董晓萌，孔德群，周建，周晓炜

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20世纪60年代，一种新型的焊接技术——激光焊接出现。激光技术与焊接技术的融合，实现了一种非接触的焊接方式，利用较少量的热输入、较小的热影响区实现多层金属的焊接[1]。同时还具有智能化、自动化、集成化，焊接焊缝小、变形量小、效率高和焊缝性能好等优点，在汽车制造、航空航天、造船等领域得到迅速的应用。一方面，通过使用激光焊接代替原来的铆钉铆接技术等，降低了产品自重，节约了成本，提高了产品质量；另一方面，利用激光快速的焊接特点，提高了焊接的效率[2]（见图1）。

铝合金密度低、比强度高、延展性好，易于成形；铜及铜合金良好的导电性能也使其应用广泛。这些性能使得铜/铝金属得到了广泛的应用，在新能源汽车领域更是如此。据统计数据显示，铜/铝异种金属接头在21世纪将占到异种金属接头组合形式的5.8%[3]。快速有效的铜/铝激光焊接有很大的开发潜力。

然而，异种金属物理性能有明显的差异以及材料对激光的高反射率与高传导率，导致焊接质量参差不齐，因此如何实现异种金属的高质有效焊接，是目前亟待解决的难题。

铜/铝激光焊接的特点

由于铝及铝合金对激光具有高的反射率和热传导率，导致其对激光的吸收率差。铜/铝金属物理性能差别较大，两者在焊接过程中，在铝熔化过热后，铜可能还没有熔化，导致焊接困难。同时激光焊接过程较快，焊接时间短，导致焊接过程中两种溶液混合不充分，冷却后焊接熔融区成分不均匀，铜/铝异种金属的焊接头焊缝残余应力大。因此，要使铜/铝激光焊接发挥更大的作用[4，5]，必须克服这些缺点。

影响铜/铝焊接质量的因素

影响铜/铝激光焊接质量的因素多种多样，既包含由于材料本身特性而导致的焊接局限，也包含焊接工艺、焊接方法的影响。通过选择合适的激光器、激光加工参数及设计焊接方法，可以有效改善铜/铝焊接接头的质量。

1.激光器类型对焊接质量的影响

激光焊接根据工作介质可以分为CO2激光器、半导体激光器、YAG激光器及光纤激光器[4]。

1）半导体激光器主要应用于医疗、打印、光通信及光存储等信息领域。但是高功率半导体激光器在大电流工作连续输出时会出现损伤、烧孔，甚至烧毁等问题，难以用于需要高功率能量输出的工业加工中。

2）CO2激光器虽然具有较高的电光转化效率和输出功率，但其发射光的波长长，而铜/铝金属具有高反射率，其对激光的反射作用不利于实现高效的激光加工。

3）YAG激光器的工作介质是红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石等，光纤激光器的工作介质为光纤，两者的反射光波长为CO2激光器反射光波长的1/10，是目前应用广泛的激光器。两者在焊接加工方面各有利弊。

YAG激光器与金属耦合效率高，加工性能良好，能够方便地将一束激光传输给多个远距离工位，便于实现柔性化，也可以实现脉冲、连续两种工作模式，但是其使用及维护成本高。光纤激光器的电光效率高达20%以上，远远大于YAG激光器的电光效率，具有免调节、免维护、稳定性高，结构简单，占地面积小的特点，但是相对稳定性难以保证。现在来看，两种激光器都是适合铜/铝激光焊接的激光器。需要注意的是，为了防止铜、铝等对激光的高反射率，有时在试验前，需要对铜/铝表面做打磨处理。

2.焊接参数对焊接质量的影响

焊接参数包含焊接焦点位置、激光输出功率、焊接速度及焊接频率等。激光输出功率越大，焊接速度越慢，材料吸收的能量越多，材料熔融加快，焊接效率提高，但过高的焊接能量可能导致材料过热，焊接失效。对于铜/铝异种金属的焊接，通常以熔焊为主。

随着吸收的焊接能量越多，铜/铝之间反应生成的脆性物质增加，焊接质量变差。焊接频率是激光器在1s内打出的脉冲数量，随着脉冲频率的降低，焊接点之间的重叠率也会降低，焊缝表面质量也会相对较差。

薛志清等[6]研究了0.3mm厚工业纯铝1060和纯铜T2铜/铝激光搭接焊（铜在上，铝在下）的焊接工艺，随着焊接速度由125mm/s增加到145mm/s，成分为CuAl2焊接混合区段都不断减小，且混合区的过共晶形态由等轴状向板条状转变，这一形状及其与剪切力形成的大角度，阻止了晶粒发生横向移位，最大剪切力提高。焊接速度为145mm/s时，焊接搭接接头的拉伸剪切力最高。

杨科林等[7]通过控制变量法研究了焊接功率、焊接速度与焊接频率对铜-铝异种金属搭接焊的影响，并通过拉伸试验验证焊接质量。对于1.5mm厚6061系铝板与厚2mm表面镀锌的铜质导电排搭接焊，焊接功率越大，焊接效果越好。焊接速度在90～120mm/s内，可以形成一定量的有效熔池。当焊接频率为80Hz时，焊接熔融效果最好。

3.添加中间层对焊接质量的影响

铜/铝直接焊接容易产生脆性裂纹，在铜/铝材料之间添加材料或者增加镀层可以影响铜/铝二元中间相的形成，改善焊接的质量。

赵莹等[8]通过在铜/铝板材之间（铜在上，铝在下）增加银箔或银片，改善了铜/铝焊接接头的质量。银的添加阻断了熔池中铜/铝二元脆硬相的生成。适量银的加入，使铜侧的熔池区域生成了啮齿状的Al-Al2Cu-Ag2Al三元共晶相，有效改善了铜/铝激光焊接焊缝的成形和焊接质量。其接头的抗拉强度在添加20μm银箔时达到220N以上，与未加银箔相比，提高了将近1/3。

张璐瑶等[9]研究了镀镍层对铜/铝金属间化合物的影响。中间层对铜/铝的焊接反应也起到了隔离生成脆性铜/铝中间化合物的作用。随着镀镍层的厚度增加，焊接接头处铜/铝间金属化合物厚度增加，焊接接头最大抗拉强度可以达到70.77MPa。

铜/铝焊接组织与性能

铜/铝的激光焊接形成的接头通常具有较差的力学性能。经分析，铜/铝金属反应后，易形成金属间化合物，例如Cu2Al、Cu2Al3、CuAl和CuAl2。金属间化合物形态和分布会影响接头的力学性能，是铜/铝焊接接头主要的断裂区。

薛志清等[6]通过研究铜/铝激光焊接的微观组织及成分，发现其焊接区域分为5个区域。离Cu侧最近的为平行排列的板条状CuAl，镶嵌在过固溶体中；接下来是CuAl和CuAl2的混合物；区域3是CuAl2不连续地分布在共晶组织中；区域4是α-Al与θ相交替平行排列地层片组织；区域5为树枝亚共晶组织。通过SEM和EDS对断口进行分析发现，断裂发生在区域3（见图2）。

图2 铜/铝过渡区微观组织

赵莹等[7]也研究了Cu/Al激光熔钎焊搭接焊接头的显微组织。Cu/Al激光焊接的熔融区由大量的树枝晶组成，其成分为Cu9Al4。同时，在Cu内部，存在少量扩散的液态铝与Cu反应形成的柱状组织，成分与熔融区一致。Cu和Al界面由多相组成，包含树枝状的Cu9Al4相、α-Al及θ-CuAl2。由于铜/铝中间相的存在，在外力载荷下，这些脆硬相极易因为应力集中产生裂纹，造成接头的失效。

BRAUNOVIE M等[10]的研究结果表明，当金属件化合物的总厚度小于2μm时，Cu/Al异种金属接头的力学及导电性能才不受影响。

结语

铜/铝异种金属的激光焊接技术受到越来越多的关注。但是由于异种金属间物理性能之间的差异，导致激光焊接效果的差强人意。随着研究的深入，人们对影响铜/铝金属焊接的因素认识越来越深刻，这对优化铜/铝异种金属的焊接具有积极而重要的意义。最终实现铜/铝异种金属的激光快速焊接，对航空航天、汽车制造等领域将是一个巨大的推动作用，同时对于指导其他异种金属的连接也有积极的作用。