激光振荡对铝/铜焊缝金属混合、微观组织及力学性能的影响

铝/铜异种金属激光焊接是动力电池生产的重要工艺之一。然而在激光熔化焊过程中铝与铜在焊接熔池中相互混合会产生多种脆性金属间化合物，严重影响接头的力学性能和电学性能。振荡激光扫描焊接以连续振荡的方式进行焊接，通过改变振荡模式、振幅、频率可以增加熔池元素分布的均匀性从而控制金属间化合物，同时大大减少焊缝中由于深熔小孔坍塌造成的气孔缺陷。与传统的线性激光焊接相比，接头力学性能得到极大的提升。然而目前对振荡激光扫描焊接工艺-组织-性能的内在关联仍然缺乏理解。

 

近期，密歇根大学研究者采用实验与模拟相结合的方式，分析了振荡激光扫描焊接不同工艺参数焊接过程中的熔体流动、元素分布、相组成以及力学性能，揭示了异种金属振荡激光扫描焊接熔池流动与元素混合的物理机制。相关工作以《Effects of laser oscillation on metal mixing, microstructure, and mechanical property of Aluminum–Copper welds》为标题发表在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上。

 

研究内容

1、试验部分：以圆形叠加的方式对厚度0.2 mm的纯铝与0.5 mm的纯铜进行搭接振荡激光扫描焊接（图1）。工艺参数固定激光功率与线性进给速度，改变振幅与频率。采用SEM与EDS对不同工艺参数的焊缝横截面元素分布与微观组织进行分析，并通过拉伸试验确定不同工艺参数焊缝的最大抗拉力。根据以上试验内容，建立了振荡激光扫描焊接工艺-组织-性能的关系。

图1 焊接过程示意图

2、模拟部分：采用Flow3D软件对振荡激光扫描焊接过程进行计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟，获取焊接过程中的熔池温度场、流场以及元素分布。基于CFD模拟结果，采用Thermo-Calc软件的Scheil凝固模型对焊缝组织进行预测。将以上计算结果与实际焊接结果相对照。

研究结果表明，随着振幅和频率的增加，焊缝熔深减小，焊缝富铝区的平均铜含量减小，铜元素分布更加均匀。随着铜含量降低，微观组织由成块的脆性θ相转变为过共晶/共晶/亚共晶组织，其中过共晶组织（初生θ相+共晶组织）具有最优的力学性能。

图2 (A)焊缝元素分布；(B)焊缝微观组织；(C)焊缝力学性能

在振荡激光扫描焊接过程中，熔池内有四种熔体流动类型（图3），分别为反冲压力驱动的流动，马兰戈尼力驱动的涡旋流动，绕深熔小孔的流动以及深熔小孔导致的涡旋流动。这四种流动驱动了熔池内的元素混合。随着振幅和频率增加，激光在轨迹切线方向的速度随着增加，单位轨迹长度的热输入减小，使得反冲压力驱动的流动减少，进入铝侧熔池的铜元素含量降低。同时，绕深熔小孔的流动以及深熔小孔导致的涡旋流动增加使得元素分布更加均匀。

图3 (a)13.25 ms时熔池中铜浓度场和流体流动的三维图像；(b)熔池俯视图；(c)z=−0.1 mm平面的水平截面视图；(d) A-A平面的截面视图；(e)B-B平面的截面视图

根据CFD模拟获取的温度场和元素分布对焊缝凝固路径以及微观组织分布进行预测，预测结果包括焊缝各位置中初生θ相，初生α相以及共晶组织的体积百分比（图4），其与SEM试验观察到的结果吻合较好。

图4 不同参数下熔合区的相分布预测

研究结论

采用试验和模拟相结合的方法，研究了铝/铜搭接接头的振荡激光扫描焊接过程。加深了对异种金属搭接振荡激光扫描焊接工艺参数、焊缝金属元素分布、相组成与焊缝力学性能之间的关系以及振荡激光焊接物理过程的理解。