铜与不锈钢焊接技术与工艺研究现状
安明宇但斌袁威杰刘梓儒李玉祥董文轩
摘要：铜与不锈钢的合金结构件广泛应用于石油化学、空调冷凝、航空航天和汽车零部件等中高端工业领域，存在着广阔地展现出极高的实用价值和应用潜力。由于铜与不锈钢物理化学性质差异较大，使得两者之间的焊接相当困难，文章通过分析铜与不锈钢的焊接性，综述了各种焊接方法及其原理，分析了各种焊接缺陷以及解决办法，并指出当前领域内的研究热点与难点。同时，文章还将展望铜与不锈钢异种金属焊接技术的未来发展趋势，以期推动该领域的持续进步。
关键词：铜/不锈钢异种金属焊接发展趋势应用前景
随着科技发展，新型工业对焊接结构件要求提高，单种金属材料难以满足，因此采用异种材料焊接结构，结合不同材料的性能优势。紫铜因导热性好、导电性强、耐腐蚀且易塑形，广泛应用于电子电气设备和复杂零件制作。不锈钢具有耐腐蚀、耐高温、易加工、环保卫生等特点，成为工程材料的重要选择。紫铜和不锈钢组成的异种金属焊接结构，兼具紫铜的导热、导电和延展性与不锈钢的耐腐蚀性，广泛应用于多个领域。[1，2]这种结构不仅结合了两种材料的优势，还节省材料、降低成本，满足不同领域的需求。铜与不锈钢复合结构对中国的经济发展意义深远，因此对两者的焊接研究正逐渐凸显其重要性。铜与不锈钢的物理化学性质差异较大，焊接困难，传统熔化焊因熔点差异难以实现可靠连接，接头处还存在较大的残余应力。学者们基于铜与不锈钢的焊接方法进行了一些研究，本文综述了各种焊接方法及其原理，分析了各种焊接缺陷以及解决办法，并指出了当前研究热点与难点。同时，本文还将展望铜与不锈钢异种金属焊接技术的未来发展趋势，以推动该领域的持续进步。
1焊接性分析
异种金属焊接是将不同材料的金属进行连接的过程，涉及不同的物理和冶金特性，需要特别注意焊接接头的质量和性能。紫铜与奥氏体不锈钢之间的焊接是异种金属连接的一种，两者物理性质差异显著，两种金属的熔点差异超过400℃，增加了焊接难度。为确保焊接接头质量，需考虑金属的物理性能、化学成分及所选的焊接方法和工艺。综合考虑这些因素，有望获得满足要求的焊接接头。
1.1物理性能差异
由于铜与不锈钢的导热系数差异较大。在进行焊接时，热量迅速从加热区传导至外部，使熔合区难以达到熔化温度，从而填充金属与母材之间的熔合变得不充分，容易出现焊不透的现象。铜的导热能力较强，在冷却凝固过程中，其变形量相对较大。与此同时，焊接接头的刚度较高，使得焊接变形受到阻碍，进而产生较大的焊接应力。并促使焊接裂纹的产生，关于铜与不锈钢的物理性能，详细数据如表1所示。
1.2化学成分分析
化学元素的相互溶解度受其晶体点阵类型、原子尺寸及晶格常数差异影响。在高温下，Fe与Cu晶体结构为面心立方，原子半径和晶格常数相近，使钢与铜在焊接过程中相容性好。然而，铜与钢焊接时由于容易产生低熔点共晶，降低了晶间结合力，导致焊缝金属塑性韧性显著下降。
通过对铜与不锈钢进行可焊性分析表明：选择合适的焊接参数与填充材料、预热、精准地控制温度和冷却速度等来提高焊接接头的强度和可靠性，确保焊接质量和性能，在铜和不锈钢焊接性的研究具有重要的理论意义，方便进一步选择铜与钢的焊接方法和技术，具有相当重要的工程应用前景。
压力焊是通过施加一定的压力，达到金属间结合的一种连接方式，主要包括爆炸焊，搅拌摩擦焊，扩散焊，热等压扩散连接等方式。
2.1爆炸焊
爆炸焊利用炸药爆炸产生的冲击波和射流，使金属材料发生碰撞并产生塑性变形，形成牢固连接。该方法焊接速度快，金属不受热，连接稳固，焊接面积可调。经过发展，广泛应用于异种金属焊接。姜超[3]等人采用此工艺焊接紫铜与不锈钢，获得波状界面，结合强度高，显微硬度提升。微观示意图如图1所示，力学性能测试显示韧性断裂，接头质量高。AhmetD[4]等研究爆炸焊连接铜与钢，发现优质接头，界面无金属间化合物。随爆炸比率和焊件距离增加，界面由光滑变为波浪形，拉剪和弯曲试验后仍保持连接。退火处理后界面发生扩散，获得无缺陷接头。
研究表明，爆炸焊可设置合理焊接参数与板位置，形成高质量焊缝，适用于铜不锈钢焊接。但仅适用于小型工件，需特殊设备和较高成本，产生冲击波和噪音，污染环境。过程复杂，需精确控制爆炸装置和焊接参数，以保证焊接质量稳定。
2.2搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊是一种金属连接技术，利用摩擦热和塑性变形热使金属软化，并通过搅拌针的高速旋转和进给运动填充空腔，形成锻造组织的焊缝。完成焊接后，搅拌针回抽，形成匙孔，能可靠连接熔化焊接性能较差的金属。此过程在低于材料熔点温度下进行，有效避免了熔化焊接的潜在缺陷[5]。学者刘鸽平[6]研究了铜与不锈钢的焊缝特点，发现搅拌头旋转速度与焊缝表面氧化程度成正比，而焊接速度增加会使缺陷更严重。因此，需要合理控制搅拌头旋