激光振蕩對鋁/銅焊縫金屬混合、微觀組織及力學性能的影響

鋁/銅異種金屬激光焊接是動力電池生產(chǎn)的重要工藝之一。然而在激光熔化焊過程中鋁與銅在焊接熔池中相互混合會產(chǎn)生多種脆性金屬間化合物，嚴重影響接頭的力學性能和電學性能。振蕩激光掃描焊接以連續(xù)振蕩的方式進行焊接，通過改變振蕩模式、振幅、頻率可以增加熔池元素分布的均勻性從而控制金屬間化合物，同時大大減少焊縫中由于深熔小孔坍塌造成的氣孔缺陷。與傳統(tǒng)的線性激光焊接相比，接頭力學性能得到極大的提升。然而目前對振蕩激光掃描焊接工藝-組織-性能的內在關聯(lián)仍然缺乏理解。

近期，密歇根大學研究者采用實驗與模擬相結合的方式，分析了振蕩激光掃描焊接不同工藝參數(shù)焊接過程中的熔體流動、元素分布、相組成以及力學性能，揭示了異種金屬振蕩激光掃描焊接熔池流動與元素混合的物理機制。相關工作以《Effects of laser oscillation on metal mixing, microstructure, and mechanical property of Aluminum–Copper welds》為標題發(fā)表在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上。

研究內容

1、試驗部分：以圓形疊加的方式對厚度0.2 mm的純鋁與0.5 mm的純銅進行搭接振蕩激光掃描焊接（圖1）。工藝參數(shù)固定激光功率與線性進給速度，改變振幅與頻率。采用SEM與EDS對不同工藝參數(shù)的焊縫橫截面元素分布與微觀組織進行分析，并通過拉伸試驗確定不同工藝參數(shù)焊縫的最大抗拉力。根據(jù)以上試驗內容，建立了振蕩激光掃描焊接工藝-組織-性能的關系。

圖1 焊接過程示意圖

2、模擬部分：采用Flow3D軟件對振蕩激光掃描焊接過程進行計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）模擬，獲取焊接過程中的熔池溫度場、流場以及元素分布?；贑FD模擬結果，采用Thermo-Calc軟件的Scheil凝固模型對焊縫組織進行預測。將以上計算結果與實際焊接結果相對照。

研究結果表明，隨著振幅和頻率的增加，焊縫熔深減小，焊縫富鋁區(qū)的平均銅含量減小，銅元素分布更加均勻。隨著銅含量降低，微觀組織由成塊的脆性θ相轉變?yōu)檫^共晶/共晶/亞共晶組織，其中過共晶組織（初生θ相+共晶組織）具有最優(yōu)的力學性能。

圖2 (A)焊縫元素分布；(B)焊縫微觀組織；(C)焊縫力學性能

在振蕩激光掃描焊接過程中，熔池內有四種熔體流動類型（圖3），分別為反沖壓力驅動的流動，馬蘭戈尼力驅動的渦旋流動，繞深熔小孔的流動以及深熔小孔導致的渦旋流動。這四種流動驅動了熔池內的元素混合。隨著振幅和頻率增加，激光在軌跡切線方向的速度隨著增加，單位軌跡長度的熱輸入減小，使得反沖壓力驅動的流動減少，進入鋁側熔池的銅元素含量降低。同時，繞深熔小孔的流動以及深熔小孔導致的渦旋流動增加使得元素分布更加均勻。

圖3 (a)13.25 ms時熔池中銅濃度場和流體流動的三維圖像；(b)熔池俯視圖；(c)z=?0.1 mm平面的水平截面視圖；(d) A-A平面的截面視圖；(e)B-B平面的截面視圖

根據(jù)CFD模擬獲取的溫度場和元素分布對焊縫凝固路徑以及微觀組織分布進行預測，預測結果包括焊縫各位置中初生θ相，初生α相以及共晶組織的體積百分比（圖4），其與SEM試驗觀察到的結果吻合較好。

圖4 不同參數(shù)下熔合區(qū)的相分布預測

研究結論

采用試驗和模擬相結合的方法，研究了鋁/銅搭接接頭的振蕩激光掃描焊接過程。加深了對異種金屬搭接振蕩激光掃描焊接工藝參數(shù)、焊縫金屬元素分布、相組成與焊縫力學性能之間的關系以及振蕩激光焊接物理過程的理解。