激光脉冲形状和间距对铝铜薄膜异种焊接的影响

长三角G60激光联盟导读

本文研究了铝-铜（Al-Cu）电连接的脉冲Nd:YAG激光焊接，重点是确定最佳工艺参数，通过改变激光脉冲形状和分离距离来实现低厚度接头。

摘要

由于铝和铜材料的固有特性，在电气应用中经常需要由铝和铜组成的异质接头。由于材料之间的高反射率和较差的可焊性，铝和铜等异种金属的焊接涉及许多挑战，会产生脆性微观结构化合物，导致机械和电气性能降低。对铝铜搭接接头进行了冶金、机械、电气和热分析，以评估不同脉冲间隔距离和形状对焊缝的影响。工艺优化实现了焊接接头的低穿透深度和超过110 kgf的最大拉伸载荷 。进行了初步实验，以建立工艺参数可行性窗口。第一组研究了方形脉冲的脉冲能量和距离的变化，而第二组研究了脉冲能量、脉冲距离和脉冲形状的变化。结果发现，存在特定参数集的最佳脉冲距离，而包括材料预热的脉冲形状在机械强度和电阻方面比具有高初始峰值功率的脉冲产生更好的结果。

介绍

异种连接工艺有许多应用，特别是在汽车电池行业。由于铝（Al）和铜（Cu）的固有特性，在电气应用中通常需要非均质接头。铜提高了导电性，而铝确保了重量减轻。这些方面在电动和混合动力汽车制造行业尤为关键，在该行业，高效电力推进系统的必要性迫使制造商追求更强大、重量最小的电池，以降低能耗。电动汽车电池的发展显然必须与生产电池所需的材料和技术发展同步进行。因此，可能会出现传统制造工艺难以解决的生产问题。

Tyloxapol/C12E4 LLC的POM图像。

由于铝和铜的高反射率，研究其最佳激光焊接条件是一项非常重要的工作。因此，在工艺开始时，它们不能作为固体有效吸收光束。它们也很难焊接材料，因为它们的混合意味着不同的物理、化学和热特性，例如不同的密度、熔化温度以及热导率和电导率。此外，铝和铜的相互溶解度较低，铜在铝中的最大溶解度仅为5.65 固溶体中的重量百分比。因此，焊接通常会导致形成脆性金属间化合物层，从而影响接头的机械和电气性能。在铝-铜平衡相图中可以观察到几种金属间化合物。富铜金属间化合物是坚硬、弱的导电体，延伸能力有限。为了保持金属基材的延展性和韧性，应避免或至少最小化金属间层的形成。因此，有必要减少两种金属之间的混合，这可以通过最小化材料之间的相互作用时间来实现。因此，最理想的焊缝配置是上部材料穿透下部材料的深度非常低。

沿长轴为中间焊点剖切的正常焊缝试样的横截面OM图。

虽然许多作者通过实验技术研究了脉冲激光辐照获得的接头的性能，但大多数作者都专注于优化峰值脉冲功率和持续时间。关于改变脉冲形状，研究该参数对铝焊接接头的影响的作者数量非常有限，而据作者所知，没有与铝铜接头的机械、电气和热分析相关的工作。

因此，本文的目的是通过首先研究脉冲能量和距离的影响，然后引入不同的脉冲形状来验证这一方面对焊缝形态以及机械、电气和热接头特性的影响，来表征和优化铝和铜薄膜脉冲激光焊接的工艺参数。

材料和方法

实验所用材料为纯铝（Al1050 HO 99.9%）和纯铜（Cu1020 HO 1999.9%），含2.5% μm厚的镍电镀层。样本为45 × 70 尺寸mm，厚度0.45 mm和0.3 mm。

实验使用的激光光源为灯泵浦固体脉冲Nd:YAG激光器(Trumpf HL204 P)，波长为1064 nm，光纤光束传输到焊头。焊接接头是在脉冲模式下实现的，使用最大脉冲频率实现平均功率200 W的每次测试。采用Trumpft专有软件TL WinLas与激光系统进行接口，设置峰值功率、脉冲持续时间、频率和脉冲距离等工艺参数。此外，它允许实际绘制脉冲形状作为一组点在峰值功率-脉冲持续时间图(图1)。

图1激光焊接工艺设置。

在无保护气体的情况下进行焊接，重叠配置为10 mm，顶部是Al层。激光束在工件上扫描，同时样品被夹在夹紧系统中，以保持两层之间足够的接触。实验过程从初步试验开始，以建立适当的工艺参数集，为方形脉冲形状提供最佳的焊缝几何形状。每种焊接配置重复三次。

随着脉冲距离d的增加，不同配置的脉冲距离如图2所示。

图2.脉冲距离表示：低于、等于或高于光斑半径的脉冲距离。

在这些试验之后，其中一个工艺条件（E = 13 J）在改变脉冲形状时进行了进一步研究。图3中报告的A、B、C、D、E和F表示的脉冲形状对应于：

A.标准方脉冲；

B增加阶跃脉冲；

C增加斜坡脉冲；

D减小阶跃脉冲；

E减小斜坡脉冲；

F中心峰值脉冲。

图3.脉冲形状配置：a）方形脉冲；b）增加阶跃脉冲；c）增加斜坡脉冲；d）减小阶跃脉冲；e）减小斜坡脉冲；f）中心峰值脉冲。

增加的阶跃和斜坡脉冲与减少的阶跃脉冲和斜坡脉冲相反，以便有效比较不同的脉冲形状。

激光焊接后，制备标准金相样品，并使用光学显微镜进行分析，以研究接头界面的微观结构。通过测量穿透深度p和界面焊道宽度l，特别注意可能的缺陷和不同焊缝配置的形态。

采用配备200 kgf测力元件的INSTRON 8033进行拉伸试验，测试速度为0.025 mm/s，比较不同接头的力学特性。以5 Hz的采样率记录拉伸载荷和导线位移。样品的几何形状不符合机械测试标准，因为样品是用来代表真实的电气系统的。每个测试焊接配置重复三次。

在距离界面100 μm、间距为300 μm的Al和Cu板材上，沿焊缝截面加载100 g 20 s，进行维氏显微硬度试验，如图4所示。

图4维氏显微硬度试验位置。

使用距离为10的热电偶进行热测量，如图5所示，在焊缝的开始、中间和结束处，距离焊缝两侧mm。记录最大和平均焊接温度值。

图5.热试验的热电偶定位。

结果和讨论

初步分析使用方形脉冲形状(仅改变脉冲能量)，建立了在0.1、0.32、0.55、0.8和1.2 mm脉冲分离距离下发生焊接的工艺参数范围。峰值功率为6 kW，脉冲能量随着分离距离的增加而逐渐增加，以确定焊接工艺的可行性极限。

由此产生的焊缝分类：缺席的、深度低、深度高、削减。

图6中报告了四种不同的焊缝类型，其中通过使用相同的工艺参数集增加脉冲能量来实现从缺失焊缝到切割的过程。

图6焊缝分类：缺失、低深度、高深度和切口。

图7所示为峰值功率为6 kW，脉冲形状为方形的工艺可行性窗口。焊缝尺寸随着脉冲能量的增加而增加，直到切割发生，而当脉冲距离增加，连续脉冲之间的相互作用不明显时，需要更高的脉冲能量来达到类似的结果。优化的工艺参数是焊缝深度较低的工艺参数，随着脉冲距离的增加，对脉冲能量的要求较高。

图7 激光焊接工艺参数可行性窗口(P = 6 k W，方脉冲)。

随后，研究了机械关节强度与脉冲距离的关系，以确定获得最大关节强度和稳定性的最佳脉冲距离。具体来说，由于从形态角度看焊缝的有趣性质，采用了13 J的脉冲能量和15 Hz的脉冲频率。图8为正方形、递增步长、递增斜坡和中心峰值脉冲形状随脉冲距离的变化曲线。对于平方脉冲，最大拉伸载荷随脉冲间距的增加而增加，脉冲间距为0.1 mm时为22 kgf，脉冲间距为0.55 mm时为121 kgf，然后随着脉冲间距的增大而逐渐减小。如图9所示，由于焊缝非常脆，在0.1 mm处的最大拉伸载荷非常低。该接头表现为Al完全渗透到Cu板中，出现气孔和裂纹。当脉冲距离增加到0.32 mm时，焊缝缺陷减少，界面宽度增大，最大拉伸载荷增大;然而，相当大的混合发生了。随着脉冲距离的进一步增加(d = 0.55-0.8 mm)，脉冲之间的相互作用逐渐减弱，达到了材料之间发生最小混合的程度，从而减少了可能的金属间化合物的形成。当脉冲距离为1.2 mm时，焊接效率降低，拉伸载荷降低。

图8 在E = 13 J的各种脉冲距离的最大拉伸负载。

图9.方形脉冲的Seam形态，E = 13 J适用于各种脉冲距离：（a）d = 0.1 mm；（b）d=.32mm；（c）d=.55mm；（d）d=.8mm。

随着坡度的增大和阶跃脉冲形状的增大，其变化趋势也不尽相同。在第一种情况下，拉伸强度从接近120 kgf的高值开始，持续0.1 mm脉冲分离，并在86.5 kgf和120 kgf之间的相对较小范围内变化。这种行为可能与材料中逐渐增加的热量输入有关，从而减少混合物和脆性化合物的形成。随着拉伸载荷在120 kgf下开始非常高，并且随着脉冲距离的增加而减小，步进脉冲形状与方形脉冲相反。因此，这种脉冲形状被认为效率较低。中心峰脉冲形状与步进脉冲形状相似。

脉冲形状与焊缝形貌的关系如图10所示。在这种情况下，所有测试对应的脉冲能量为13 J，脉冲距离为0.32 mm。当最大峰值功率只维持很短时间时(脉冲形状B, C和F)，焊缝的几何形状往往是有限深度的。相反，方形脉冲形状往往会产生一个稍微大的混合区域(脉冲形状a)。反向脉冲形状(B vs D和C vs E)之间也有很大的差异。高初始峰值功率似乎对焊接材料不太有效。而脉冲形状的预热导致了这种高反射材料的焊接值得注意的改进。初始预热阶段提高了熔池温度，在有效焊接材料的高峰功率阶段之前，使上板的吸收率提高。

图10 接缝形态与E = 13 J和d = 0.32 mm各种脉冲形状:a)方脉冲;B)递增步进脉冲;C)增加斜坡脉冲;D)步进脉冲递减;E)下降的斜坡脉冲;F)中心峰脉。

图11显示了这些观测的结果，其中显示了不同脉冲形状的最大拉伸载荷之间的差异。减小台阶和斜坡脉冲形状的能量输入不足以实现合理的拉伸载荷。

图11 各种脉冲形状的最大拉伸载荷比较: a）方形脉冲；b）增加阶跃脉冲；c）增加斜坡脉冲；d）减小阶跃脉冲；e）减小斜坡脉冲；f）中心峰值脉冲。

最大拉伸载荷可以表明接头的导电性，因为两者都受到金属间化合物形成的强烈影响。这些化合物普遍存在的迹象可以通过显微硬度测试和拉伸试验中吸收的能量给出。拉伸试验曲线如图12、图13所示。第一幅图中考虑了脉冲距离的影响，第二幅图中显示了脉冲形状的影响。接头在拉伸试验过程中吸收的能量可以看作是拉伸试验曲线下的面积，提供了脆性金属间化合物形成的重要信息。在变形过程中吸收更多的能量意味着更有韧性的接头。可以认为提高延性是可取的，因为这意味着金属间化合物的形成有限。从图中可以观察到，脉冲距离为0.55 mm时获得了最高的延性，在那里获得了最大的拉伸载荷。当脉冲距离为0.1 mm时，由于焊接区存在明显的材料混合，接头的延性非常低。当脉冲间距达到0.55 mm时，延性增大，当脉冲间相互作用减弱时，延性又减小。

图12在不同脉冲距离下E = 13 J的方形脉冲形状的拉伸试验曲线:。

图13 拉伸试验曲线有E = 13 J和d = 0.32 mm的各种脉冲形状:方形、递增步长、递增步长、递减步长、递减步长、中央峰值脉冲。

与脉冲形状的影响有关，方形、中心峰、增加的斜坡和阶梯形状的脉冲延性最高，除了斜坡形状增加的脉冲提供了最大的吸收能量外，其他形状的延性都表现出相似的趋势。减少斜坡和步进脉冲形状反而实现了非常低的吸收能量值。

其他的观察结果可以与关节的破坏模式联系起来。失效模式如图14所示，焊接区也被突出显示。接缝不是很牢固的地方，破坏发生在两块板之间的界面(图14-a)。脆性接头在焊缝附近失效，获得较低的最大拉伸载荷(图14-b)。而在接头的Al一侧，延性接头失效(图14-c)，表明母材的抗拉强度低于接头本身。考虑到拉伸接头强度与电阻的相关性，可以预计接头的导电性高于基材的导电性。

图14 Al-Cu焊缝失效形式:a)界面失效;B)沿焊缝失效;C)基材失效。

图15给出了两种显微硬度分布图。维氏显微硬度图对应的脉冲能量相同(E = 13 J)，脉冲距离分别为0.1和0.55 mm，脉冲形状为方形。这些条件得到了不同的力学结果。特别是，第一个样品表现出较低的最大拉伸载荷和更脆弱的行为，这反映在显微硬度测量。当脉冲距离为0.1 mm时，表明脉冲重叠非常大，形成脆珠，导致铜片的显微硬度为824 HV0.1。与基材相比，这是一个非常高的值，基材在85-90 HV0.1的量级。在脉冲距离为0.55 mm的样品中，有限的脉冲重叠导致焊接深度较低，铜片中的显微硬度曲线不变，与母材的显微硬度相等。相反，在两种焊接条件下，铝片内的最大显微硬度值是相似的，但在第二种情况下，它们是在一个更有限的区域内获得的。间接地，拉伸试验和显微硬度测量为金属间化合物的形成和电性能提供了重要的指标。

图15.方形脉冲的维氏微硬度测量，E= 13 J:a）d= 0.1 mm；（b）D=.55mm。

电气测量反映了机械试验期间的观察结果。将k因子作为图16中脉冲分离距离的函数，可以观察到与最大拉伸载荷的相似性。对于脉冲分离距离为0.1 mm的样品，测量了最高的K因子值，该值显示了拉伸试验期间的脆性行为以及高硬度。随着脉冲距离的增加，焊接接头与基材的电阻比降低到最小值0.55 mm，达到最佳机械性能。除此之外，该值再次增加，但仍低于1.06。

图16电气测量：k因子和最大拉伸负载之间的相关的方形脉冲形状E = 13 J的各种脉冲距离。

图17报告了所有脉冲形状的k因子值。数值在k = 1附近保持不变，表明与基材相比，接头电阻较好。每个脉冲形状的值都类似，除了由于无效的接头而获得更高值的步进和斜坡脉冲有所下降。

图17 电测量:k因子与脉冲形状的相关性E = 13 J和d = 0.32 mm。

图18给出了最大焊接温度和平均焊接温度，从图中可以看出，在其他因素不变的情况下，随着脉冲距离的增加，测量温度降低。当脉冲距离为0.1 mm和一个方形脉冲时，观察到的最高焊接温度接近90 °C，而对于所有其他工艺条件，最高温度不超过65 °C。这是由于分离距离为0.1 mm的脉冲之间的高度重叠导致了过程中更高的全局热能输入和相互作用时间。

图18 对于不同的脉冲距离，E = 13 J的方形脉冲形状的最高和平均焊接温度。

不同脉冲形状下的最高和平均工艺温度的对比如图19所示。下降的斜坡脉冲形状达到了最低的最高温度和平均温度，但没有达到可接受的力学结果。减小的阶跃脉冲形状达到了最高的温度值，但同样没有达到可接受的机械性能。最高和平均温度在所有其他情况下是可比较的，最高温度范围在52-63 °C，平均温度范围在32.4-41.7 °C。

图19 对于各种脉冲形状，E = 13 J和d = 0.32 mm的最高和平均焊接温度。

结论

定义了一个合适的工艺参数窗口，用于使用Trumpf HL204焊接Al-Cu薄膜 P脉冲激光源。随着脉冲能量的增加和脉冲间隔距离的减小，焊缝尺寸增加，直到切割发生。最佳工艺参数导致了较低的焊接深度，随着脉冲距离的增加，脉冲能量逐渐增加。

机械试验结果总结如下：

•在恒定脉冲能量下（13 J）对于方形脉冲形状，最大拉伸载荷随着脉冲距离的增加而增加，达到0.55 mm，之后观察到下降。对于其他脉冲形状（除了减小阶跃和斜坡），最大拉伸载荷是在脉冲分离距离在0.1-0.3mm范围内实现的。

•在相同的脉冲能量下，采用预热（增加阶跃和斜坡）的脉冲形状比其相应的反向脉冲形状（减少阶跃和斜面）获得更高的最大拉伸载荷。

•在拉伸试验期间，焊道吸收的能量在0.1 mm的脉冲距离内假设为非常低的值，因为焊缝行为脆弱。

•维氏显微硬度测试与这些结果一致，因为测量结果显示混合区域的显微硬度值非常高，对应于最脆弱的工艺条件，由0.1mm的脉冲距离表示。

随着脉冲距离的增加，温度测量显示出最大和平均过程温度的下降趋势。此外，对于实现良好机械性能的脉冲形状，最高温度在52–63°C范围内 。

来源：The influence of laser pulse shape and separation distance on dissimilar welding of Al and Cu films, Journal of Manufacturing Processes, doi.org/10.1016/j.jmapro.2019.07.015

参考文献：Influence of diffusion brazing parameters on microstructure and properties of Cu/Al joints, J Manuf Process, 35 (October) (2018), pp. 343-350; Microstructure, welding mechanism and failure of Al/Cu ultrasonic welds, J Manuf Process, 20 (October) (2015), pp. 515-524