鋁/銅藍-紅激光復合焊接頭組織及性能

史穎杰，崔澤琴,2，丁正祥，郝曉虎,2,，王文先,2，李衛國

(1.太原理工大學,太原,030024；2.山西浙大新材料與化工研究院,太原,030032；3.中船黃埔文沖船舶有限公司,廣東省艦船先進焊接技術企業重點實驗室,廣州,510715；4.太原理工大學,工程訓練中心,太原,030024)

0 序言

在動力軟包電池中，極耳通常由鋁或銅制成，以并聯或串聯形式連接到匯流排,銅是動力電池中的主要導電材料，據統計，一輛新能源汽車中銅的使用量可達83 kg[1]，在新能源汽車電池系統中，電池模塊之間的連接質量直接影響到整車的動力性能[2]，電池系統中的接頭須滿足低電阻、高強度、高抗疲勞性和耐腐蝕等特性[3]，1050 Al 是動力電池中的常見材料，具有輕質、廉價且導電性強等優點[4-5].鋁與銅焊接時會形成脆性金屬間化合物，導致焊點電阻率增加、裂紋敏感性提高、力學性能下降[6]，研究表明，異種金屬焊縫中金屬間化合物(intermetallic compound，IMC)厚度大于5 μm 將顯著降低接頭抗拉性能[7]，因此控制接頭中脆性IMC 的生成及分布，成為新能源電池中鋁/銅異質金屬，高質高效可靠連接的關鍵.

與電阻焊和超聲波焊相比，激光焊的產品具有更低的接觸電阻和更高的接頭強度[8]，然而，鋁和銅之間物化性能差異較大，鋁/銅異質金屬接頭中極易生成脆硬的IMC 和較高的殘余焊接應力，制約了鋁/銅異質金屬焊接結構的應用[9].鋁/銅激光焊主要研究提高金屬對激光的吸收率以及抑制液態金屬的流動，包括預熱和焊后緩冷處理、材料表面處理、采用短波長激光、電弧激光復合和添加中間過渡層等[10].Schmalen 等人[11]通過調節激光功率和擺動幅度實現了0.2 mm 厚鋁與0.5 mm 銅的可靠連接；Yan 等人[12]研究了鋁/銅激光接頭的微觀組織，焊縫金屬主要由Al 固溶體和Al-Cu 共晶相組成，銅基體與熔合區之間的界面區主要由Cu 固溶體、鋸齒狀Al2Cu 相和蠕蟲狀Al-Cu 合金相組成，接頭的剪切強度最大約為99.8 MPa，接頭斷裂于Al-Cu 共晶區，呈脆性斷裂特征.Solchenbach 等人[13]采用鋁上銅下的搭接形式，研究了SF-Cu/AA 1050 Al 焊縫中IMC 分布規律及其對接頭性能的影響；Lee 等人[14]比較了裝配方式對鋁/銅激光搭接接頭熔池流動和焊縫金屬間化合物的影響，研究表明，鋁在上時，鋁元素主要聚集在熔池上方，界面附近生成厚度約5 μm 的Al2Cu 化合物層；鋁在下時，熔融的銅在重力和激光攪拌下沉入熔池底部，焊縫中生成大量Al2Cu 和Al4Cu9相；Zuo 等人[15]研究發現，θ-Al2Cu 與鋁基體之間結合較弱，導致接頭斷裂于此；Dimatteo 等人[16]研究了光斑直徑對鋁/銅異質材料激光搭接焊的影響，較小的光斑直徑可有效控制熔深和母材稀釋率，減少了基體金屬熔化和富銅相的形成，形成良好的焊縫；Pérez 等人[6]指出激光能量輸入的升高導致焊縫中硬脆金屬間化合物增多、尺寸增大，進而提高了鋁、銅二者之間的接觸電阻.

綜上可知，對焊縫中IMC 的生成及分布的調控是實現鋁/銅高質量激光焊的關鍵.此外，影響熱輸入特性的另一難點在于鋁、銅合金對激光的反射率高，銅在室溫下對1 070 nm 波長激光反射率高達95%[17]，導致作用于焊縫區域的激光能量非常有限，提高了該類材料激光焊接的最低功率，進一步增加了異質金屬焊接時金屬間化合物的控制難度.

新型激光器能在銅和鋁等有色高反金屬表面實現更高的能量吸收率[18].Hess 和Das 等人[19-20]使用低功率綠色激光(532 nm)和紅外激光(1 064 nm)復合技術提高了銅合金焊接過程中對激光的吸收率，使熔深易于控制，并可以顯著改善焊縫幾何形狀和接頭強度，但藍光激光技術目前最大的局限在于激光器功率較低，難以滿足對較大熔深的焊接需求，因此，文中采用藍-紅復合激光焊接鋁/銅異質材料，研究紅光功率對鋁/銅異質材料復合激光焊接頭組織性能的影響規律.

1 試驗方法

試驗材料為150 mm × 50 mm × 0.5 mm 的1050 鋁板和150 mm × 50 mm × 1 mm T2 銅板，化學成分見表1.焊前采用細砂紙打磨待焊試件表面，并用無水乙醇清洗去除表面氧化膜和油污，打磨試件表面以提高母材對激光的吸收率.

表1 母材的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical compositions of base materials

鋁/銅復合激光焊接試驗采用UW1000-455 型藍光激光器與UW-S3000-UM 光纖激光器通過復合激光出射頭復合而成，準直鏡焦距90 mm，聚焦鏡焦距180 mm，其中，藍光激光器功率范圍10～1 000 W，光纖芯徑50 μm；紅外激光功率10～3 000 W，光纖芯徑100 μm.紅、藍光斑直徑分別為500 μm 和1 mm，離焦量為+2 mm，保護氣為99.99%的高純氬氣，氣流量15 L/min.接頭裝配采用鋁上銅下的搭接形式，搭接寬度20 mm，如圖1 所示.激光焊接試驗參數見表2.

圖1 試樣裝配示意圖及拉伸試樣示意圖Fig.1 Sample assembly diagram and tensile sample diagram

表2 試驗工藝參數Table 2 Experimental process parameters

對焊接試樣取樣后鑲嵌在環氧樹脂內，使用SiC 砂紙打磨，拋光后進行金相觀察，使用SEM 和EDS 顯微組織及IMC 化學成分分析，每個參數試樣取3 個拉伸試樣進行拉伸試驗，結果取平均值，并對斷口形貌及顯微組織進行分析，試樣的接觸電阻采用開爾文四線檢測法測量.

2 結果和討論

2.1 焊縫形貌分析

當PB=300 W，通過改變PR值，獲得各工藝條件下鋁/銅搭接接頭焊縫橫截面及焊縫表面形貌如圖2 所示.當PR=600 W 時，能量過低，未能實現鋁銅之間的有效連接.由試樣表面形貌可知，PR處于700～ 800 W 時，焊縫表面連續平整，未觀察到氣孔和裂紋等缺陷；PR處于900～ 1000 W 時，焊縫表面光整度下降，并可觀察到飛濺缺陷；PR處于1100～ 1400 W 后，焊縫表面出現尺寸不等、斷續分布的焊穿孔洞，且該孔洞缺陷隨紅光激光功率升高而增多.

圖2 不同紅光功率鋁/銅復合激光焊接頭橫截面和焊縫宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of cross section and weld of Al/Cu composite laser welded joint.(a) 700 W;(b) 800 W;(c) 900 W;(d) 1 000 W;(e) 1 100 W;(f) 1 200 W;(g) 1 300 W;(h) 1 400 W

從焊縫橫截面可看出，橫截面總體呈現T 形.如圖3 所示，隨紅外激光功率增加，T2 銅板的熔深和熔寬逐步增加，當PR=1 000 W 時，可觀察到明顯匙孔，由熱導焊轉變為深熔焊；當PR=1 400 W時，銅板被完全熔透；當PR=700 W 時，試件結合良好，未發現未熔合、裂紋和氣孔等缺陷；當PR=800 W 時，焊縫頸部出現小范圍未熔合缺陷.當PR增加至900～ 1400 W 時，焊縫均出現了氣孔、未熔合等缺陷.

圖3 銅板熔深熔寬隨PR 的變化曲線Fig.3 Variation curve of copper penetration depth and width with PR

隨著激光功率增加，熔池溫度隨之升高，且液態熔池下方的銅板開始熔化，導致焊縫中Al-Cu 脆性金屬間化合物數量增加.氣體元素在以金屬間化合物為主的焊縫中的溶解量低于固溶體焊縫(PR=700，800 W)，導致焊縫中氣孔增多，同時，高溫作用下銅板表面吸附的水分形成蒸汽，在熔池與上下兩層板之間的間隙阻礙液態金屬的鋪展潤濕，從而形成未熔合型孔洞缺陷.裂紋主要存在于熔池底部，即脆性金屬間化合物聚集的位置，鋁板、銅板之間線膨脹系數差異較大，熔化焊接時接頭中存在較大焊接應力，在應力與脆性相的共同作用下易形成伴隨金屬間化合物的微裂紋，與Dimatteo 所述結論一致.

2.2 焊縫的微觀組織分析

圖4為PR=800 W 時鋁/銅異種金屬激光焊接接頭的微觀組織及圖中位置元素分析見表3.圖4(a) 中焊縫靠近鋁板的一側，微觀組織分布均勻，主要為Al 固溶體，在較低的激光功率下，銅板的熔化量較少，并且銅的密度大于鋁，銅不容易向熔池上方擴散，因此焊縫上方僅有少量Al-Cu 化合物固溶在鋁中.通過圖4(b)的微觀組織分析，圖4(b)中Ⅰ區域和Ⅱ區域都是由Al-Cu 共晶合金組成，但組織形貌不同，根據Al-Cu 二元相圖和EDS 結果分析可知，焊縫Ⅰ區域發生了Al-Cu 過共晶反應，而在下部(Ⅱ區)則發生了亞共晶反應.在亞共晶反應過程中，α-Al 為初生相，θ-Al2Cu為次生相，結晶析出溫度較低，Al2Cu 在α-Al 晶界處形核，形成小顆粒；過共晶反應是θ-Al2Cu 金屬間化合物為初生相，α-Al 為次生相.由液相中直接析出的θ-Al2Cu 相晶粒比較粗大，表現為樹枝晶.在銅側界面處鋁/銅原子比接近2∶1，由相圖可知此處發生勻晶反應形成了短棒狀的Al2Cu 金屬間化合物層，并且Al2Cu 的生長垂直于熔合線向焊縫中心生長，化合物層厚度為4 μm.在圖4(d)中d3 區域銅元素偏聚生成放射狀Al2Cu 金屬間化合物.緊鄰棒狀Al2Cu 生成厚度約為8 μm 的Al-Cu 共晶化合物層，銅元素含量達到20%，呈蠕蟲狀分布.

圖4 PR=800 W 時鋁/銅激光焊接頭顯微組織Fig.4 Microstructure of Al/Cu laser welded joint at PR=800 W.(a) overall appearance of weld;(b) Cu side weld morphology;(c) Al side weld morphology;(d) region d in Fig.4(b);(e) region e in Fig.4(b)

表3 圖4 標記區域化學元素及相組成(質量分數，%)Table 3 Chemical elements and phase composition of labeled regions in Fig.4

圖5為PR=1 000 W 時鋁/銅異種金屬搭接焊縫界面微觀組織.焊縫可分為如圖5(a)中Ⅰ、Ⅱ兩個區域，結合表4 的EDS 結果分析：I 區域組織為主要為α-Al 固溶體；Ⅱ區域中存在大量的Al-Cu 共晶相，在局部銅元素偏聚的區域，生成少量Al4Cu9相，圍繞Al4Cu9相生成一周羽毛狀Al2Cu 相，Al 固溶體相主要位于鋁側焊縫邊緣；在銅側焊縫中，主要由Al2Cu 相、Al-Cu 共晶相和Al4Cu9組成，且在焊縫底部交界處，出現了多個層狀組織(AlCu,Al4Cu9和AlCu3)，Al2Cu 金屬間化合物層厚度由800 W 時的4 μm 增長至29 μm.

圖5 PR=1 000 W 時鋁/銅激光焊接接頭顯微組織Fig.5 Microstructure of Al/Cu laser welded joint at PR=1 000 W.(a) overall appearance of weld;(b) Al side weld morphology;(c) Al side weld morphology;(d) Cu side weld morphology;(e) Cu side weld bottom interface area

表4 圖5 標記區域化學元素及相組成(質量分數，%)Table 4 chemical elements and phase composition of labeled regions in Fig.5

2.3 力學性能

不同激光功率下的鋁/銅異種金屬激光搭接焊焊接接頭拉伸剪切強度如圖6 所示.當激光功率PR=800 W與PB=300 W 復合時，鋁/銅搭接接頭的拉剪強度最大達108.6 MPa，隨著激光功率的增加，接頭的抗剪強度先增加后減少；當PR處于700～ 800 W 范圍內增加時，接頭有效連接面積起主導作用；而當PR處于800～ 1400 W 范圍內增加時，界面處Al2Cu 金屬間化合物和Al-Cu 共晶相增多增厚，焊縫的連接強度快速下降.此外氣孔等缺陷的存在，也是導致焊縫強度下降的另一個重要原因.

圖6 鋁/銅藍-紅復合激光焊接頭拉剪性能Fig.6 Tensile shear properties of Al/Cu blue-red composite laser welded joint

鋁/銅復合激光焊接頭斷裂位置如圖7 所示.當PR處于700～ 1 000 W 時，焊縫沿銅側焊縫中心底部斷裂；PR增加至1 400 W 時，接頭沿鋁側焊縫邊緣斷裂.圖8為PR=800 W 時鋁/銅接頭鋁側斷口形貌，從圖8(a) 中觀察到鋁/銅焊縫接頭可分為3 個區域：即位于焊縫兩側相對光滑平坦的Ⅰ、Ⅲ區域和焊縫中心部位較為粗糙的Ⅱ區域，Ⅱ區斷口處主要為臺階狀形貌，判斷斷裂特征為脆性斷裂.斷口EDS 結果見表5，接頭在受到拉力的作用時，裂紋沿著兩側Al2Cu 共晶合金擴展，并擴展到了Al +Al-Cu 共晶區，Al2Cu 金屬間化合物在室溫下呈現硬脆特性，在受到拉伸力作用下，焊縫邊緣位置的Al2Cu 相先產生裂紋，裂紋沿著熔池邊緣Al2Cu 與Al-Cu 共晶界面擴展，最終在熔池底部的Al+Al-Cu 共晶相部位斷裂.在圖8(d)放大的圖中觀察到臺階狀的斷裂面和微小的河流狀結構，結合EDS 結果分析，斷裂的主要形式為解理斷裂.

圖7 不同紅光功率拉伸試樣宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of tensile specimen.(a) 700 W;(b) 800 W;(c) 900 W;(d) 1 000 W;(e) 1 400 W

圖8 PR=800 W 鋁/銅接頭鋁側斷口形貌Fig.8 PR=800 W Al/Cu joint fracture morphology in Al side.(a) tensile fracture morphology;(b) fracture at weld edge;(c) center of fracture;(d) fracture center enlargement

表5 圖8 標記區域化學元素及相組成(質量分數，%)Table 5 Chemical elements and phase composition of labeled regions in Fig.8

2.4 導電性能

不同紅光功率的接頭電阻值如圖9 所示，從圖中可觀察到，PR=700，800 W 時的電阻最小，達到了94 μΩ，功率增加到900～ 1 400 W 時，電阻由94 μΩ 增加到130 μΩ.主要是由于IMC 的電阻率較高，隨功率增長，化合物層厚度增加，從而導致電阻增加[21]，結合2.3 力學性能的分析，可以在同一工藝下獲得最大拉剪強度與最小接觸電阻.

圖9 鋁/銅接頭的接觸電阻Fig.9 Electrical resistance measurement of the Al/Cu welded sample

3 結論

(1) 采用藍-紅復合激光熱源實現了1050 Al 和T2 Cu 的激光焊接.PR在800 W 時可獲得表面平整、連接質量良好的鋁/銅接頭；PR超過1 100 W后，焊縫表面形成熔穿孔洞，無法實現鋁銅之間的有效焊接.

(2)焊縫組織分布從上至下為Al 固溶體，Al 固溶體+Al-Cu 共晶，Al2Cu 相，且Al2Cu 相和Al-Cu共晶化合物層厚度隨PR增加而增加.

(3)復合激光功率PR=800 W和PB=300 W時，鋁/銅接頭拉剪強度最高達108.6 MPa，接頭斷裂過程中裂紋自焊縫頸部Al2Cu 相萌生，沿Al-Cu 共晶相向底部擴展，最終延伸到底部Al 固溶體區域，斷裂形式為解理斷裂.

(4)復合激光功率PR=800 W和PB=300 W時，鋁/銅接觸電阻最小達到94 μΩ.