王文明，劉蘭勝，程根健，薛金磊

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

銅鋁異種金屬連接在軟包動(dòng)力電池制造中應(yīng)用廣泛。銅的密度相較于鋁比較大且價(jià)格貴，于是，人們開始探索在一定程度上用鋁代替銅作為軟包動(dòng)力電池的金屬材料，這樣不僅降低了制造成本，而且能夠減輕汽車自重[1-3]。然而，銅和鋁的物理化學(xué)性質(zhì)存在很大差異，導(dǎo)致銅與鋁異種金屬之間的焊接性非常差[4]。

目前，激光焊接已廣泛應(yīng)用于各類金屬材料，與傳統(tǒng)焊接方法相比有許多優(yōu)點(diǎn)，比如：熱輸入小、能量密度高、焊接速度快和熱影響區(qū)窄等特點(diǎn)[5]。特別是高能量密度的聚焦光束，使得其可以熔化大多數(shù)金屬材料，并且能夠克服由于異種金屬熱導(dǎo)率不同帶來的熔化問題，這使得激光焊接在解決異種金屬的焊接具有明顯優(yōu)勢(shì)。

本課題研究了銅鋁異種金屬激光穿透焊時(shí)，主要工藝參數(shù)激光功率、焊接速度、光斑直徑、焦距等對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律，并以焊接接頭的剪切力為目標(biāo)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。因?yàn)楹附铀俣戎苯記Q定焊縫總熱輸出入量和單位長(zhǎng)度的線能量密度，因此主要研究了焊接速度對(duì)焊縫的影響，通過對(duì)銅鋁異種金屬激光焊接力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試和分析，獲得不同焊接速度條件下銅鋁接頭焊縫形貌特征尺寸和變化規(guī)律。

本課題開展銅鋁異種金屬激光穩(wěn)定研究，對(duì)于弄清異種金屬激光焊接形成原理具有重要的理論意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)采用銅在上鋁在下激光搭接焊，焊接材料為工業(yè)純鋁1060 和紫銅（T2），銅式樣尺寸規(guī)格為45 mm× 30 mm × 0.6 mm，鋁試樣尺寸規(guī)格為60 mm ×32 mm × 3 mm，焊縫尺寸規(guī)格：40 mm × 0.5 mm（圖1）。激光焊接之前用2000 目砂紙對(duì)工件表面進(jìn)行打磨，去除表面氧化膜和油污等，然后用酒精洗凈并吹干，不僅增加了焊接區(qū)域的清潔度，而且減少了銅表面對(duì)激光的反射率。

圖1 銅鋁焊接示意圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有德國(guó)羅芬（ROFIN）RF-02C-C型單膜激光器，出射頭為德國(guó)SCANLAB 振鏡和發(fā)那科（FANUC）機(jī)器人[6-7]，使用自制專用夾具進(jìn)行焊接；激光器最大功率為2500 W，光纖芯徑為20 μm。

本實(shí)驗(yàn)焊接參數(shù)的設(shè)定是以能夠焊透1.2 mm 的總體厚度為標(biāo)準(zhǔn)[8]，在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合焊縫外觀與剪切力情況，確定焊接功率為1275 W，激光光束直徑0.4 mm 等參數(shù)，采用99.999%的氬氣作為保護(hù)氣體，通過控制變量法來研究熱輸入量對(duì)焊縫組織形貌和力學(xué)性能的影響；并以焊接接頭的剪切力為主要指標(biāo)優(yōu)化出最佳的焊接工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)采用的工藝參數(shù)共5 組見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)采用的工藝參數(shù)

焊后沿工件橫截面進(jìn)行切樣、打磨和拋光，試樣采用keller 試劑進(jìn)行腐蝕[9]，銅鋁焊縫用光學(xué)顯微鏡對(duì)焊縫橫截面進(jìn)行分析，并用DNS10 萬能電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊縫的剪切力進(jìn)行分析。本實(shí)驗(yàn)在無特殊說明的情況下，離焦量均為0，wobble 速度為640 mm/s，焊縫長(zhǎng)度為28 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的宏觀形貌

在激光功率、保護(hù)氣體流量、焦距和光斑直徑一定的情況下，只改變焊接速度，通過觀察焊縫的宏觀形貌來研究速度對(duì)焊縫成形的影響。結(jié)果如圖2 所示。

圖2 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響（P=1275W，F(xiàn)=200mm）

由圖2 可知，隨著焊接速度的不斷增大，焊縫總的熱輸入量是不斷減小的，在一定速度范圍焊縫剪切力逐漸增大。由于焊接速度過小，熱輸入量過大，焊縫金屬表面局部出現(xiàn)氣化現(xiàn)象，下層鋁金屬液體密度小于銅金屬液體密度，熔池金屬在激光束攪拌和重力的作用下，液態(tài)鋁金屬上浮進(jìn)入焊縫和部分過熱氣化的鋁蒸汽未及時(shí)排出，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)“滲鋁”現(xiàn)象。隨著焊接速度的增加，“滲鋁”現(xiàn)象逐漸得到改善；隨著焊接速度的增加，焊縫線密度逐漸減小，焊縫剪切力也逐漸減小。

綜上所述：在一定焊接速度范圍內(nèi)，焊縫剪切力出現(xiàn)先增大后減小的結(jié)果，在這一過程中伴隨“滲鋁”、焊縫線密度減小等現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.2 焊接接頭橫截面形貌

由圖3 可知：當(dāng)焊接速度V= 30 mm/s 時(shí)，焊縫金屬嚴(yán)重“滲鋁”且塌陷嚴(yán)重，焊縫寬度僅1.33 mm，采用DNS10 萬能電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊縫剪切力測(cè)試，結(jié)果為：1026.08 N，與目標(biāo)值2000 N 相差甚遠(yuǎn)。當(dāng)焊接速度V= 40 mm/s 時(shí)，焊縫寬度快速增大至2.33 mm，但焊縫局部“滲鋁”嚴(yán)重，剪切力為1348.45 N；當(dāng)焊接速度V= 50 mm/s 時(shí)，焊縫中出現(xiàn)均勻的銅鋁金屬混合區(qū)，無明顯“滲鋁”和局部塊狀雜質(zhì)，焊縫寬度為1.83 mm，剪切力為2153.85 N，超過目標(biāo)值；當(dāng)焊接速度V= 60 mm/s 時(shí)，由于熱輸入量降低，焊接速度過快，焊縫底部聚集大量未來得及與銅金屬融合的鋁塊狀物，導(dǎo)致焊縫金屬中出現(xiàn)明顯的銅鋁金屬分界線，焊縫寬度僅為1.53 mm，剪切力1787.53 N，未達(dá)到目標(biāo)值；當(dāng)焊接速度V= 70 mm/s 時(shí)，熱輸入量過低，熔深過淺，未有效形成良好穿透焊縫，剪切力僅為560.45 N。

圖3 不同速度（V）時(shí)焊接接頭的橫截面形貌

綜上所述：焊縫剪切力與焊接速度、焊縫寬度具有耦合作用。金相實(shí)驗(yàn)表明，焊縫剪切力與“滲鋁”現(xiàn)象成負(fù)相關(guān)，鋁滲入銅側(cè)厚度方向越深，寬度方向越多，剪切力越小，只有形成均勻的銅鋁混合相，焊縫剪切力才能達(dá)到目標(biāo)值。

3 結(jié)論

銅鋁異種金屬的激光焊接實(shí)際試驗(yàn)表明，焊接速度直接決定焊縫總熱輸出入量和單位長(zhǎng)度的線能量密度。同時(shí)有如下結(jié)論：

（1）在焊接功率、焦距、光斑直徑等參數(shù)一定時(shí)，當(dāng)焊接速度V= 30 mm/s 和V= 40 mm/s 時(shí)，由于熱輸入量過大焊縫均出現(xiàn)不同程度“滲鋁”現(xiàn)象，并且速度越低，熱輸入量越大，“滲鋁”現(xiàn)象越嚴(yán)重。原因?yàn)椋河捎阢~鋁熔點(diǎn)相差較大，且鋁熔點(diǎn)較低，在過熱時(shí)鋁瞬間融化甚至氣化進(jìn)入焊縫金屬，在激光焊接波形的“攪拌”和重力作用下，鋁金屬液體和氣體迅速進(jìn)入到焊縫表面，從而形成“滲鋁”現(xiàn)象。

（2）在焊接功率、焦距、光斑直徑等參數(shù)一定時(shí)，當(dāng)焊接速度過高時(shí)，焊縫單位長(zhǎng)度上獲得的熱輸入量過低，焊縫出現(xiàn)未焊透、熔深不夠、焊接線過疏等缺陷，導(dǎo)致焊縫剪切力過小。

（3）當(dāng)焊縫中出現(xiàn)均勻的銅鋁金屬混合區(qū)，無明顯“滲鋁”和局部塊狀雜質(zhì)，焊縫線密度均勻且平整，實(shí)測(cè)焊縫的剪切力符合目標(biāo)要求。

（4）當(dāng)焊接功率為1275 W、焊接速度為50 mm/s、焦距為200 mm、光斑直徑為0.4 mm 時(shí)，銅鋁激光焊接接頭的焊縫成形最好并獲得最大剪切力，為2153.85 N，承載能力達(dá)到母材的97%，焊接接頭的承載能力與母材基本匹配。