激光焊接在銅/鋁焊接中的應用

董曉萌，孔德群，周建，周曉煒

北京奔馳汽車有限公司 北京 100126

20世紀60年代，一種新型的焊接技術——激光焊接出現。激光技術與焊接技術的融合，實現了一種非接觸的焊接方式，利用較少量的熱輸入、較小的熱影響區實現多層金屬的焊接[1]。同時還具有智能化、自動化、集成化，焊接焊縫小、變形量小、效率高和焊縫性能好等優點，在汽車制造、航空航天、造船等領域得到迅速的應用。一方面，通過使用激光焊接代替原來的鉚釘鉚接技術等，降低了產品自重，節約了成本，提高了產品質量；另一方面，利用激光快速的焊接特點，提高了焊接的效率[2]（見圖1）。

鋁合金密度低、比強度高、延展性好，易于成形；銅及銅合金良好的導電性能也使其應用廣泛。這些性能使得銅/鋁金屬得到了廣泛的應用，在新能源汽車領域更是如此。據統計數據顯示，銅/鋁異種金屬接頭在21世紀將占到異種金屬接頭組合形式的5.8%[3]。快速有效的銅/鋁激光焊接有很大的開發潛力。

然而，異種金屬物理性能有明顯的差異以及材料對激光的高反射率與高傳導率，導致焊接質量參差不齊，因此如何實現異種金屬的高質有效焊接，是目前亟待解決的難題。

銅/鋁激光焊接的特點

由于鋁及鋁合金對激光具有高的反射率和熱傳導率，導致其對激光的吸收率差。銅/鋁金屬物理性能差別較大，兩者在焊接過程中，在鋁熔化過熱后，銅可能還沒有熔化，導致焊接困難。同時激光焊接過程較快，焊接時間短，導致焊接過程中兩種溶液混合不充分，冷卻后焊接熔融區成分不均勻，銅/鋁異種金屬的焊接頭焊縫殘余應力大。因此，要使銅/鋁激光焊接發揮更大的作用[4，5]，必須克服這些缺點。

影響銅/鋁焊接質量的因素

影響銅/鋁激光焊接質量的因素多種多樣，既包含由于材料本身特性而導致的焊接局限，也包含焊接工藝、焊接方法的影響。通過選擇合適的激光器、激光加工參數及設計焊接方法，可以有效改善銅/鋁焊接接頭的質量。

1.激光器類型對焊接質量的影響

激光焊接根據工作介質可以分為CO2激光器、半導體激光器、YAG激光器及光纖激光器[4]。

1）半導體激光器主要應用于醫療、打印、光通信及光存儲等信息領域。但是高功率半導體激光器在大電流工作連續輸出時會出現損傷、燒孔，甚至燒毀等問題，難以用于需要高功率能量輸出的工業加工中。

2）CO2激光器雖然具有較高的電光轉化效率和輸出功率，但其發射光的波長長，而銅/鋁金屬具有高反射率，其對激光的反射作用不利于實現高效的激光加工。

3）YAG激光器的工作介質是紅寶石、釹玻璃和摻釹釔鋁石榴石等，光纖激光器的工作介質為光纖，兩者的反射光波長為CO2激光器反射光波長的1/10，是目前應用廣泛的激光器。兩者在焊接加工方面各有利弊。

YAG激光器與金屬耦合效率高，加工性能良好，能夠方便地將一束激光傳輸給多個遠距離工位，便于實現柔性化，也可以實現脈沖、連續兩種工作模式，但是其使用及維護成本高。光纖激光器的電光效率高達20%以上，遠遠大于YAG激光器的電光效率，具有免調節、免維護、穩定性高，結構簡單，占地面積小的特點，但是相對穩定性難以保證。現在來看，兩種激光器都是適合銅/鋁激光焊接的激光器。需要注意的是，為了防止銅、鋁等對激光的高反射率，有時在試驗前，需要對銅/鋁表面做打磨處理。

2.焊接參數對焊接質量的影響

焊接參數包含焊接焦點位置、激光輸出功率、焊接速度及焊接頻率等。激光輸出功率越大，焊接速度越慢，材料吸收的能量越多，材料熔融加快，焊接效率提高，但過高的焊接能量可能導致材料過熱，焊接失效。對于銅/鋁異種金屬的焊接，通常以熔焊為主。

隨著吸收的焊接能量越多，銅/鋁之間反應生成的脆性物質增加，焊接質量變差。焊接頻率是激光器在1s內打出的脈沖數量，隨著脈沖頻率的降低，焊接點之間的重疊率也會降低，焊縫表面質量也會相對較差。

薛志清等[6]研究了0.3mm厚工業純鋁1060和純銅T2銅/鋁激光搭接焊（銅在上，鋁在下）的焊接工藝，隨著焊接速度由125mm/s增加到145mm/s，成分為CuAl2焊接混合區段都不斷減小，且混合區的過共晶形態由等軸狀向板條狀轉變，這一形狀及其與剪切力形成的大角度，阻止了晶粒發生橫向移位，最大剪切力提高。焊接速度為145mm/s時，焊接搭接接頭的拉伸剪切力最高。

楊科林等[7]通過控制變量法研究了焊接功率、焊接速度與焊接頻率對銅-鋁異種金屬搭接焊的影響，并通過拉伸試驗驗證焊接質量。對于1.5mm厚6061系鋁板與厚2mm表面鍍鋅的銅質導電排搭接焊，焊接功率越大，焊接效果越好。焊接速度在90～120mm/s內，可以形成一定量的有效熔池。當焊接頻率為80Hz時，焊接熔融效果最好。

3.添加中間層對焊接質量的影響

銅/鋁直接焊接容易產生脆性裂紋，在銅/鋁材料之間添加材料或者增加鍍層可以影響銅/鋁二元中間相的形成，改善焊接的質量。

趙瑩等[8]通過在銅/鋁板材之間（銅在上，鋁在下）增加銀箔或銀片，改善了銅/鋁焊接接頭的質量。銀的添加阻斷了熔池中銅/鋁二元脆硬相的生成。適量銀的加入，使銅側的熔池區域生成了嚙齒狀的Al-Al2Cu-Ag2Al三元共晶相，有效改善了銅/鋁激光焊接焊縫的成形和焊接質量。其接頭的抗拉強度在添加20μm銀箔時達到220N以上，與未加銀箔相比，提高了將近1/3。

張璐瑤等[9]研究了鍍鎳層對銅/鋁金屬間化合物的影響。中間層對銅/鋁的焊接反應也起到了隔離生成脆性銅/鋁中間化合物的作用。隨著鍍鎳層的厚度增加，焊接接頭處銅/鋁間金屬化合物厚度增加，焊接接頭最大抗拉強度可以達到70.77MPa。

銅/鋁焊接組織與性能

銅/鋁的激光焊接形成的接頭通常具有較差的力學性能。經分析，銅/鋁金屬反應后，易形成金屬間化合物，例如Cu2Al、Cu2Al3、CuAl和CuAl2。金屬間化合物形態和分布會影響接頭的力學性能，是銅/鋁焊接接頭主要的斷裂區。

薛志清等[6]通過研究銅/鋁激光焊接的微觀組織及成分，發現其焊接區域分為5個區域。離Cu側最近的為平行排列的板條狀CuAl，鑲嵌在過固溶體中；接下來是CuAl和CuAl2的混合物；區域3是CuAl2不連續地分布在共晶組織中；區域4是α-Al與θ相交替平行排列地層片組織；區域5為樹枝亞共晶組織。通過SEM和EDS對斷口進行分析發現，斷裂發生在區域3（見圖2）。

圖2 銅/鋁過渡區微觀組織

趙瑩等[7]也研究了Cu/Al激光熔釬焊搭接焊接頭的顯微組織。Cu/Al激光焊接的熔融區由大量的樹枝晶組成，其成分為Cu9Al4。同時，在Cu內部，存在少量擴散的液態鋁與Cu反應形成的柱狀組織，成分與熔融區一致。Cu和Al界面由多相組成，包含樹枝狀的Cu9Al4相、α-Al及θ-CuAl2。由于銅/鋁中間相的存在，在外力載荷下，這些脆硬相極易因為應力集中產生裂紋，造成接頭的失效。

BRAUNOVIE M等[10]的研究結果表明，當金屬件化合物的總厚度小于2μm時，Cu/Al異種金屬接頭的力學及導電性能才不受影響。

結語

銅/鋁異種金屬的激光焊接技術受到越來越多的關注。但是由于異種金屬間物理性能之間的差異，導致激光焊接效果的差強人意。隨著研究的深入，人們對影響銅/鋁金屬焊接的因素認識越來越深刻，這對優化銅/鋁異種金屬的焊接具有積極而重要的意義。最終實現銅/鋁異種金屬的激光快速焊接，對航空航天、汽車制造等領域將是一個巨大的推動作用，同時對于指導其他異種金屬的連接也有積極的作用。