铜钨异种金属活性TIG点焊工艺与性能分析的学习体会

文献概况与研究背景

本文出自兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，发表于《稀有金属材料与工程》2019年第48卷第3期。铜和钨作为典型的异种金属，二者在物理化学性质上存在巨大差异——钨的熔点高达3422℃，而铜的熔点仅为1083℃；钨的导热系数约为173 W/(m·K)，而铜高达390 W/(m·K)以上。这种悬殊的物理性能差异使得铜钨异种金属的焊接连接成为工程中的难题，尤其在电接触材料、真空电子器件、大功率电子封装等领域对铜钨连接接头的需求日益增长。传统焊接方法如电子束焊、爆炸焊虽然可以实现铜钨连接，但设备投资大、工艺窗口窄、接头尺寸受限。活性钨极惰性气体保护焊（A-TIG）作为一种成本较低、设备相对简单的焊接方法，其工艺可行性和接头质量值得深入研究。

核心工艺参数与实验设计

作者采用TIG焊接方法对铜钨异种金属进行搭接点焊，设置了涂覆SiO₂活性剂与未涂覆SiO₂两种对照实验。活性TIG焊接的核心原理在于活性剂（如SiO₂、TiO₂等）在高温下降低电弧斑点区域的表面张力，使熔池液面下凹，从而改善熔池流动性和电弧稳定性。SiO₂作为活性剂，其在电弧高温下分解为SiO和O₂，氧元素的引入显著降低了液态金属的表面张力，使得电弧能量更集中于熔池中心区域，增大了熔深。

从焊接冶金角度分析，铜钨异种金属焊接面临的主要挑战包括：熔池温度梯度极大导致的偏析与裂纹倾向、界面处金属互扩散形成的脆性相、以及冷却过程中因热膨胀系数差异产生的残余应力。铜的热膨胀系数约为17×10⁻⁶/℃，而钨仅为4.5×10⁻⁶/℃，这种差异在接头冷却过程中会产生显著的残余拉应力，容易导致界面开裂。

焊点形貌与缺陷分析

未涂覆SiO₂的焊点特征

未涂覆活性剂的焊点呈凸起状且形状不规则，界面结合处存在较多孔洞缺陷。这一现象可从以下机理进行解释：在常规TIG焊接条件下，熔池表面张力较大，液态金属在表面张力作用下倾向于向熔池边缘扩散，导致熔池中心区域金属液补充不足。同时，由于铜的流动性远优于钨，熔池中铜液向钨侧流动，造成钨侧金属液覆盖不足，形成空洞和未熔合缺陷。此外，铜钨界面处局部温度梯度大，气体逸出通道受阻，容易形成气孔。

涂覆SiO₂后的改善效果

涂覆SiO₂后，焊点中心出现圆形凹坑，界面处孔洞等缺陷显著减少。凹坑的形成是活性TIG焊接的典型特征——活性剂降低熔池表面张力后，熔池液面在电弧压力和电磁力的作用下下凹，形成所谓的"熔池凹陷效应"。这种凹陷形态使得电弧能量更加集中，提高了热输入效率，促进了铜钨界面的充分熔合。界面处孔洞的减少则归因于熔池流动性改善后气体逸出通道更加通畅，同时更均匀的热输入减少了局部过冷和凝固裂纹倾向。

界面微观组织与扩散行为

作者指出接头界面处均发生了铜钨的互扩散，涂覆SiO₂的试件比未涂覆的界面更加致密。从金属学角度分析，铜钨之间不存在中间相形成（二者在二元相图中为有限固溶度系统），但高温焊接条件下仍会发生显著的原子互扩散。铜原子向钨侧扩散，钨原子向铜侧扩散，形成具有一定宽度的扩散层。扩散层的形成虽然改善了界面结合强度，但过宽的扩散层可能引入脆性。

活性剂SiO₂的加入可能通过以下机制改善界面质量：第一，降低熔池表面张力使得铜钨熔池界面更加平整，减少了偏析；第二，氧元素的微量引入可能形成氧化物夹杂，起到异质形核核心作用，细化晶粒；第三，更均匀的热输入减少了界面处温度梯度的不均匀性，降低了凝固裂纹倾向。

接头力学性能与断裂分析

相同焊接电流条件下，涂覆SiO₂的接头拉力比未涂覆的高，且接头断裂位置明显不同。这一结果具有重要的工程指导意义。未涂覆活性剂的接头断裂位置通常在界面附近，说明界面结合强度是接头的薄弱环节；而涂覆活性剂后断裂位置向铜侧母材偏移，表明界面结合强度已接近或超过铜侧母材的强度。

从焊接接头强度设计角度考虑，理想的异种金属接头断裂应发生在母材而非界面，这说明界面结合质量已达到工程要求。拉力试验结果验证了活性TIG焊接在铜钨异种金属连接中的工艺可行性，为后续工程化应用提供了实验依据。

工程实践思考与启示

在工程实践中，铜钨异种金属焊接接头广泛应用于大功率电子器件的散热基板、真空电子管阴极、核聚变装置第一壁材料等领域。这些应用场景对接头的导电性、导热性、抗热冲击性和抗辐照稳定性均有严格要求。活性TIG焊接作为一种低成本、高效率的连接方法，其工艺优化方向应重点关注以下几点：

第一，活性剂的选择与涂覆工艺需要进一步优化，包括活性剂粒径、涂覆厚度、涂覆均匀性等参数的系统化研究。第二，焊接工艺参数（电流、电压、焊接速度、保护气体流量）与活性剂配方的耦合关系需要建立数学模型，实现工艺参数的精确控制。第三，接头在服役工况下的长期性能（如热循环疲劳、辐照损伤、腐蚀行为）需要开展系统评估。第四，从质量控制角度，需要建立针对铜钨活性TIG焊接接头的无损检测方法和质量评价体系。

总结

本文通过系统的实验研究，揭示了SiO₂活性剂对铜钨异种金属TIG点焊接头质量的影响规律，证明了活性TIG焊接方法在铜钨连接中的技术可行性。活性剂的引入通过降低熔池表面张力、改善熔池流动性、促进界面充分熔合等机制，显著提高了接头质量。这一研究成果为铜钨异种金属连接提供了一种经济实用的焊接方案，对电接触材料和电子封装领域的工程应用具有重要的参考价值。