銅鋁異種金屬激光焊接頭形貌及性能研究

王文明，劉蘭勝，程根健，薛金磊

（柳州五菱汽車工業有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

銅鋁異種金屬連接在軟包動力電池制造中應用廣泛。銅的密度相較于鋁比較大且價格貴，于是，人們開始探索在一定程度上用鋁代替銅作為軟包動力電池的金屬材料，這樣不僅降低了制造成本，而且能夠減輕汽車自重[1-3]。然而，銅和鋁的物理化學性質存在很大差異，導致銅與鋁異種金屬之間的焊接性非常差[4]。

目前，激光焊接已廣泛應用于各類金屬材料，與傳統焊接方法相比有許多優點，比如：熱輸入小、能量密度高、焊接速度快和熱影響區窄等特點[5]。特別是高能量密度的聚焦光束，使得其可以熔化大多數金屬材料，并且能夠克服由于異種金屬熱導率不同帶來的熔化問題，這使得激光焊接在解決異種金屬的焊接具有明顯優勢。

本課題研究了銅鋁異種金屬激光穿透焊時，主要工藝參數激光功率、焊接速度、光斑直徑、焦距等對焊縫成形的影響規律，并以焊接接頭的剪切力為目標對工藝參數進行了優化。因為焊接速度直接決定焊縫總熱輸出入量和單位長度的線能量密度，因此主要研究了焊接速度對焊縫的影響，通過對銅鋁異種金屬激光焊接力學性能進行測試和分析，獲得不同焊接速度條件下銅鋁接頭焊縫形貌特征尺寸和變化規律。

本課題開展銅鋁異種金屬激光穩定研究，對于弄清異種金屬激光焊接形成原理具有重要的理論意義及實際應用價值。

1 實驗材料及方法

本實驗采用銅在上鋁在下激光搭接焊，焊接材料為工業純鋁1060 和紫銅（T2），銅式樣尺寸規格為45 mm× 30 mm × 0.6 mm，鋁試樣尺寸規格為60 mm ×32 mm × 3 mm，焊縫尺寸規格：40 mm × 0.5 mm（圖1）。激光焊接之前用2000 目砂紙對工件表面進行打磨，去除表面氧化膜和油污等，然后用酒精洗凈并吹干，不僅增加了焊接區域的清潔度，而且減少了銅表面對激光的反射率。

圖1 銅鋁焊接示意圖

實驗設備主要有德國羅芬（ROFIN）RF-02C-C型單膜激光器，出射頭為德國SCANLAB 振鏡和發那科（FANUC）機器人[6-7]，使用自制專用夾具進行焊接；激光器最大功率為2500 W，光纖芯徑為20 μm。

本實驗焊接參數的設定是以能夠焊透1.2 mm 的總體厚度為標準[8]，在預實驗的基礎上，結合焊縫外觀與剪切力情況，確定焊接功率為1275 W，激光光束直徑0.4 mm 等參數，采用99.999%的氬氣作為保護氣體，通過控制變量法來研究熱輸入量對焊縫組織形貌和力學性能的影響；并以焊接接頭的剪切力為主要指標優化出最佳的焊接工藝參數。實驗采用的工藝參數共5 組見表1。

表1 實驗采用的工藝參數

焊后沿工件橫截面進行切樣、打磨和拋光，試樣采用keller 試劑進行腐蝕[9]，銅鋁焊縫用光學顯微鏡對焊縫橫截面進行分析，并用DNS10 萬能電子試驗機對焊縫的剪切力進行分析。本實驗在無特殊說明的情況下，離焦量均為0，wobble 速度為640 mm/s，焊縫長度為28 mm。

2 實驗結果與分析

2.1 焊接接頭的宏觀形貌

在激光功率、保護氣體流量、焦距和光斑直徑一定的情況下，只改變焊接速度，通過觀察焊縫的宏觀形貌來研究速度對焊縫成形的影響。結果如圖2 所示。

圖2 焊接速度對焊縫成形的影響（P=1275W，F=200mm）

由圖2 可知，隨著焊接速度的不斷增大，焊縫總的熱輸入量是不斷減小的，在一定速度范圍焊縫剪切力逐漸增大。由于焊接速度過小，熱輸入量過大，焊縫金屬表面局部出現氣化現象，下層鋁金屬液體密度小于銅金屬液體密度，熔池金屬在激光束攪拌和重力的作用下，液態鋁金屬上浮進入焊縫和部分過熱氣化的鋁蒸汽未及時排出，導致焊縫出現“滲鋁”現象。隨著焊接速度的增加，“滲鋁”現象逐漸得到改善；隨著焊接速度的增加，焊縫線密度逐漸減小，焊縫剪切力也逐漸減小。

綜上所述：在一定焊接速度范圍內，焊縫剪切力出現先增大后減小的結果，在這一過程中伴隨“滲鋁”、焊縫線密度減小等現象出現。

2.2 焊接接頭橫截面形貌

由圖3 可知：當焊接速度V= 30 mm/s 時，焊縫金屬嚴重“滲鋁”且塌陷嚴重，焊縫寬度僅1.33 mm，采用DNS10 萬能電子試驗機對焊縫剪切力測試，結果為：1026.08 N，與目標值2000 N 相差甚遠。當焊接速度V= 40 mm/s 時，焊縫寬度快速增大至2.33 mm，但焊縫局部“滲鋁”嚴重，剪切力為1348.45 N；當焊接速度V= 50 mm/s 時，焊縫中出現均勻的銅鋁金屬混合區，無明顯“滲鋁”和局部塊狀雜質，焊縫寬度為1.83 mm，剪切力為2153.85 N，超過目標值；當焊接速度V= 60 mm/s 時，由于熱輸入量降低，焊接速度過快，焊縫底部聚集大量未來得及與銅金屬融合的鋁塊狀物，導致焊縫金屬中出現明顯的銅鋁金屬分界線，焊縫寬度僅為1.53 mm，剪切力1787.53 N，未達到目標值；當焊接速度V= 70 mm/s 時，熱輸入量過低，熔深過淺，未有效形成良好穿透焊縫，剪切力僅為560.45 N。

圖3 不同速度（V）時焊接接頭的橫截面形貌

綜上所述：焊縫剪切力與焊接速度、焊縫寬度具有耦合作用。金相實驗表明，焊縫剪切力與“滲鋁”現象成負相關，鋁滲入銅側厚度方向越深，寬度方向越多，剪切力越小，只有形成均勻的銅鋁混合相，焊縫剪切力才能達到目標值。

3 結論

銅鋁異種金屬的激光焊接實際試驗表明，焊接速度直接決定焊縫總熱輸出入量和單位長度的線能量密度。同時有如下結論：

（1）在焊接功率、焦距、光斑直徑等參數一定時，當焊接速度V= 30 mm/s 和V= 40 mm/s 時，由于熱輸入量過大焊縫均出現不同程度“滲鋁”現象，并且速度越低，熱輸入量越大，“滲鋁”現象越嚴重。原因為：由于銅鋁熔點相差較大，且鋁熔點較低，在過熱時鋁瞬間融化甚至氣化進入焊縫金屬，在激光焊接波形的“攪拌”和重力作用下，鋁金屬液體和氣體迅速進入到焊縫表面，從而形成“滲鋁”現象。

（2）在焊接功率、焦距、光斑直徑等參數一定時，當焊接速度過高時，焊縫單位長度上獲得的熱輸入量過低，焊縫出現未焊透、熔深不夠、焊接線過疏等缺陷，導致焊縫剪切力過小。

（3）當焊縫中出現均勻的銅鋁金屬混合區，無明顯“滲鋁”和局部塊狀雜質，焊縫線密度均勻且平整，實測焊縫的剪切力符合目標要求。

（4）當焊接功率為1275 W、焊接速度為50 mm/s、焦距為200 mm、光斑直徑為0.4 mm 時，銅鋁激光焊接接頭的焊縫成形最好并獲得最大剪切力，為2153.85 N，承載能力達到母材的97%，焊接接頭的承載能力與母材基本匹配。