鋁/銅異種金屬激光焊接是動(dòng)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(huì)產(chǎn)生多種脆性金屬間化合物，嚴(yán)重影響接頭的力學(xué)性能和電學(xué)性能。振蕩激光掃描焊接以連續(xù)振蕩的方式進(jìn)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(shí)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(xué)性能得到極大的提升。然而目前對(duì)振蕩激光掃描焊接工藝-組織-性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)仍然缺乏理解。

近期，密歇根大學(xué)研究者采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)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(dòng)、元素分布、相組成以及力學(xué)性能，揭示了異種金屬振蕩激光掃描焊接熔池流動(dòng)與元素混合的物理機(jī)制。相關(guān)工作以《Effects of laser oscillation on metal mixing, microstructure, and mechanical property of Aluminum–Copper welds》為標(biāo)題發(fā)表在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上。

研究?jī)?nèi)容

1、試驗(yàn)部分：以圓形疊加的方式對(duì)厚度0.2 mm的純鋁與0.5 mm的純銅進(jìn)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(jìn)給速度，改變振幅與頻率。采用SEM與EDS對(duì)不同工藝參數(shù)的焊縫橫截面元素分布與微觀組織進(jìn)行分析，并通過拉伸試驗(yàn)確定不同工藝參數(shù)焊縫的最大抗拉力。根據(jù)以上試驗(yàn)內(nèi)容，建立了振蕩激光掃描焊接工藝-組織-性能的關(guān)系。

圖1 焊接過程示意圖

2、模擬部分：采用Flow3D軟件對(duì)振蕩激光掃描焊接過程進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）模擬，獲取焊接過程中的熔池溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及元素分布。基于CFD模擬結(jié)果，采用Thermo-Calc軟件的Scheil凝固模型對(duì)焊縫組織進(jìn)行預(yù)測(cè)。將以上計(jì)算結(jié)果與實(shí)際焊接結(jié)果相對(duì)照。

研究結(jié)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(zhuǎn)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(xué)性能。

圖2 (A)焊縫元素分布；(B)焊縫微觀組織；(C)焊縫力學(xué)性能

在振蕩激光掃描焊接過程中，熔池內(nèi)有四種熔體流動(dòng)類型（圖3），分別為反沖壓力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)，馬蘭戈尼力驅(qū)動(dòng)的渦旋流動(dòng)，繞深熔小孔的流動(dòng)以及深熔小孔導(dǎo)致的渦旋流動(dòng)。這四種流動(dòng)驅(qū)動(dòng)了熔池內(nèi)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(qū)動(dòng)的流動(dòng)減少，進(jìn)入鋁側(cè)熔池的銅元素含量降低。同時(shí)，繞深熔小孔的流動(dòng)以及深熔小孔導(dǎo)致的渦旋流動(dòng)增加使得元素分布更加均勻。

圖3 (a)13.25 ms時(shí)熔池中銅濃度場(chǎng)和流體流動(dòng)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(chǎng)和元素分布對(duì)焊縫凝固路徑以及微觀組織分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)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(yàn)觀察到的結(jié)果吻合較好。

圖4 不同參數(shù)下熔合區(qū)的相分布預(yù)測(cè)

研究結(jié)論

采用試驗(yàn)和模擬相結(jié)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(duì)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(xué)性能之間的關(guān)系以及振蕩激光焊接物理過程的理解。