综述：异种 Cu/Al 接头的焊接技术与微观组织调控

《Crystals》：Welding Techniques and Microstructural Control for Dissimilar Cu/Al Joints Dong Jin, Juan Pu, Xiaohui Shi, Xiangping Xu, Zhaoqi Zhang and Fei Long

　　

铜（Cu）与铝（Al）的焊接在轻量化与低成本制造中具有很高需求。然而，该过程面临显著挑战。首先，二者物理性能差异显著，可能导致较高残余应力与变形。其次，脆性金属间化合物（Intermetallic Compounds, IMCs）易于在界面形成，严重削弱接头的力学性能与导电性。第三，Al表面的天然氧化膜会阻碍有效润湿与结合。因此，对焊接接头界面微观组织的有效调控至关重要。该综述对若干典型焊接技术进行了批判性分析与比较，包括激光焊（Laser Welding, LW）、搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）、超声焊（Ultrasonic Welding, UW）、钎焊与软钎焊，以及焊-钎复合连接（welding–brazing）。这些分析聚焦于各工艺特征、接头微观组织及其相应形成机制。此外，综述归纳了提升接头质量的关键策略，包括工艺参数优化、功能中间层引入以及外场辅助，旨在优化接头微观组织并最小化缺陷。基于上述分析，该研究为工艺选择与微观组织调控提供了对比性认识，并指出未来发展方向：推进磁脉冲焊与瞬时液相连接（Transient Liquid Phase Bonding, TLP Bonding）等新方法；发展智能化实时过程控制以抑制脆性 IMCs 及相关缺陷；推动可持续实践并建立标准化性能评价体系；系统研究长期服役可靠性，以支撑高稳健性 Cu/Al 接头的工业应用。

1. Introduction

文章首先阐明异种 Cu/Al 焊接的工程背景与科学意义。随着航空航天、汽车、电力电子与新能源领域对轻量化、高性能和低成本制造需求的提升，异种金属连接的重要性持续增强。Cu 具有优异导电与导热性能，但密度与成本较高；Al 及其合金虽导电导热性能约为 Cu 的 60%，但密度仅约为其 30%，且资源丰富、成本较低。因此，高质量 Cu/Al 连接可兼顾 Cu 的功能优势与 Al 的轻质低成本优势，具有明显应用前景。文中进一步指出，Cu/Al 接头面临三方面核心难题：其一，熔点、热导率、热膨胀系数与晶体结构差异显著，易引发热应力、残余应力和变形；其二，界面易形成 θ（CuAl₂）、η₂（CuAl）、ζ₂（Cu₄Al₃）、δ（Cu₃Al₂）和 γ₁（Cu₉Al₄）等脆性金属间化合物（IMCs），导致强度与导电性下降；其三，Al 表面致密氧化铝膜阻碍润湿与冶金结合。研究人员据此强调，界面 IMCs 的形成、厚度与形貌控制是实现可靠接头的关键，并以 l² = Kt 的抛物线规律说明 IMC 生长受时间与温度控制。最后，本节说明全文将围绕主流焊接方法、对应微观组织及质量提升策略展开系统综述。

2. Welding Techniques and Microstructure of Dissimilar Cu/Al Joints

2.1. Laser Welding (LW)

2.1.1. Fundamentals of Laser Welding (LW)

本节介绍激光焊（LW）的基本原理与适用特点。LW 依靠材料吸收激光能量形成局部熔池，经原子扩散、快速冷却和凝固后形成接头。其特点是能量密度高、热影响区（Heat-Affected Zone, HAZ）小、焊接速度快、精度高、易于自动化和远距离加工。与传统电弧焊相比，LW 能显著减小热输入和焊接变形，从而在一定程度上抑制 Cu/Al 界面脆性 IMCs 的过度生长。但由于 Cu 与 Al 对近红外激光反射率高、吸收率低，且高能量密度易诱发气孔和裂纹，因此 LW 在 Cu/Al 异种连接中仍面临较高工艺敏感性。

2.1.2. Microstructure of Laser-Welded Dissimilar Cu/Al Joints

该节从 IMC 形成、气孔形成和裂纹形成三方面总结激光焊 Cu/Al 接头的微观组织特征。激光焊接头通常由 α-Al 固溶体、Al-Cu 共晶区、Cu-Al IMCs 区和 β-Cu 固溶体组成。靠近 Al 侧区域常由枝晶状 θ（CuAl₂）及蠕虫状 Al-Cu 共晶构成；当 Cu 与 Al 混合充分时，还会形成柱状 η₂（CuAl）相；Cu 侧则可出现少量 ζ₂（Cu₄Al₃）与 γ₁（Cu₉Al₄）等硬脆相。研究人员指出，适度 IMC 厚度有利于接头强度，但当厚度超过约 2.5 μm 后强度快速下降，超过约 5 μm 时脆化显著。气孔方面，Cu 与 Al 熔点、比热容、热导率及热膨胀系数差异导致匙孔不稳定、塌陷回填不足及气体卷入，从而形成不同类型孔隙。裂纹方面，异步凝固、快速热循环以及晶界处 IMCs 累积会削弱晶界结合强度并诱发沿晶裂纹扩展。总体上，LW 接头的宏观性能取决于 IMCs 的类型、形貌、分布与厚度，以及孔隙和裂纹等缺陷控制水平。

2.2. Friction Stir Welding (FSW)

2.2.1. Fundamentals of Friction Stir Welding (FSW)

本节指出，搅拌摩擦焊（FSW）是一种固相连接技术，通过搅拌头的旋转、下压、驻留与前进实现热-力耦合作用，在材料未熔化条件下完成连接。与熔化焊相比，FSW 可在低于母材熔点温度下抑制脆性 IMCs 的过度形成，并避免烧穿、凝固裂纹、偏析和气孔等典型液相焊缺陷。对于 Cu/Al 接头，FSW 还能通过强烈机械搅拌破碎 Al 表面氧化膜，促进清洁界面形成。文中将接头划分为搅拌区（Stir Zone, SZ）、热机械影响区（Thermomechanically Affected Zone, TMAZ）、热影响区（HAZ）和母材区（Base Metal, BM），并强调 Cu/Al 物理性能差异会造成热流场与材料流动的不对称，进而影响组织演化与接头均匀性。

2.2.2. Intermetallic Compound Formation in Cu/Al FSW

该节重点讨论 FSW 过程中 Cu/Al 界面 IMCs 的形成机制。研究人员指出，搅拌针在热-力耦合作用下会使 Cu 从块体中剥离、破碎并以颗粒形式分散进入 Al 基体，形成复合材料样组织；同时，界面原子在高温和剧烈塑性变形下发生扩散反应，形成纳米至微米尺度的 IMC 层。典型相组成从 Al 侧到 Cu 侧通常依次为 CuAl₂、CuAl 和 Cu₉Al₄。由于 Cu 原子扩散速率高于 Al，Cu₉Al₄/Cu 界面附近易形成 Kirkendall 孔洞。IMC 层厚度遵循时间平方根规律，并随焊接温度升高而增厚。工具转速、焊接速度及搅拌头几何形状决定热输入与材料流动状态，从而显著影响 IMCs 的种类、体积分数、分布与厚度。

2.2.3. Microstructure of Friction Stir Butt Welded Dissimilar Cu/Al Joints

对于对接接头，文中指出 SZ 内形成典型复合样组织：Cu 颗粒分散于连续 Al 基体中，并伴有明显层状或带状结构。该结构源于搅拌工具对 Cu 的剥离、细化与卷入。界面处同时形成薄层 IMCs，主要包括 CuAl₂、CuAl 和 Cu₉Al₄，实现 Cu 与 Al 的冶金结合。金相上，SZ 可区分为变形 Al 的亮区、变形 Cu 的灰区及 Cu/Al 混合的黑区。透射电镜分析表明，SZ 内位错密度高，说明该区经历了强烈塑性变形并保留变形组织特征。

2.2.4. Microstructure of Friction Stir Lap Welded Dissimilar Cu/Al Joints

对于搭接接头，研究中通常采用 Al 在上、Cu 在下的布置，以便更好控制热输入并抑制界面 IMC 过度生长。SZ 可分为上部富 Al 区和下部富 Cu 区，Cu 在搅拌作用下被拖曳进入 Al-rich 区并形成互锁结构，从而增强机械咬合。SZ 中发生动态再结晶形成等轴细晶，TMAZ 中则为部分再结晶与残余变形组织，HAZ 出现热致晶粒长大。随着焊接速度降低，扩散和反应时间增加，IMC 形成趋于增强。该节强调，FSLW 接头质量取决于热输入、材料流动、互锁几何以及 IMC 分布的协同优化。

2.3. Ultrasonic Welding (UW)

2.3.1. Fundamentals of Ultrasonic Welding (UW)

本节介绍超声焊（UW）作为一种固相连接方法，主要依靠高频机械振动与静压力在搭接界面产生剪切摩擦、局部升温与塑性流动，从而破碎氧化膜并实现原子扩散和微连接形成。UW 热输入极低、热影响区小、变形和残余应力小，无需填充金属和保护气体，特别适用于 Cu 与 Al 等高导电有色金属薄板、箔材和线材连接。但其适用厚度范围有限，且界面结合机理尚未完全统一。研究人员认为，合理参数可促进塑性流动与冶金结合，而参数失配则可能导致过厚脆性 IMC 层形成。

2.3.2. Microstructure of Ultrasonically Welded Dissimilar Cu/Al Joints

文中总结了 UW 接头的宏观与微观特征。宏观上，接头表面表现为焊头和砧座压痕引起的塑性变形，Al 侧因硬度较低通常变形更明显。微观上，界面组织对热输入极为敏感：低热输入条件下，界面可能不形成连续 IMC 层，而出现约 10 nm 厚的非晶/纳米晶过渡层及明显机械互锁；适中热输入下，可形成以 CuAl₂ 和 Cu₉Al₄ 为主的连续 IMC 层；热输入过高时，则可能出现局部共晶反应和树枝晶组织。与此同时，UW 过程中的热-力耦合作用还会引起 Al 侧织构由轧制织构向压缩织构、再向剪切织构演化，并在较长焊接时间下发生动态再结晶。该节强调，UW 接头性能受焊接时间、振幅、压力和焊头形状共同控制。

2.4. Brazing and Soldering

2.4.1. Fundamentals of Brazing and Soldering

该节指出，钎焊与软钎焊通过低于母材熔点的填充金属完成润湿、铺展、毛细填充与凝固，实现 Cu/Al 冶金连接。由于母材不熔化，工艺温度较低，变形和残余应力较小，适应复杂结构并适于多工位生产。对于 Cu/Al 连接，常用填充材料包括 Sn-Zn、Zn-Al 以及 Al-Si 体系。由于 Cu 与 Al 热力学上易形成多种 IMCs，界面反应层控制成为接头设计核心，相关优化主要依靠外场辅助、填料成分设计和中间层引入。

2.4.2. Microstructure of Brazed and Soldered Dissimilar Cu/Al Joints

研究人员按填料体系归纳了典型界面组织。Sn-Zn 体系中，Cu 侧常形成连续 Al_4.2Cu_3.2Zn_0.7 反应层，而 Al 侧因 Sn 对 Al 润湿性较差，仅形成薄而不连续的 Al-Zn 固溶层，故 Al 侧往往成为薄弱部位。Zn-Al 体系中，Cu 侧组织对冷却速度和 Al 含量敏感：快速冷却及较低 Al 含量有利于抑制 CuAl₂、CuAl、Cu₉Al₄ 等硬脆相，促进 α-Cu 固溶体及较薄界面层形成；Al 侧主要为 α-Al 固溶体，焊缝中心多为 Zn-Al 共晶。Al-Si 体系中，Cu 侧易出现层片状 Cu₉Al₄ 和块状 CuAl₂，而 Al 侧及焊缝中主要为 α-Al 及三元共晶。该节总体强调，不同填料决定了界面 IMC 类型、形貌和断裂位置，进而决定接头强度与服役可靠性。

2.5. Welding–Brazing

2.5.1. Fundamentals of Welding–Brazing

本节将焊-钎复合连接定义为介于熔焊和钎焊之间的异种连接工艺：低熔点侧母材部分熔化并与填充金属形成熔焊缝，高熔点侧母材保持固态，仅在表面发生润湿、铺展和扩散反应，最终形成一侧熔焊、一侧钎焊的复合结构。对于热物性差异显著的 Cu/Al，焊-钎复合连接可在保证结合强度的同时，降低高熔点侧过度熔化及厚脆性 IMC 层形成风险，常见形式包括 TIG 焊-钎、激光焊-钎及冷金属过渡（Cold Metal Transfer, CMT）焊-钎。

2.5.2. Microstructure of Welded–Brazed Dissimilar Cu/Al Joints

该节总结了不同焊-钎工艺下的组织特征。Al 侧因熔化而形成典型凝固组织，如枝晶和共晶；Cu 侧则通过界面扩散反应形成 IMC 层。TIG 焊-钎条件下，Cu 侧可形成多层 IMCs，从 Al 侧到 Cu 侧依次出现较厚 CuAl₂ 以及较薄 CuAl、Cu₄Al₃ 和 Cu₉Al₄；Al 侧则以 α-Al + CuAl₂ 共晶为主。激光焊-钎中，填充金属成分对 Cu 侧界面反应层影响显著，Zn-Al 填料因可抑制 CuAl₂ 形成而获得更优力学性能。CMT 焊-钎则借助低热输入实现较薄连续界面层，在较低热输入时以 CuAl₂ 为主，热输入升高后会出现针状 Cu₃Al₂ 与层状 Cu₉Al₄，并伴随微裂纹。总体而言，该类工艺的核心在于精确控制热循环，以抑制界面硬脆 IMCs 过度增厚。

3. Strategies for Enhancing Cu/Al Dissimilar Joint Quality

本章系统归纳了提升 Cu/Al 接头质量的总体策略。对于 LW，重点在于调控激光功率、焊接速度、光斑直径、搭接构型和输出模式，并结合 Ni、Ag、Sn 等中间层或 Sn 基、Al-Si、Cu-Si 等填充材料，实现熔池行为调控和 IMC 抑制。对于 FSW，重点通过搅拌头几何、材料布置、转速、焊速、倾角、偏置及中间层设计调控热输入和塑性流动，并发展超声辅助、激光辅助与水下 FSW 等先进工艺以降低 IMC 厚度。对于 UW，优化焊接时间、振幅、压力与焊头几何是核心，同时可采用 Zn 箔、Cu 箔或颗粒中间层，以及电流辅助、热辅助和焊后热处理来改善界面组织。对于钎焊/软钎焊，研究重点在于超声辅助、半固态辅助等新工艺以及填料合金化和表面镀层中间层设计。对于焊-钎复合连接，则主要依靠低热输入热源、填料成分优化及中间层引入来抑制界面 IMC 生长。全文共同强调，所有工艺的本质目标均在于通过热输入调控、成分设计和界面工程，实现薄而均匀的 IMC 层、稳定冶金结合以及较低缺陷率。

4. Summary

文章总结认为，不同焊接技术由于热过程和连接机理差异，会产生显著不同的 Cu/Al 接头微观组织，但高质量连接的共同前提均是对界面 IMCs 的精确调控。适宜的组织应兼顾可靠冶金结合、有限且均匀的 IMC 厚度、较少孔裂缺陷以及有利的力学和电学性能。

5. Conclusions and Outlooks

结论部分指出，LW 与焊-钎复合连接因能量密度高，易形成较厚连续 IMC 层；FSW 与 UW 通过固相塑性变形实现连接，更有利于控制 IMC 厚度并形成机械互锁；钎焊与软钎焊则高度依赖填料设计与界面活性调节。未来发展方向包括：开发磁脉冲焊、瞬时液相连接等新工艺；建立实时监测与反馈控制的智能焊接系统；发展环保型填料和低能耗工艺；建立统一标准化评价体系；并系统开展疲劳、蠕变与电偶腐蚀等长期可靠性研究，以推进 Cu/Al 异种接头的工业化应用。