銅-鋁異種金屬搭接間隙及激光焊接參數對性能影響研究*

楊科林

(陜西理工大學，陜西 漢中 723000)

0 引 言

日益嚴重的能源短缺和環境污染問題，新能源汽車已經逐漸取代傳統的燃油汽車成為新型出行交通工具，各個國家已經相繼出臺燃油汽車禁售時間[1]。目前世界上新能源汽車最常用的是電動汽車，因其優良的續航、零污染排放、良好的穩定性等優點逐漸廣泛應用于各個交通領域。動力電池作為新能源汽車的核心部件，其技術影響并制約了新能源汽車的發展。目前動力電池導電極柱常用的是鋁材，電池導電排用的是銅材，這兩種金屬材質之間的連接，因此采用激光將兩種金屬焊接在一起，不僅提高了加工效率，同時也保證了合格的載流量[2-3]。

由于銅鋁異種金屬之間存在著較大的物理性能差異，銅材的導熱率、導電率、熔點等都高于鋁材。因此在銅鋁異種合金焊接時，銅材的導熱率較大、熱傳導速度較快，在焊接過程中，同等溫度下，鋁材已經融化后，銅材還未達到熔點[4]。在銅-鋁異種金屬激光焊接實驗時，將銅板置于鋁板的上方，因為銅材的熔點要高于鋁材的熔點，在焊接過程中，銅材首先受到激光作用受熱熔化，然后將熱量傳導至下部的鋁材，當銅鋁都融化后，兩種材料更好的融合在一起，形成有效的焊接熔池。

筆者針對銅-鋁異種金屬激光焊接實驗，采用控制變量法分別研究焊接功率、焊接速度、焊接頻率等對焊接性能的影響因素，得出不同焊接參數對性能的影響規律，為以后銅-鋁異種金屬激光焊接提供實驗依據。

1 不同寬度搭接間隙對焊接質量的影響試驗

在實際生產過程中，由于金屬板材的變形或者裝夾不到位等影響因素，會造成銅鋁兩塊板材之間的接觸不是緊密的貼合在一起，兩塊板材可能之間存在接觸縫隙，由于這種縫隙的存在，導致在焊接過程中，會對焊接質量有一定的影響，產生焊接缺陷等現象。因此對銅鋁之間間隙對激光焊接質量影響關系進行實驗研究，測試在相同焊接功率的條件下，通過人為的設置不同寬度的搭接間隙，對板材進行激光焊接，并用拉力機測試試件焊接后的抗拉強度，研究其是否滿足相應的力學條件。

此次實驗中采用6106系鋁板和銅質導電排，鋁板厚度為1.5 mm，導電排厚度為2 mm表面鍍鋅(其中焊接區域為1.5 mm)。通過在兩塊板材之間墊不同厚度的墊片設置不同寬度的間隙，間隙寬度d分別為0.1 mm、0.2 mm、0.3mm、0.4 mm、0.5 mm。實驗中選用IPG激光器，采用擺動圓圈焊接方式，其焊接功率為5 000 W，焊接速度為80 mm/s，焊接頻率為200 Hz，焊接實驗樣品如圖1所示。

圖1 搭接間隙激光焊接實驗樣品

焊接完成后，觀察5塊實驗樣品，所有的樣品表面焊接質量較好，焊接面無殘渣、焊孔等焊接缺陷。分別對5塊樣品進行拉力實驗測試，通過觀察分析可得，在間隙寬度0.5 mm以內，銅-鋁板材之間的間隙寬度對銅鋁激光焊接效果的影響不大，剪切拉力效果均能滿足焊接的技術要求，不影響材料的使用。

2 不同焊接參數對焊接質量的影響研究

在焊接過程中，不同的激光焊接參數對焊接質量的影響也不同，通過控制變量法，調試不同焊接功率、焊接速度、焊接頻率等參數，測試其焊接后式樣的抗拉強度，得出最優的焊接參數，對銅鋁激光焊接研究有著重要的意義。

2.1 焊接功率對焊接質量的影響

焊接功率作為焊接參數中的一個重要參數，焊接功率是激光器激光的發射功率，直接影響激光的焊接效果，如果在焊接過程中功率過小，則焊接區域溫度達不到，不能夠形成有效的熔池，對異種金屬材料進行焊接；如果焊接功率過大，則在焊接過程中，容易將材料熔化過多，將板材焊接穿透，形成通孔等缺陷。

因此，設置焊接速度V=100 mm/s，焊接頻率為100 Hz，鏡頭擺幅為0.5，設置不同的焊接功率分別為4 500 W、4 800 W、5 000 W、5 300 W，觀察四個實驗樣品，測試焊接效果，并進行拉力實驗，如圖2所示。

圖2 不同焊接功率實驗樣品

觀察焊接效果，四個試樣均焊接效果良好，表面沒有出現炸孔、焊通等焊接明顯缺陷，在拉力機下對其進行拉伸破壞測試，觀察破壞后的斷面效果,如圖3所示。

圖3 不同焊接功率拉伸破壞實驗樣品

對于A1、A2、A3、A4四塊焊接實驗樣品，觀察熔池破壞形狀，得出在其他焊接參數相同的條件下，焊接功率越大，焊接效果越好，但是對于鋁板均未焊接透，熔融效果不是很理想，可以適當繼續增大焊接功率，提高激光焊接的焊接效果。

2.2 焊接速度對焊接質量的影響

焊接速度為焊接過程中焊接頭的移動速度，焊接速度的快慢直接影響了產品的焊接質量和生產效率，尤其是對生產效率的影響最為關鍵，如果焊接速度不能夠有效的提高，直接會導致整條生產線的產能輸出。因此，研究激光的焊接速度對激光焊接有著極為重要的意義。

實驗設置焊接功率為F=5 300 W，焊接頻率為100 Hz，鏡頭擺幅為0.5，設置不同的焊接速度分別為90 mm/s、100 mm/s、110 mm/s、120 mm/s，觀察四個實驗樣品，并進行拉力實驗，如圖4所示。

觀察四個試樣均焊接效果良好，試件表面沒有出現炸孔、焊通等焊接明顯缺陷，在拉力機下對其進行拉伸破壞測試，觀察破壞后的斷面效果,如圖5所示。

圖5 不同焊接速度拉伸破壞樣品

通過觀察B1、B2、B3、B4四塊焊接實驗樣品，得出在其他焊接參數相同的條件下，焊接速度在90～120 mm/s區間內，焊接速度對銅鋁板材的焊接效果的影響不是很大，均能形成一定量的熔池；在B3試樣中出現部分區域為形成有效的焊接熔池，分析情況可能是在焊接過程中，兩塊板材之間的搭接間隙超過0.5 mm所致，導致焊接效果不理想的情況。

2.3 焊接頻率對焊接質量的影響

激光焊接頻率是指激光器在一秒內能打出多少個脈沖的能力，對于非密封焊接，焊接速度不變情況下，激光焊接頻率降低，焊接點之間重疊率就降低，相對焊縫表面會比較粗糙。一般來說，重疊率越大，焊縫越光滑，但焊接速度也相應降低。當激光脈沖頻率超過一定值時，重疊率過大，超過材料的焊接極限，容易焊穿或出現焊渣。

實驗設置焊接功率為F=5300 W，焊接速度為V=100 mm/s，鏡頭擺幅為0.5，設置不同的焊接頻率分別為80 Hz、100 Hz、120 Hz、140 Hz，觀察四個實驗樣品，并進行拉力實驗，如圖6所示。

圖6 不同焊接頻率實驗樣品

觀察焊接效果，四個試樣均焊接效果良好，表面沒有出現炸孔、焊通等焊接明顯缺陷，在拉力機下對其進行拉伸破壞測試，觀察破壞后的斷面效果。

圖7 不同焊接頻率拉伸破壞實驗樣品

通過觀察C1、C2、C3、C4四塊焊接實驗樣品，得出在其他焊接參數相同的條件下，焊接頻率越高，焊接效果越差；在焊接頻率P=80 Hz時，焊接熔融效果最好。

3 結 語

(1) 通過預置不同的銅-鋁金屬板材搭接間隙，測試在相同焊接功率的條件下，焊接間隙對激光焊機性能的影響規律，得出銅-鋁金屬板材搭接間隙在0.5 mm以內，如果焊接參數合適的情況下，間隙的寬度對銅鋁激光焊接的影響不大，拉力效果可以滿足焊接的技術要求，不影響焊接材料的使用。

(2) 采用控制變量法分別對焊接功率、焊接速度、焊接頻率等進行實驗，得出不同焊接參數對性能的影響規律。在其他焊接參數相同的條件下，激光器的焊接功率越大，焊接效果越好。

(3) 在其他焊接參數相同的條件下，焊接速度在90～120 mm/s區間內，焊接速度對銅鋁板材的焊接效果的影響不是很大，均能形成一定量的有效熔池。

(4)在其他焊接參數相同的條件下，焊接頻率越高，焊接效果越差；在焊接頻率P=80 Hz時，焊接熔融效果最好。