59、铝铜异种金属激光焊接技术解析

铝铜异种金属激光焊接技术解析

1. 铝铜焊接研究背景与现状

在现代工业技术飞速发展的背景下，采用异种合金结构能有效利用不同材料的优势特性，降低结构制造成本并保证高性能。铝 - 铜异种金属接头凭借其出色的机械性能、高导电性和导热性，在电气、化工和制冷等行业展现出广泛的应用潜力。

目前，铝和铜的连接方式主要有熔焊、钎焊和压焊。然而，这些传统方法存在诸多问题：
- 熔焊 ：由于铜和铝熔点差异大，易出现不完全熔合和杂质，且在界面处会形成具有大电阻的脆性金属间化合物。同时，铜的线性膨胀系数比铝大 1.5 倍，凝固过程中易产生裂纹，增加了焊接难度。
- 钎焊 ：在两种金属界面易产生 CuAl₂、Cu₂Al 和 Cu₃Al₂ 等脆性相，降低钎缝的强度和塑性。为去除致密的氧化铝膜，需使用腐蚀性钎剂，吸湿后会导致钎缝严重腐蚀并造成环境污染。
- 压焊 ：需要专门的焊接设备和复杂的工艺，限制了其应用范围。

激光焊接具有低热量输入、能量输入和作用部位精确可控等优点，能减少或消除金属物理性质差异和金属间化合物的影响，成为铝 - 铜连接的可行方法。以下是不同焊接方法的对比表格：
|焊接方法|优点|缺点|
| ---- | ---- | ---- |
|熔焊|可实现牢固连接|易出现不完全熔合、杂质，产生脆性金属间化合物和裂纹|
|钎焊|操作相对简单|易产生脆性相，需使用腐蚀性钎剂|
|压焊|连接强度较高|设备和工艺复杂|
|激光焊接|低热量输入，精确可控|对设备和工艺要求较高|

2. 激光焊接实验情况

• 实验材料 ：选用含铝量至少 99.6% 的 1060 铝合金和含铜量至少 99.9% 的轧制纯铜 T2，板材尺寸为 100mm×50mm，厚度 3mm。其化学成分如下表所示：
  |材料|Si|Fe|Cu|Mn|Mg|Zn|Ti|Others|Al/Cu|
  | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
  |1060|0.25|0.4|0.05|0.05|0.05|0.05|0.03|0.03|>99.5|
  |T2|0.005|0.002| - | - | - | - | - | - |≥99.9|
• 实验设备 ：采用 4kW 的 Yb:YAG 圆盘激光器（DS040HQ，德国罗芬），光束质量 BPP 小于 10mm mrad，通过 200μm 直径的光纤传输，经 200mm 长度的准直器和 300mm 焦距的透镜，聚焦直径约 310μm。
• 实验过程 ：激光束聚焦在铝侧，利用小孔效应熔化铝，液态铝渗入铜界面形成接头。根据铝 - 铜界面铜的熔化量，可得到三种不同的焊接接头：激光熔焊（LF 接头）、激光深熔钎 - 熔焊（LPB - F 接头）和激光深熔钎焊（LPB 接头）。具体实验参数如下表：
  |焊接参数|LF 接头|LPB - F 接头|LPB 接头|
  | ---- | ---- | ---- | ---- |
  |激光功率（W）|3500|3500|3000|
  |焊接速度（m/min）|1|2|2|
  |光束偏移至 Al/Cu 界面距离|0.4|0.4|0.4|

由于铜和铝易氧化，焊接样品采用双层喷嘴保护，前部内层为氦气，外层为氩气，后部用氩气保护装置。焊接后，将样品垂直于焊接方向切割进行金相分析，铝和焊接金属用凯勒试剂（1ml HF、1.5ml HCl、2.5ml HNO₃ 和 95ml H₂O 溶液）蚀刻，铜用 5g FeCl₃、25ml HNO₃、70ml H₂O 溶液蚀刻。使用奥林巴斯 GX51 光学显微镜（OM）和奥林巴斯 CLS3100 共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）检查焊缝横截面，用 Micromet 5103 显微硬度计和 MTS810.22 材料测试系统测量接头的力学性能，用 FEI Quanta 200 扫描电子显微镜（SEM）分析试样的断口形貌。

实验过程的流程图如下：

graph LR
    A[准备材料] --> B[打磨清洁材料表面]
    B --> C[设置激光焊接设备参数]
    C --> D[进行激光焊接实验]
    D --> E[切割样品进行金相分析]
    E --> F[蚀刻样品]
    F --> G[显微镜检查焊缝横截面]
    G --> H[测量力学性能]
    H --> I[分析断口形貌]

3. 接头形成特征分析

根据铝 - 铜界面铜的熔化量，得到三种不同特征的焊接接头：
- LF 接头 ：铜基体完全熔化，原始界面不明显。激光能量高，界面上部的铜大部分熔化，下部的铜在熔池搅拌下部分熔化。
- LPB - F 接头 ：界面上下部的铜熔化情况与 LF 接头相似，但接头中部保留了原始界面。液态铝合金与固态铜相互作用形成熔钎焊接头。
- LPB 接头 ：原始界面无明显熔化，可能是由于焊接速度较高或光束与界面偏移较大，作用在 Al - Cu 界面的能量相对较低。除与液态铝合金直接接触的部分外，铜通过热传导熔化的量很少，原始界面大部分得以保留。

三种焊接接头在铝侧呈现相似的形态，即上下区域焊缝较宽，中心区域较窄，这是典型的激光深熔焊接特征。原因是中心区域激光能量相对较低，且从铝基体快速散热，冷却凝固最快；而上下区域主要通过空气传导散热，散热和冷却相对较慢。

4. 接头的显微硬度分布

LF 接头、LPB - F 接头和 LPB 接头的维氏显微硬度测试结果显示：
- LF 接头 ：显微硬度显著高于 LPB - F 和 LPB 接头。焊缝金属的显微硬度高于两种母材，这是因为存在非常细小的晶粒和高硬度的金属间化合物。
- LPB - F 接头 ：接头的显微硬度高于铝和铜母材，但平均显微硬度低于 LF 接头。接头中存在细小的晶粒，过渡层有少量金属间化合物，界面附近存在硬区。
- LPB 接头 ：界面处铜的熔化量很少，微观结构主要由 α(Al) 组成，因此显微硬度相对较低。同时，由于激光焊接过程中的快速加热和冷却，接头中的晶粒细小，熔合区的显微硬度高于铝母材，低于铜母材。

不同接头的显微硬度分布可以用以下表格概括：
|接头类型|与母材显微硬度比较|原因|
| ---- | ---- | ---- |
|LF 接头|高于母材|存在细小晶粒和高硬度金属间化合物|
|LPB - F 接头|高于母材，低于 LF 接头|有细小晶粒和少量金属间化合物|
|LPB 接头|相对较低|主要由 α(Al) 组成|

铝铜异种金属激光焊接技术解析

5. 接头的力学性能

铜的熔化量对激光深熔钎焊铝 - 铜接头的力学性能有很大影响。以下是 LF、LPB - F 和 LPB 接头的拉伸强度和断口形貌分析：
- LF 接头 ：拉伸强度约为 79MPa，断口表面不均匀且随机分布，呈现明显的脆性断裂特征。
- LPB - F 接头 ：最大拉伸强度可达 94.5MPa，接近 1060 铝合金的强度。断裂发生在铝母材侧或过渡层，断口形貌呈现解理和沿晶断裂的多重特征。在断口表面，可在不同高度的平行解理面上观察到解理台阶，同时在沿晶断裂和解理面之间存在一些相对光滑的平台，表现出明显的脆性断裂特征。过渡层与熔合区其他位置之间的硬度梯度产生的应力集中，以及界面处出现的脆性金属间化合物 Al₂Cu，导致在拉伸试验中产生裂纹并形成断裂。
- LPB 接头 ：拉伸强度最低，约为 52MPa。断裂发生在金属间化合物层和共晶层的结合位置，断口形貌无明显凹凸，在不同高度的平行解理面上存在解理台阶，也表现出脆性断裂特征。

不同接头力学性能的对比表格如下：
|接头类型|拉伸强度（MPa）|断裂位置|断裂特征|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|LF 接头|约 79| - |明显脆性断裂|
|LPB - F 接头|最高达 94.5|Al 母材侧或过渡层|解理和沿晶断裂多重特征，脆性断裂|
|LPB 接头|约 52|金属间化合物层和共晶层结合位置|脆性断裂|

接头力学性能受微观结构影响，不同接头微观结构的差异导致了力学性能的不同。

6. 总结与启示

通过激光焊接，根据铝 - 铜界面铜的熔化量，获得了三种不同特征的焊接接头：激光熔焊（LF 接头）、激光深熔钎 - 熔焊（LPB - F 接头）和激光深熔钎焊（LPB 接头）。铜基体的熔化量对接头的力学性能有很大影响，三种接头的拉伸强度分别为 79MPa、94.5MPa 和 52MPa，LPB - F 接头的拉伸强度最高，接近 1060 铝合金的强度。LPB - F 接头的断裂发生在铝基体或过渡层，呈现明显的脆性断裂特征。

在实际应用中，如果需要较高的接头强度，可以优先考虑 LPB - F 接头，但要注意控制过渡层和熔合区的硬度梯度，减少应力集中。对于对强度要求不高，但对原始界面保留有需求的情况，可以选择 LPB 接头。而 LF 接头虽然焊缝金属硬度高，但由于其脆性较大，在一些对韧性要求较高的场合应用可能受限。

整个铝铜异种金属激光焊接过程的关键要点总结流程图如下：

graph LR
    A[实验准备] --> B[焊接实验]
    B --> C[接头形成]
    C --> D{接头类型}
    D --> |LF 接头| E[完全熔化铜基体]
    D --> |LPB - F 接头| F[部分保留原始界面]
    D --> |LPB 接头| G[基本保留原始界面]
    E --> H[高硬度, 脆性大]
    F --> I[高强度, 接近铝合金]
    G --> J[低强度, 保留界面]
    H --> K[特定应用受限]
    I --> L[优先考虑高要求应用]
    J --> M[适用于低强度需求]

综上所述，铝铜异种金属激光焊接技术为铝 - 铜连接提供了多种选择，通过合理控制焊接参数和铜的熔化量，可以获得满足不同需求的焊接接头。在未来的工业应用中，进一步优化焊接工艺，降低接头的脆性，提高接头的综合性能，将是该技术发展的重要方向。