铝与铜异种金属的摩擦焊和冷压焊及其焊缝接头显微金相组织和性能的研究

铝与铜异种金属的摩擦焊和冷压焊及其焊缝接头显微金相组织和性能的研究
温立民1,2，刘燕1，杨永强2，卫国强2
1顺特电气有限公司，广东佛山顺德（528300）
2华南理工大学 机械工程学院，广州（510640）
email:wenlmwen@
摘要：本文研究了铝铜异种金属摩擦焊、冷压焊的焊接工艺。

对铝和铜的焊接性能，及摩擦焊和冷压焊的焊接特点进行了分析。

分别用摩擦焊和冷压焊完成了铝铜异种金属对接接头的焊接试验，并对冷压焊的焊接工艺参数的选择进行了试验和分析。

对焊接接头的显微金相组织、接头的抗拉强度、抗弯强度、电阻性能、耐温度变化性能及接头耐高温性能进行了试验和分析。

这些试验和分析的结果，为铝铜异种金属焊接接头在电气产品中的使用，提供了依据。

关键词：摩擦焊；冷压焊；铝铜异种金属焊接；显微金相组织；接头性能
1．引言
目前，市面上的铜价格不断上涨，给电气工程领域的各相关企业带来巨大的成本压力。

部分电气产品或部件用铝代替铜来制造可以降低材料成本。

随着铝铜异种金属焊接技术水平和焊接质量的不断提高，将会使得以铝代替铜的电气产品质量更加安全可靠，因此它的应用会愈来愈广泛，并不断满足用户的使用需要。

铝和铜在电气工程中是重要原材料，在变压器、电抗起、互感器、开关柜等电气产品里，铝和铜被用来制造线圈、出线端子、和电气元件间的连接件等。

目前，国内铜的价格不断上涨，因此，为了降低产品成本，增强企业竞争力，在某些产品上，寻求以铝代铜是许多电气产品制造企业的选择之一。

变压器、电抗器线圈在高电压下工作，承载大电流、温升、电磁振动和短路电动力，所以要求铜铝焊接接头牢固可靠、导电性能良好。

铝与铜异种金属的摩擦焊和冷压焊接，均属于固态焊接方法，它们与熔化焊相比具有焊接时结合面不发生熔化的特点，同时摩擦焊和冷压焊铝铜接头也存在差异，因此研究这两种铝铜异种金属的焊接技术及其焊缝接头性能，为其能够较好地应用到电气产品中，具有重要意义。

1.1 铝与铜的焊接性分析
（1）熔点相差大：工业纯铝的熔点为660℃，导电性很好，仅次于铜。

工业纯铜的熔点为1083℃，具有良好的导电性和导热性。

由于铝和铜的熔点相差很大（423℃），很难同时熔解。

铜和铝在液态无限互溶，而在固态下互溶有限。

（2）易氧化：铝和氧有者很大的化学亲和力，在空气中铝表面上很快地会覆盖一层牢固的致密的氧化膜，防止其继续氧化。

在焊接时，铝生成的Al2O3阻碍了铝与铜的接合，给焊接带来困难。

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（3）易产生裂纹：在焊接时生成低熔点共晶体Al－Al2Cu (548℃)或Cu－Cu2O共晶体（T熔点＝1065℃），使焊缝变脆，再加上铜的膨胀系数大，容易导致焊缝产生裂纹。

（4）易形成气孔：在高温时，铝和铜的液体能够溶解和吸收大量的气体，如氢，冷却时，氢在铝和铜液体的溶解度迅速下降，来不急溢出的氢在焊缝中形成气孔。

从以上铝与铜的焊接性分析中看出，采用熔化焊的方法焊接铝和铜时，需要克服铝和铜的熔点相差大、易氧化、易产生裂纹和气孔等难题，才能获得高质量的焊缝接头。

而采用固态焊接的摩擦焊和冷压焊接时，由于铝和铜的结合面不发生熔化，所以将不产生于熔化和凝固相关的焊接缺陷。

因此相对来说，摩擦焊和冷压焊容易获得质量较高的焊缝接头。

1.2 摩擦焊、冷压焊焊接特点
摩擦焊和冷压焊均属于固态焊接方法，在正常情况下焊接结合面不发生熔化。

摩擦焊融合区组织为锻造组织，在压力和扭矩的力学冶金效应使得接头晶粒细化，组织致密。

不产生与凝固相关的焊接缺陷[1]。

冷压焊时，焊件在强大的外界压力下，工件表面的氧化膜破裂并被塑性流动的金属挤向焊件外部，使纯金属接触，铝铜原子之间的距离逐渐接近，互相渗入，形成原子的混合过渡，直到铝铜内部结合的程度为止。

同时，铝铜的塑性变形使其金属晶格发生滑移和变形，助长了金属中不均匀质点的相互渗入，推动原子互换与扩散。

由于变形硬化作用，使得冷压焊接头的强度一般不低于母材[2]。

2. 焊接试验
2.1 摩擦焊
用Ｃ-4D-L型连续驱动摩擦焊机完成圆铝线和圆铜线的对接。

铝线牌号为L2，铜线牌号为T2。

焊接工艺：
（1）焊前对圆铝线和圆铜线进行退火处理，降低其硬度。

铝线加热到400～450℃，保温1h，铜线加热到600～620℃，保温1h，出炉后均放入水中冷却。

（2）将铝、铜件待焊端面车削平，保证摩擦焊接时两端面有效接触。

焊接部位不许有油污、水等脏物。

(3) 焊接主要参数
摩擦焊通常采用两种焊接规范：一种是高转速，摩擦压力小，摩擦时间长，摩擦加热功率低的弱规范；另一种是转速较低，摩擦压力大，摩擦时间短，摩擦加热功率高的强规范。

弱规范的接头温度分布宽，冷却速度慢。

而强规范的接头温度分布窄，冷却速度快。

铝铜摩擦焊时，选择强规范。

降低接头的摩擦加热温度，使其低于铝－铜共晶点（548℃），合理控制接头的加热温度和加热时间，使铝、铜原子有必要的扩散，形成可靠的接头，又要防止在接头中产生脆性合金层，避免接头脆断[3]。

焊接主要参数见表1。

表1 摩擦焊焊接主要参数
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焊件直径（mm ）
主轴转速 （r/min ） 摩擦压力 （Mpa ） 摩擦时间（s ） 顶锻压力 （Mpa ） 铜伸出 （mm ） 铝伸出 （mm ） 8 600 160 5 420 10 1 (4) 焊后车削去飞边毛刺。

根据实际需要车削成ф5mm 铝铜接头。

2.2 冷压焊
(1) 焊接主要参数及选择
① 由于对接冷压焊时，焊接部位的氧化物等有害杂质，在多次顶锻过程中作为飞边被顶出，因此对接冷压焊工件待焊部位的表面清理没有搭接冷压焊要求那么高，一般清除油污、水等有害杂质既可。

② 塑性变形程度：对接冷压焊的塑性变形程度用总压縮量（L ）表示。

它等于工件伸出长度与顶锻次数的乘积。

L ＝n(l 1+l 2)
式中 l 1，l 2分别为铝和铜每次伸出长度；n 为挤压次数。

足够的总压縮量是保证获得合格接头的关键因素。

用直径ф2.8 mm 铝线和铜线进行焊接。

选择不同的总压縮量，并分别测试其抗拉强度，观测其变化。

总压縮量和接头强度关系测试结果见表2。

总压縮量和接头强度关系曲线见图1。

表2 总压縮量和接头强度关系测试结果 焊件直径（mm） 2.8 总压縮量（mm）10 20 24 30 接头强度（Mpa）51.9
71.5
71.5 71.5 说 明 从焊缝断裂
均在铝线侧断裂
值，再增加总压縮量，对提高接头强度没有帮助，只会多消耗原材料；当总压縮量过小时，接头强度明显降低，并可能出现焊接失败。

因此，对一般圆形工件（直径d ），铝和铜的总压縮量一般各取（3～4）d 。

③ 焊接压力：由于塑性变形产生硬化和模具对金属的约束力，以及工件随变形的进行而被镦粗，使得焊接期末所需的焊接压力比焊接初始时的焊接压力要大许多。

因此，
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选择焊接压力应以焊接期末最大的焊接压力为准。

一般铝铜对焊时，焊接压力大于2000Mpa [4]。

冷压焊焊接主要参数见表3。

表3 冷压焊焊接主要参数
焊件直径（mm ）
焊接压力 （Mpa) 铝线压縮 （mm ） 铜线压縮（mm ） 顶端次数（次） 2.65 2100 9 10 4～5 (2) 焊接过程
用LHJ3型冷压焊机焊接ф2.65 mm 铝线和铜线，焊接工艺过程为：用小刀去除铝线和铜线待焊部位的绝缘材料→根据线径选择焊接磨具→将待焊铝线和铜线分别插入焊机左右钳口并预压紧→将焊机压接手柄连续下压4～5次，将接头压接在一起→取出接头用钳子和锉刀去除焊接飞边和毛刺。

3. 焊接试验结果及分析
3.1 金相显微组织观察和分析
（1）摩擦焊接头金相显微组织情况
① 由图2 (a)看出，焊缝结合面由不规则直线组成，呈折线凹凸不平。

这种形态有利于破坏接头中可能产生的脆性合金薄膜和氧化薄膜，促进铝、铜原子的扩散。

由于铝铜异种金属结合机理比较复杂，在焊接过程中，除了有犁削－粘合－剪切撕裂物理现象外，金属的物理与力学性能、相互间固溶度及金属间化合物等，在结合机理中都会起作用[5]。

机械混合和相互镶嵌对结合也有一定帮助作用。

在图片上未发现明显脆性合金层。

② 由图2 (b)看出，焊缝近缝组织被细化，铝侧金属被扭转变形，这种组织形态比铸造组织要致密许多，因此它的强度和韧性比普通铸造组织要好。

（2）冷压焊接头金相显微组织情况
由图3看出，焊缝组织非常致密，焊缝结合面两侧组织均发生滑移和变形。

这种滑移和变形是在焊接挤压过程中，金属被挤出形成飞边造成。

由于近缝区晶粒组织结构被压
(a)结合面 (b)近缝区
图2 摩擦焊接头显微组织 图3 冷压焊接头显微组织
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縮，变得很致密，因此这部分组织的强度和韧性均得到提高。

3.2 接头抗拉强度测试
接头抗拉强度测结果见表5和图4。

表5 接头抗拉强度测试结果
焊接方法
试样
抗拉强度 （Mpa ）
说明 1﹟
61.6 2﹟
62.9 摩擦焊 3﹟
62.9 1﹟
70.7 2﹟
77.8 冷压焊 3﹟
70.7 均在铝线侧断裂
从表5中看出，铝铜接头抗拉强度测试时，接头强度比纯铝要高，断裂均在铝线侧。

从图4接头抗拉强度曲线中看出，冷压焊接头强度比摩擦焊要稍高一点，冷压焊在焊接时有较强的冷作硬化作用，使接头及近缝区材料的强度得到提高。

3.3 接头抗弯强度
分别将摩擦焊和冷压焊铝铜接头夹在虎钳上，焊缝在钳口上1～2mm 。

用手弯曲90°，再反向弯曲180°，铝铜接头均无开裂，说明摩擦焊和冷压焊铝铜接头的抗弯性能良好。

在电气产品加工过程中，如线圈绕线，常常需要折弯线材，因此要求焊缝接头在折弯时不能产生裂纹等缺陷。

3.4 接头耐温度变化性能试验
分别将摩擦焊、冷压焊铝铜接头试样，进行加热循环，即：室温→加热到155℃→保温5h →降到室温，再加热到155℃，……这样连续加热循环5次后，取出试样做拉伸试验，结果铝铜接头均在铝线侧断裂。

焊缝接头未出现变脆、裂纹等异常情况。

这说明摩擦焊和冷压焊的铝铜接头，在一定温度下的耐温度变化性能较好。

变压器、电抗器等电气产品在使用过程中，由于用电负荷在不断变化，引起变压器、电抗器的线圈温度也在不断变化。

因此要求焊缝接头有较好的耐温度变化性能。

图4 接头抗拉强度曲线
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3.5 接头电阻测试比较
在铝铜接头上，取相同的长度（30mm ），用TG－3960－7感性负载直阻速测欧姆计，分别测量接头（焊缝在正中间，一半铝，一半铜）、纯铜线和纯铝线的室温（20℃）电阻，结果见表6。

从表6看出，摩擦焊和冷压焊的铝铜接头均是：R 铜< R 铝铜接头< R 铝，满足使用要求。

铝铜接头电阻居于纯铜线和纯铝线之间，这样避免了在电气产品中，因为接头电阻过大导致接头温度过高，使绝缘材料加速老化，引起短路事故的发生。

从图5接头电阻变化曲线看出，冷压焊铝铜接头到铝线的曲线变化斜率比摩擦焊大，这表明冷压焊铝铜接头电阻比摩擦焊的铝铜接头电阻要小，冷压焊铝铜接头的电阻性能比摩擦焊要稍好。

表6 铝铜过渡接头电阻测试结果
电阻测量值 铜线 (Ω)
铝铜接头 (Ω)
铝线 (Ω)
摩擦焊 47.5x10-6 58.6x10-6 72.0 x10-6 冷压焊
205x10-6 236x10-6 410 x10-6
3.6 接头耐高温性能试验
（1）在烘炉温度达到200℃，300℃，400℃时，分别把摩擦焊、冷压焊铝铜接头试样，固定铝端，铜端悬空，水平放入炉中进行加热，并保温5小时。

结果所有试件在烘炉中均没有断开，说明摩擦焊、冷压焊铝铜接头在自身重力作用和均匀加热的情况下，耐高温性能尚可。

但焊接接头的脆性增加。

将摩擦焊和冷压焊铝铜接头试样在330℃退火处理，保温
3h 后随炉冷却，把试样做弯曲试验，结果摩擦焊接头试样在弯曲角10°处断裂；冷压焊接头试样在先弯曲 90°，再反向弯曲180°处断裂。

这说明冷压焊铝铜接头比摩擦焊铝铜接头的耐高温性能要好。

（2）摩擦焊、冷压焊铝铜接头试样经过高温加热并保温5小时处理后，接头脆性增加
图5 接头电阻变化曲线
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的原因是由于在高温下铝铜原子扩散形成金属间化合物层并不断加厚，使接头韧性降低造成的。

由图6冷压焊铝铜接头经不同温度处理后的金相显微组织看出：随着加热温度的提高，金属间化合物层不断加厚，由室温的几个微米增加到500℃的20～25μm 。

由图7， 摩擦焊铝铜接头室温和经400℃处理后的金相显微组织比较看出：经400℃加热的铝铜接头的金属间化合物层厚度和室温的相比，明显增厚。

图6 冷压焊铝铜接头经不同温度处理后的金相显微组织
（a ）室温 (b) 200℃，5h (c) 300℃,5h
(d) 400℃,5h (e) 500℃,5h
（b ）400℃,5h （a ）室温 图7 摩擦焊铝铜接头室温和经400℃处理后的金相显微组织比较
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4. 结论
(1) 摩擦焊、冷压焊铝铜接头的抗拉强度、抗弯强度和导电性能良好。

接头抗拉强度比纯铝要高；接头电阻比纯铝要小。

(2) 在温度155℃以内，摩擦焊、冷压焊铝铜接头耐温度变化性能良好，经过5次温度变化循环，焊缝接头未出现变脆、裂纹等异常情况，接头强度也未发生异常变化。

（3）摩擦焊、冷压焊铝铜接头在自身重力作用和均匀加热的情况下，耐高温性能尚可，在温度400℃以内，保温5h 不会自行断裂。

但焊接接头的脆性增加。

（4）从摩擦焊接头金相显微组织图看出：焊缝结合面由不规则直线组成，呈折线凹凸不平。

这种形态有利于破坏接头中可能产生的脆性合金薄膜和氧化薄膜，促进铝、铜原子的扩散。

焊缝近缝组织被细化，铝侧金属被扭转变形，这种组织形态比铸造组织要致密许多，因此它的强度和韧性比普通铸造组织要好。

（5）从冷压焊接头金相显微组织图看出：焊缝组织非常致密，焊缝结合面两侧组织均发生滑移和变形。

这种滑移和变形是在焊接挤压过程中，金属被挤出形成飞边造成。

由于近缝区晶粒组织结构被压縮，变得很致密，因此这部分组织的强度和韧性均得到提高。

（6）由冷压焊、摩擦焊铝铜接头经不同温度处理后的金相显微组织看出：随着加热温度的提高，接头金属间化合物层不断加厚，造成接头韧性降低、脆性增加。

参考文献
[1] 甘肃工业大学沈世瑶.焊接方法及设备（第三分册）电渣焊与特种焊[M].北京：机械工业出版社，1983. [2] 李亚娟，王娟，刘鹏.特种焊接技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2004. [3] 李亚江，王娟，刘强.有色金属焊接及应用[M].北京：化学工业出版社，2006.
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Research on the FW and the CPW for dissimilar metals of
aluminium and copper and microstructure and the
performance of the welded joints
LiMin WEN 1,2
LIU Yan 1
YongQiang YANG 2
GuoQiang WEI 2
1
Sunten Electric Co.,Ltd.Guandong Fusan Sunde (528300) 2
Institue of Mechanical Engineering ，South China University of Technology, Guangzhou (510641)
Abstract:
This paper studies the process of the fiction welding and the cold pressure welding for dissimilar of metals of aluminium and copper. The weldability of aluminium and copper and the welding characteristic of fiction welding and cold pressure welding have been analyzed. The welded joints of dissimilar metals of aluminium and copper , had been welded by the fiction welding and the cold pressure welding.The adjustment of welding parameters by cold pressure welding was tested and analyzed.The microstructure, tensile strength, bending strength, the resistance performance, and the
resistance performance at high temperature of welded joint have been tested and a nalysed.These tests and the analyses will provide the basis for using the welded joint of the fiction welding and the cold pressure welding in the electric products.
Key words：Fiction welding; Cold pressure welding; Dissimilar metals of aluminium and copper weld; Microstructure ;Performance of the welded joint
温立民：男。

1959年生。

IIW国际焊接工程师。

华南理工大学在读工程硕士研究生。

主要研究方向是铝铜异种金属焊接工艺。

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