊不同填充焊丝下接头电导率随焊接电流变化情况^[59]

Figure 10. Variation of joint conductivity with welding current under different filler wires in pulsed bypass coupled arc welding-brazing^[59]

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图 11 经过400 ℃热处理的接头SEM图像^[61]

Figure 11. SEM images of joint after 400 ℃ heat treatment^[61]

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图 12 焊缝横截面^[62]

Figure 12. Cross section of weld seam^[62]

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图 13 焊缝横截面^[64]

Figure 13. Cross section of weld seam^[64]

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图 14 铜侧焊缝区组织形貌^[66]

Figure 14. Microstructure morphology of copper side weld area^[66]

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图 15 填充材料的Cu-Al焊缝断口区域的SEM显微图^[67]

Figure 15. SEM micrograph of Cu-Al weld fracture area without filler material^[67]

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表 1 Al和Cu的物理性能参数^[6]

Table 1. Physical property parameters of Al and Cu^[6]

材料	铝	铜
点阵类型	面心立方	面心立方
熔点T_m/ ℃	660	1084
密度ρ / (g·cm⁻³)	2.70	8.96
比热容c / (W·m⁻¹·K⁻¹)	917	386
热导率λ / (W·m⁻¹·K⁻¹)	238	397
热膨胀系数q / K⁻¹	2.38×10⁻⁶	1.20
电阻率ρ / (Ω·m)	2.65×10⁻⁸	1.68

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表 2 铝/铜异种金属熔钎焊研究（铝硅焊丝）

Table 2. Study on welding-brazing of aluminum and copper dissimilar metals (Al-Si filler metal)

母材	厚度/mm	焊接工艺	填充金属	焊接参数	接头性能	参考文献
5052铝合金 H62黄铜	铜：1 mm 铝：2 mm	TIG搭接 (铝上)	1.6 mm Al-12%Si 药芯焊丝	焊接电流：90~130 A 焊接速度：120 mm / min 送丝速度：80 mm / min	IMCs层：CuAl₂，Cu₉Al₄，CuZn 硬度（HV）：<100 拉剪强度：0.920 kN 断裂形式：解理断裂	[48]
6061铝合金 T2紫铜	铜：1 mm 铝：1 mm	CMT对接/搭接 (铝上、铜上)	1.2 mm ER4043焊丝	焊接速度：6 mm / min 送丝速度：520~590 mm / min（对接） 650~740 mm / min（铜上） 480~600 mm / min（铝上）	IMCs层：CuAl，CuAl₂，α-Al 拉剪强度：0.88 kN (对接) 154 N / mm (铜上) 195 N / mm（铝上）断裂形式：解理断裂	[52]
1060铝合金镀镍T2紫铜	铜：2 mm 铝：2 mm	CMT搭接 (铝上)	1.2 mm ER4043焊丝	焊接电流：110 A 焊接电压：13.5 V 焊接速度：750 mm / min	IMCs层：Cu_3.8Ni，Al₃Ni₂ 拉剪强度：70.77 MPa 断裂形式：解理断裂	[53]
1060铝合金 T2紫铜	铜：2 mm 铝：2 mm	CMT搭接 (铝上)	1.2 mm ER4043焊丝 1.2 mm ER4047焊丝	焊接电流：110 A 焊接速度：750 mm / min 纯氩保护气流量：20 L / min 焊枪倾角：45°	IMCs层：α-Al，CuAl₂ 硬度（HV）：470 （ER4043） 170~180 （ER4047）	[54]
5A06铝合金 T2紫铜	铜：1.5 mm 铝：1.5 mm	DE-MPAW搭接（铝上）	1.2 mm ER4047焊丝	焊接电流：45 A 旁路电流：0 A 焊接速度：90 mm / min 送丝速度：32 mm / min 离子气流量：0.6 L / min	IMCs层：CuAl，CuAl₂，Cu₉Al₄ 硬度（HV）：436 拉剪强度：0.69 kN 断裂形式：脆性断裂	[56]
5052铝合金 T2紫铜	铜：2 mm 铝：1 mm	DE-GMAW 搭接（铝上）	1.2 mm ER4047焊丝	焊接电流：15~65 A 旁路电流：25 A 脉冲频率：80 Hz 焊接速度：30 mm / min	IIMCs层：CuAl₂，α-Al 拉剪强度：168 MPa 断裂形式：解理断裂	[57]
1060铝合金 T2紫铜	铜：2 mm 铝：2 mm	DE-GMAW 搭接（铝上）	1.2 mm ER4043焊丝 1.2 mm ER4047焊丝	焊接电流:35 A 旁路电流：25 A 脉冲频率：80 Hz 焊接速度：30 mm / min	IMCs层：CuAl₂，α-Al，Si相拉剪强度： 158 MPa (ER4043) 161 MPa （ER4047）硬度（HV）：444	[58-60]
1060铝合金 T2紫铜	铜：2 mm 铝：2 mm	DE-GMAW 搭接（铝上）	1.2 mm ER4043焊丝 1.2 mm ER4047焊丝	焊接电流：35 A 旁路电流：25 A 脉冲频率：80 Hz 焊接速度：30 mm / min	IMCs 层：CuAl， Cu₄Al₃， CuAl₂， Cu₃A_l2，Cu₉Al₄	[61]

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表 3 铝/铜异种金属熔钎焊研究（锌铝焊丝）

Table 3. Study on welding-brazing of aluminum and copper dissimilar metals (Zn-Al filler metal)

母材	厚度/mm	焊接工艺	填充金属	焊接参数	接头性能	参考文献
5052铝合金 H62黄铜	铜：1 mm 铝：2 mm	TIG搭接 (铝上)	1.6 mm Zn-2%Al 药芯焊丝	焊接电流：90~130 A 焊接速度：120 mm / min 送丝速度：80 mm / min	IMCs层： CuAl₂，CuAl，Cu₉Al₄，CuZn 硬度（HV）：270 拉剪强度：1.917 kN 断裂形式：解理断裂	[47-48]
纯铜纯铝	铜：2 mm 铝：2 mm	TIG搭接 (铝上)	2 mm Zn-5%Al 药芯焊丝	焊接电流：60~80 A 焊接电压：30 V 焊接速度：150 mm / min 送丝速度：240 mm / min	IMCs层：CuAl₂ 拉剪强度：90 MPa 断裂形式：解理断裂	[49]
2A16铝合金 T2紫铜	铜：1 mm 铝：1 mm	TIG搭接 (铝上)	2 mm Zn-5%Al 药芯焊丝	焊接电流：60~105 A 焊接速度：35，62，85 mm / min	IMCs层：CuZn₄，Zn基固溶体，Al基固溶体拉剪强度：240 MPa 断裂形式：解理断裂	[51]
LY16铝合金 T2紫铜	铜：2 mm 铝：2 mm	激光对接	2 mm Zn-5%Al 药芯焊丝	激光功率：1800~2600 W 焊接速度：500~1300 mm / min	IMCs层：CuAl，CuZn₄, α-Al，β-Zn 拉剪强度：274 MPa 断裂形式：解理断裂	[66]

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表 4 铝/铜异种金属熔钎焊研究（其他填充金属）

Table 4. Study on welding-brazing of aluminum and copper dissimilar metals (other filler metal)

母材	厚度/mm	焊接工艺	填充金属	焊接参数	接头性能	参考文献
1060铝合金 T2紫铜	铜：3 mm 铝：3 mm	激光搭接（铝上）	无	激光功率：3500 W 焊接速度：2000 mm / min 光斑向铝侧偏移0.4 mm	IMCs层： CuAl₂，Cu₃Al₂ 拉剪强度：101 MPa 断裂形式：解理断裂	[62]
1050A铝合金 SF-Cu紫铜	铜：200 μm 铝：210 μm	激光搭接（铝上）	无	激光功率：400 W 焊接速度：3 mm / min 焦点直径：31 μm 波长：1070 nm 脉冲时间：32 μs 扫描频率：500 Hz	IMCs层：CuAl₂，Cu₉Al₄ 拉剪强度：121 MPa	[63-65]
1060铝合金 T2紫铜	铜：2 mm 铝：2 mm	DE-GMAW 搭接（铝上）	1.2 mm ER1100焊丝 1.2 mm ER5356焊丝	焊接电流：35 A 旁路电流：25 A 脉冲频率:80 Hz 焊接速度：30 mm / min 纯氩保护气流量：20 L / min 旁路纯氩保护气流量：5 L / min 焊枪倾角：45°	IMCs层：CuAl₂，α-Al 拉剪强度：112 MPa (ER5356) 硬度（HV）：444	[59-60]
1060铝合金 T2紫铜	铜：2 mm 铝：2 mm	DE-GMAW 搭接（铝上）	1.2 mm ER1100焊丝	焊接电流:35 A 旁路电流：25 A 脉冲频率：80 Hz 焊接速度：30 mm / min 纯氩保护气流量：20 L / min 旁路纯氩保护气流量：5 L / min 焊枪倾角：45°	IMCs层：CuAl，Cu₄Al₃， CuAl₂，Cu₃Al₂，Cu₉Al₄	[61]
1060铝合金 T2紫铜	铜：1 mm 铝：1 mm	CMT搭接(铝上)	1.2 mm ER2319焊丝 1.2 mm AlCu5焊丝	焊接电流：80~102 A 焊接速度：900-1500 mm / min 纯氩保护气流量：15 L / min 焊枪倾角：90°	IMCs层：α-Al，CuAl，CuAl₂， Cu₃Al₂，Cu₉Al₄	[55]
1060铝合金 T2紫铜	铜：2 mm 铝：2 mm	CMT搭接(铝上)	1.2 mm S301焊丝	焊接电流：110 A 焊接速度：750 mm / min 纯氩保护气流量：20 L / min 焊枪倾角：45°	IMCs层：α-Al，CuAl₂ 硬度（HV）：470	[54]
纯铜纯铝	铜：1 mm 铝：1 mm	激光对接	1.6 mm CuSi3焊丝	纯氩保护气流量：5 L / min 波长:1064 nm	硬度（HV）：800 （0.5 N ) 弯曲变形：0.28±0.06 mm	[67]
3003铝合金 110紫铜	铜：0.54 mm 铝：0.49 mm	激光搭接（铝上）	100 μm Sn–Ag–Ti	激光功率：500 W 焦点直径：10 μm 焦距：100 mm	IMCs层：CuAl，Cu₉Al₄，CuAl₂ 拉剪强度：0.78 kN 断裂形式：解理断裂	[68]

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