江苏激光联盟导读：
本文研究了激光脉冲的组合振荡和整形对铜铝搭接焊的影响。
摘要
薄铜板和铝板的异种金属连接在电池连接中非常重要。连接这种不同组合时的主要问题是形成脆性金属间相，从而降低接头的电气和机械性能。用激光连接铜板和铝板时，需要在107W/cm2范围内具有非常高的强度。铜和铝的混合对接头的延展性至关重要。本文研究了激光脉冲的组合振荡和整形对铜铝搭接焊的影响。通过改变激光脉冲，即功率相对于脉冲时间的百分比，可以实现混合的精确控制。通过横截面和微观结构分析，研究了具有上升和下降曲线的不同脉冲形状。
1介绍
异种铝铜连接广泛应用于电气和电子领域。Al-Cu系的低溶解度有利于形成脆性金属间化合物，并降低接头的延展性。铜和铝的激光焊接带来了多种挑战，如反射率、高导热性以及热膨胀和熔点的巨大差异。通过将形成的金属间化合物的厚度控制在3-6µm，并限制为Al2Cu、Al4Cu9等相，可以实现从铝侧到铜侧的激光钎焊。然而，热老化引入了额外的相AlCu、Al3Cu4。对于激光焊接，空间光束振荡在增加焊缝宽度和减少深度方面是有效的。控制靠近界面的Al-Cu系统中的熔合深度是有益的，因为混合可以保持在最小。
金属间化合物宽度和层间的铝线扫描。
界面处Al/Cu样品的电子显微镜观察显示，Al和Cu之间有五层，包括四种主要的金属间化合物和一层饱和固溶体中间层。这些层由电子显微镜的能量色散X射线（EDX）分析仪在a、B、C、L、M点进行定性和定量分析，以确定每层和化合物的组成。上图显示，金属间化合物宽度和层间的铝线扫描也证实了上述结果。
对于从高反射铜侧进行的激光连接，需要107 W/cm2的极高强度，以形成小孔，从而增加气相材料中的能量耦合。脉冲激光焊接有利于减小材料的热效应。用于研究的脉冲宽度在5毫秒到10毫秒之间。方波是脉冲模式下最简单的波形。但是，可以编程其他配置文件，即脉冲功率作为时间的函数。这种调制与温度随时间的变化成正比。因此，加热区、主动焊接区和冷却区在脉冲内存在。对铜铝点焊的这种脉冲调制进行了研究。通过对激光峰值功率与脉冲时间的调制，介绍了预热阶段、正弦加热阶段和冷却阶段。
在这项研究中，研究了重叠配置的铜铝薄板（顶部为铜）缝焊功率调制随时间的变化。这种结构有利于连接伙伴的快速相互扩散，并且Cu-Al系统中所有危险的脆性金属间化合物相都在焊缝中形成。因此，这里的想法不是像Al-Cu配置（顶部为Al）那样控制金属间化合物层的形成，而是分布在横截面上，以降低其浓度。通过组合振荡（搅拌效应）和脉冲波操作模式实现金属间相的分布及其在焊缝内的混合控制。本文的主要目的是研究激光束振荡和脉冲调制的组合，并表明在Cu-Al结构中存在金属间化合物可以实现延性行为。
2.方法与实验
2.1.实验装置
所用材料为纯铜（无氧化物99.95%纯）和铝板（Al 1050），尺寸为40mm×50mm，厚度为0.4mm。激光焊接使用波长为1030nm的2000W圆盘激光器。400µm铜片和铝片以重叠配置放置（图1（a）），激光焦点放置在铜片顶部（Z=0），激光光斑直径为89µm。
图1 （a）铜铝激光焊接工艺示意图。（b） x和y方向的空间光束振荡（无限形状）。振荡参数为振幅（mm）、频率（Hz）和进给速度（mm/s）。
激光束照射在高强度为107 W/cm2的铜板上，该工艺基于小孔焊接。本研究不考虑额外的保护气体。保护气体对异种Al-Cu焊接的影响可以忽略不计。激光束（无限形状）在x和y方向上的振荡如图1（b）所示。振荡参数如振幅（a单位为mm）为0.75 mm，频率（f单位为Hz）为50 Hz，进给速度（v单位为mm/s）为30 mm/s。
2.2.激光脉冲功率调制
在脉冲波运行模式下，影响过程参数为脉冲时间、频率和峰值功率。基于考虑反射率和熔铜阈值的初步实验，脉冲峰值功率固定为1100 W，脉冲时间为5 ms，频率为150 Hz。这些参数代表铜和铝薄板的完整穿透深度（0.8 mm）。由于主要目的是了解调制脉冲的轮廓，因此振荡参数和脉冲参数是固定的。脉冲波形由脉冲宽度内的预热（PH）、主动焊接（AW）时间和冷却（CL）阶段定义。脉冲的轮廓如图2所示。峰值功率为1100 W，脉冲时间为5 ms时，所有脉冲波形（即曲线下面积）A、B、C和D的能量为4.02 J。由于焊接脉冲的最大峰值功率和能量相同，因此仅研究脉冲波形/形状的影响。
图2 （a）由峰值功率（W）、脉冲时间（ms）、频率（Hz）定义的脉冲运行模式。（b）脉冲A、b、C、D的轮廓，即脉冲功率作为脉冲时间的函数。（b）中脉冲下的区域对于所有剖面都是相同的。
对于脉冲A，预热在50%峰值功率下进行1.75 ms，主动焊接在100%峰值功率下进行1.75 ms，缓降冷却在1.5 ms。假设脉冲类型A对材料进行预热（PH），然后主动焊接（AW）可以启动刚好足以产生熔融Cu-Al的小孔，并连续冷却（CL）以终止进一步混合。为了进行直接比较，使用了具有3.65 ms更长有效焊接时间的脉冲D。然而，所有脉冲类型的能量（E=4.02J）保持不变。脉冲B通过1.75 ms的主动焊接和3.25 ms的缓降冷却来定义。对于脉冲C，使用缓升加热和缓降冷却曲线。
2.3.金相制备
对于金相样品制备，使用酚醛粉末作为安装介质的压缩安装系统（Buhler SimpleMet 4000）。成型机上的压力、加热时间和温度设置分别为220bar、4.20分钟和180ºC。使用半自动研磨机（Buehler MetaServ 250）分步骤进行研磨和抛光。在每个步骤之间，用乙醇在超声波浴中清洗试样2分钟。
对于Al-Cu焊缝的蚀刻，使用Keller和宏观蚀刻剂Cu。蚀刻剂的使用方法是将抛光金相试样浸入化学溶液中规定时间，最后用水冲洗。为了分析微观结构，使用了光学显微镜（徕卡DM4000M）。
2.4.测试程序
使用尺寸为（40 mm×50 mm×0.4 mm）的铜和铝试样。焊接前，用丙酮清洗样品。剪切试验用焊接试样的示意图如图3所示。板材通过两端的夹具固定到位。在室温（25°C）下，在Zwick Z010机器上进行拉伸剪切试验。十字头的进给速度为1.2 mm/min。
图3 拉伸剪切试验装置用铜铝激光焊接试样示意图。
3.结果和讨论
3.1.无梁振动Cu-Al接头的拉剪性能
本节介绍了无梁振动的铜铝接头的剪切强度，以代表铜铝接头的典型脆性响应。在顶部为铜的结构中，脆性金属间化合物（IMC）的形成非常有利。如果不将IMC分布在焊缝的横截面上（即没有梁振动），接头非常脆弱，机械强度较低。图4显示了最大剪切力为745 N的脆性剪切曲线。
图4 拉伸剪切试验：铜铝接头的脆性行为，无空间梁振动。
3.2.组合光束振荡和脉冲调制的剪切试验
图5显示了不同脉冲类型A、B、C、D的薄铜板和铝板的组合空间光束振荡和脉冲激光焊接。剪切试验的样本量为5（N=5）。通过剪切试验，获得了超过1200 N的高机械强度。与其他脉冲类型相比，A型脉冲导致1275 N（79.6 N/mm2）的高平均力和17 N的低标准偏差。平剖面脉冲B和脉冲D分别导致1222N和1237N的平均剪切力较低，偏差较大，为46N。基底金属Al的剪切强度为1230N，标准偏差较低，为7.4N。因此，组合振荡和脉冲的剪切强度与基底金属Al（1230N）的剪切强度相当。
图5 组合梁振动和功率调制的拉伸剪切响应。
拉伸剪切试验后，铝板出现明显的塑性变形，表明接头具有延性。尽管存在复杂的金属间化合物结构，但失效远离接头（富含IMC），可能位于铝的热影响区（HAZ）。需要对这些区域的织构进行专门研究。然而，当Cu-Al结构中存在大量金属间化合物时，接头强度明显高于Al基金属（1230n）。调制脉冲的剪切力具有可比性，主要结果是强调了一个事实，即尽管Cu-Al组态中存在混合，但与文献中描述的Al-Cu组态相比，仍然可以获得韧性行为。
图6 剪切试验后显示破坏区的Cu-Al接头（脉冲D）照片。
3.3.微观结构
微观结构分析通过切割焊缝、随后的研磨和抛光步骤进行。从图7（a）可以明显看出，对于铜-铝配置，促进了高混合率。尽管存在复杂的金属间化合物结构，但通过振荡激光脉冲可实现接头的显著延性行为（图7（b））。
图7 （a）脉冲a型铜铝激光焊接的截面。（b）脉冲a的剪切力曲线。
脉冲调制的无限形状（图1（b））激光束的振荡导致Cu-Al熔合区的界面不连续。因此，获得了铜和铝相互扩散程度不同的区域。这导致脆性和韧性金属间化合物在焊缝横截面上分裂。不同脉冲形状（每种脉冲类型3个样品）的光学显微照片如图8所示。脉冲形状A、B、C和D导致不同程度的混合。由于所有脉冲类型的能量相同（4.02 J），作为脉冲时间函数引入的功率对混合有明显的影响。与方形截面的脉冲D相比，具有预热、主动焊接和冷却区的脉冲A的Cu和Al互扩散程度较低，因为主动焊接时间有限，为1.75 ms。脉冲D的气孔总面积最大。孔径从10µm到60µm不等。脉冲A的孔隙面积最小（图8（b））。
图8 （a）不同脉冲类型焊接的Cu-Al接头的显微照片。（b）与脉冲类型有关的孔隙总面积（mm2）。
Cu-Al混合量与气孔数成正比。随着有效焊接时间的增加（即从A到D），尽管所有脉冲类型的能量相同，但内部扩散和气孔和裂纹等缺陷增加。因此，脉冲A可以有效地终止铜和铝的混合。
图9 脉冲A（A）和脉冲C（b）中Cu-Al界面的显微照片；显示脉冲B（c）和脉冲c（d）中靠近faiure区的铝熔合区边缘的显微照片。
从Cu-Al横截面的显微照片（图9）来看，存在不同的形貌。光学显微镜和蚀刻技术被用来解释这些结构。焊缝中均存在以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为代表的树枝状结构。根据文献中的描述，金属间化合物的广泛变体可能存在。在Al-to-Cu连接过程中报告的IMC的主要成分为Al2Cu、Al4Cu9、AlCu、Al3Cu4。由于Cu-Al的快速激光焊接工艺，焊缝中存在复杂的Al-Cu形态。界面区域中存在尺寸在5-20µm范围内的金属间化合物结构Ⅱ。图9（a）和（b）。Cu-Al界面富含Al-Cu金属间化合物的所有变体。如图9（c）和（d）所示，在靠近母材Al的熔合区末端形成尺寸约为4.4µm的树枝状结构Ⅱ。
FEA Von Mises 3D打印凹入型芯中的应力（a）尺寸图（b）彩色图例（c）剖面图（d）在等效应力超过材料强度的底层，型芯失效。
4.结论
在铜铝激光焊接中，光束振荡（无限）和脉冲调制的组合提高了接头的延展性。在这种结构中，当铜位于顶部时，铜和铝的相互扩散非常高，大多数金属间相存在于焊缝中。然而，这些相在更大焊缝宽度上的分布（通过光束振荡）会导致更具韧性的接头。含有富金属间化合物熔合区和含有限金属间化合物相熔合区混合物的不连续界面有利于机械阻力。对脉冲进行整形，即随脉冲时间进行功率调制，可影响混合程度和形成的孔隙数量。与方形脉冲D相比，具有规定预热、主动焊接和冷却阶段的脉冲A有利于提高剪切强度和减少气孔较少的互扩散。
来源：Laser welding of dissimilar copper and aluminum sheets by shapingthe laser pulses, Procedia Manufacturing, doi.org/10.1016/j.promfg.2019.08.021
参考文献：M. Abbasi, A. Karimi Taheri, and M. T. Salehi, “Growth rate ofintermetallic compounds in Al/Cu bimetal produced by cold roll weldingprocess,” J. Alloys Compd., vol. 319, no. 1–2, pp. 233–241, 2001.
