铜铝激光焊接（铜铝激光焊接工艺）

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，激光熔焊过程中，熔池中铝和铜的混合会产生多种脆性金属间化合物，严重影响接头的机械性能和电性能。振荡激光扫描焊接以连续振荡的方式进行焊接。通过改变振荡方式、振幅和频率，可以增加熔池中元素分布的均匀性，从而控制金属间化合物，同时可以消除焊缝中因深熔孔塌陷而产生的气孔。会大大减少。缺点。与传统的线性激光焊接相比，接头的力学性能大大提高。然而，对于振荡激光扫描焊接工艺-结构-性能之间的内在关系仍然缺乏了解。

近日，密歇根大学研究人员采用实验与模拟相结合的方式，对振荡激光扫描焊接不同工艺参数的焊接过程中的熔体流动、元素分布、物相组成和力学性能进行了分析，揭示了振荡激光的熔化特性。异种金属的扫描焊接。池流和元素混合的物理原理。相关工作以“Effects of Laser Oscillation on Metal Mixing, Microstruction, and Mechanical Properties of AluminiumCopper Welds”为题发表在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上。

研究内容

1、测试部分：0.2毫米厚的纯铝和0.5毫米厚的纯铜以圆形叠加方式重叠振荡激光扫描焊接（图1）。工艺参数固定激光功率和线进给速度，改变振幅和频率。利用SEM和EDS分析不同工艺参数焊缝截面的元素分布和显微组织，并通过拉伸试验确定不同工艺参数焊缝的最大抗拉强度。根据上述试验内容，建立了振荡激光扫描焊接工艺-结构-性能之间的关系。

图1 焊接工艺示意图

2、仿真部分：利用Flow3D软件对振荡激光扫描焊接过程进行计算流体力学（CFD）仿真，获得焊接过程中的熔池温度场、流场和元素分布。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。将上述计算结果与实际焊接结果进行比较。

研究结果表明，随着振幅和频率的增加，焊缝熔深降低，焊缝富铝区平均铜含量降低，铜元素分布变得更加均匀。随着铜含量的降低，显微组织由块状脆性相转变为过共晶/共晶/亚共晶组织，其中过共晶组织（初生相+共晶组织）力学性能最佳。

图2(A)焊缝元素分布； (B)焊缝显微组织； (C)焊缝力学性能

在振荡激光扫描焊接过程中，熔池内存在四种熔体流动（图3），分别是反冲压力驱动的流动、马兰戈尼力驱动的涡流、深熔孔周围的流动和深熔深流动。熔孔引起的涡流。这四种流动驱动熔池内元素的混合。随着振幅和频率的增加，激光在轨迹切线方向的速度增加，单位轨迹长度的热量输入减少，从而减少了反冲压力驱动的流量，减少了进入铝侧的铜元素含量熔池。同时，深熔孔周围的流动以及深熔孔引起的涡流增加，使元素分布更加均匀。

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

根据CFD模拟获得的温度场和元素分布，预测焊缝的凝固路径和显微组织分布。预测结果包括焊缝各位置初生相、初生相和共晶组织的体积百分比（图4）。这与SEM 实验观察到的结果非常吻合。

图4 不同参数下融合区相位分布预测

分析结论

采用实验和模拟相结合的方式研究了铝/铜搭接接头的振荡激光扫描焊接工艺。加深了对异种金属搭接接头振荡激光扫描焊接工艺参数、焊缝金属元素分布、物相成分与焊缝力学性能之间关系以及振荡激光焊接物理过程的认识。