跨越材料界限：静轴肩焊接推动铝-铜复合应用新发展

随着中国“十四五”规划的推进，铝合金和铜作为重要的战略资源，采用铝-铜复合结构替代单一材料成为制造业的新趋势。

尤其在新能源汽车领域，铝-铜异种连接技术的开发尤为重要（如图1所示）。通过在非关键散热位置使用轻质铝合金，可以实现轻量化，同时保持良好的散热性能。但是铜和铝的熔点、热导率和热膨胀系数差异较大，这使得焊接过程中难以控制温度，容易导致焊缝缺陷。在焊接过程中，铜和铝可能形成脆性相，如铜铝化合物，导致焊缝强度下降，降低焊接接头的耐用性。搅拌摩擦焊是一种具有巨大发展潜力的固相焊接技术，具有焊接变形小、焊接应力低、接头质量高等优势，非常适合用来连接异种材料。

【图1】铜铝焊接产品示意

动轴肩FSW铜铝焊接不足：

目前，在搅拌摩擦焊领域中使用动轴肩焊接铝-铜较多，但仍然存在以下几点不足：

1.铝、铜界面受到搅拌头轴肩的挤压，导致搅拌头轴肩部位粘料严重，在焊接过程中受到的阻力变大，从而导致焊缝表面容易出现沟槽等，FSW中容易出现缺陷（如图2所示）；

2.由于搅拌头轴肩粘料严重，在进行铝、铜长焊缝焊接时有着明显的劣势无法满足长焊缝的需求；

3.在进行批量生产时，由于搅拌头粘料在每焊完一小段焊缝之后都需要铣一次搅拌头，清除轴肩部位多余粘料。从而导致生产效率低下，无法满足生产需求。

【图2】动轴肩焊缝表面

世佳博科技集团成功将静轴肩FSW技术应用于铜铝异种复合材料的连接，展现了技术创新的力量。这项技术涵盖对接焊和搭接焊（如图3所示），其中对接焊的焊接深度可达2~5mm，而搭接焊则达到2~6mm。这一突破不仅为异种材料的连接提供了全新的解决方案，还为制造业的可持续发展注入了新的活力，标志着在材料科学与工程技术融合方面的重大进展，为未来的工业应用开辟了广阔的前景。

【图3】 a对接焊，b搭接焊

静轴肩焊接铜铝优势：

与动轴肩相比，使用静轴肩进行铜铝焊接具有显著优势：

1.热量控制：静轴肩能有效减少焊缝表面的热量，从而抑制铜铝系金属间化合物的生成，并降低搅拌头的粘料现象；

2.焊接飞边减少：焊接飞边显著减少（如图4），焊缝表面未产生飞边，降低了后续打磨的时间，提升了生产效率。

【图4】a动轴肩，b静轴肩

3.混合均匀性：焊缝横截面显示铜铝的混合更加均匀（如图5），在使用静轴肩焊接时Z轴的压力值也更为稳定。

【图5】a动轴肩，b静轴肩

静轴肩焊接铜铝性能检测：

以压铸铜铝合金为例进行焊缝性能检测，结果如图6所示。最大拉伸力达4900N，最大抗拉强度为214MPa。从图6a中可以看出，断裂位置位于焊缝外区域，这表明使用静轴肩焊接铜铝的拉伸性能已接近母材水平，满足了制造行业的要求。

【图6】 a拉伸断裂位置示意 / b抗拉强度柱状图

铜铝焊接技术在新能源汽车领域的应用，不仅展示了材料科学与制造工艺的深度融合，也积极响应了“十四五”规划对轻量化和高效能的追求。通过铝-铜复合结构，不仅实现了卓越的性能优化，还促进了资源的高效利用。世佳博在这一领域开辟了新的方向，目前多个铜铝静轴肩FSW焊接项目正在稳步推进中。