Al/Cu异种金属激光焊接的界面反应、缺陷形成、过程监测与可追溯质量链：综述

《Materials Today Communications》：Laser Welding of Dissimilar Aluminum/Copper Joints: A Review

　　

铝/铜（Al/Cu）激光焊接接头正越来越多地用于轻质且高导电的互连结构，包括电池极耳、母排和功率模块。Al与Cu在热物理性质、光学吸收率和冶金相容性方面的显著差异会促进Al–Cu金属间化合物（IMCs）、异质反应区、气孔、裂纹和未熔合缺陷的形成。这些显微组织特征和缺陷会影响接头的承载能力、电阻、电流致温升和长期稳定性。该综述考察激光焊接Al/Cu接头在界面反应、熔池混合、缺陷形成、过程控制、中间层辅助连接、过程监测和服役可靠性方面的最新进展。研究评估连续波（CW）、脉冲、光束振荡、core–ring光束、短波长激光和外场辅助方法在板厚、堆叠顺序、熔深要求、电阻要求、生产节拍和界面间隙方面的适用性。多传感器监测可建立过程信号与熔深、界面熔合宽度或缺陷状态之间的相关性。然而，模型性能应使用横截面金相、微计算机断层扫描（μXCT）和服役性能数据进行验证。需要独立焊缝验证和跨工艺条件测试来评估模型可迁移性。最后，提出面向Al/Cu电互连的可追溯质量链概念框架。该框架将工艺参数与界面显微组织、空间缺陷分布、有效电流路径和服役相关性能漂移联系起来，为可追溯质量保证和可靠性评估提供基础。

Al/Cu异种金属激光焊接综述解读

研究背景与问题：Al/Cu接头广泛用于电池极耳、母排和功率模块等轻量化、高导电互连。Al密度低、成本较低且成形性好，Cu电导率和热导率较高；二者在热物理性质、光学吸收率和冶金相容性方面差异显著，易形成Al–Cu金属间化合物（IMCs）、异质反应区、气孔、裂纹和未熔合，进而影响承载能力、电阻、电流致温升和长期稳定性。已有综述已建立工艺与冶金基础，但制造质量指标与后续电退化之间的联系仍较碎片化，反应区连续性和缺陷位置很少与有效电流路径联合评估，监测模型的可迁移性还依赖标签校准和独立焊缝验证。因此，该综述以可追溯质量链视角连接工艺信号、界面结构、电流路径和服役电阻变化，并为条件化工艺与中间层选择提供依据。

研究人员开展的研究、结论与意义：该综述系统梳理界面反应、熔池混合、缺陷形成、过程控制、中间层辅助连接、过程监测和服役可靠性，评估CW、脉冲、光束振荡、core–ring、短波长、混合热源及外场辅助等方法，并提出可追溯质量保证与多源信息融合框架。其结论是：接头性能与连接结合面积、相分布以及与载荷和电流路径相交的缺陷密切相关；反应层厚度只在特定工艺和组织定义内有用；工艺选择取决于所需熔深和连接足迹；中间层需同时按电学和制造要求筛选；随机分割信号点获得的高精度不能证明对独立焊缝、生产批次或激光系统的迁移能力；服役评估需在匹配试样上配对测量电、热和机械响应。其意义在于为Al/Cu电互连提供条件化工艺选择和可追溯质量保证基础。

主要技术方法（≤250字）：该综述采用Web of Science Core Collection主题检索（检索日期2026年7月11日；2016—2026年文章和综述共180条记录，其中2016—2025年168条、2026年不完整年12条），以Al/Cu、激光连接和异种接头相关词组合检索，按标题和摘要筛选，必要时查阅全文，排除单材料、非激光连接等。方法汇总包括界面表征（SEM/EDS、XRD、EBSD、TEM/SAED、同步辐射X射线微衍射、μXCT）、在线监测（OES、PD、高速成像、OCT、多传感器融合）、力学与电学测试（搭接剪切、四线法电阻、电流加载温升、热暴露/电老化/腐蚀）及CFD模拟；文献计量数据来源为Web of Science Core Collection。

研究结果：
2 界面反应与缺陷：2.1 金属间化合物：快速凝固可形成Al₂Cu、AlCu、Al₃Cu₄、Al₂Cu₃和Al₄Cu₉等，反应层影响取决于相类型、连续性、取向、界面和缺陷，不能仅用平均厚度评价；Schmalen et al.观察到裂纹穿越Al₂Cu与Al₄Cu₉之间的中间相。2.2 熔池混合：keyhole到达Al/Cu界面后，回流和涡流控制Cu富集区位置；在特定条件下，上部焊缝Cu含量超过约50 wt.%时IMC富集和裂纹倾向明显增加。2.3 缺陷：氢源、keyhole瞬态塌陷和过热促进气孔；脆性凝固组织与热收缩失配促进裂纹；夹紧不足、间隙过大、氧化物和热输入不足导致未熔合。

3 过程控制：3.1 功率、光斑与焊缝布局：功率过高扩大反应区并使组织由等轴晶转向枝晶、降低承载；Cu厚度增加需更高体积能量；小光斑可稳定熔深但需防过熔；多焊缝间距增至8 mm可减少热影响区重叠，载荷约1.25 kN。3.2 脉冲激光焊接：脉冲能量、重叠和波形控制局部熔化与热积累；预热/活性焊接能量分数可比时Cu富集更分散、连续脆性相减少，强度和电性能改善；QCW加摆动并结合CFD和代理模型优化获1209 N。3.3 光束振荡：振幅主要控制熔合宽度和熔深，频率影响Cu分布；振幅和频率增加使θ-Al₂Cu由块状向颗粒状、共晶和α-Al演变，细化组织提高抗裂性；螺旋间距0.1 mm造成过度重熔，增大至0.3/0.5 mm限制混合。3.4 core–ring与环形光束：核心保穿透、环扩宽加热；环功率增加促进Al向下穿透并与剪切强度正相关；core/ring为40%/60%时平衡强度和电阻；环形加圆振荡获725 N。3.5 短波长与混合激光：Cu对蓝绿光吸收高于近红外，熔化后近红外吸收增加；515 nm绿激光线性缝合最大载荷约880 N、最小电阻约42 μΩ；红蓝混合中红激光主控热输入、蓝激光改善Cu耦合和抑制飞溅；脉冲预热加CW主束可分离预热与穿透控制。3.6 环境辅助与外场辅助：真空降低羽辉屏蔽和部分缺陷但过热仍扩大反应区；压力辅助获得约1 μm的γ-Al₄Cu₉层并保持强度；150 Hz交变磁场使波动降34.67%、剪切性能增19.03%；20 kHz超声提高载荷和延伸，声压低于空化阈值。

4 中间层与填充材料：4.1 Ni：4 μm Ni-P使Ni溶入Al–Cu相、界面波浪化、裂纹路径延长，失效载荷增约49%；0.1 mm Ni箔生成Cu–Ni固溶体、Al₂Cu和AlNi，强度126.9 MPa；薄Ni降低IMC和电阻，过厚收益有限，且Al–Ni产物可能增电阻。4.2 Zn：Zn-Al填充改善润湿并形成CuZn₅和CuZn，抑制Al₄Cu₉和脆性Al₂Cu，Al/brass强度达148 MPa，但需考虑Zn蒸发和腐蚀。4.3 Sn：Sn-Ag-Ti使载荷由约650 N升至约780 N但引入大气孔；Sn不能消除CuZn，过厚导致过熔；表面改性使润湿角由约110°降至14°、线载荷95.2 N/mm，但(Cu, Ni)₆Sn₅仍可作裂纹路径。4.4 Ag：Ag基填充形成Ag–Al–Cu反应区，纯Ag线接头强度98.05 MPa且断裂转至Al热影响区呈韧性；Ag-18Cu-10Zn生成Ag₂Al和Cu₅Zn₈细化晶粒，但功率过高增过渡区异质性并呈混合韧脆断裂。4.5 Si：AlSi12改善延性，四点弯曲位移由0.28±0.06 mm增至0.72±0.16 mm；Si富集层阻碍Al–Cu互扩散，过高Si导致粗化，强度非单调。4.6 多主元合金添加：FeCoCrNiMn在Al侧稀释后仍形成大量Al–Cu IMCs，强度约51 MPa；FeCoNiCrTi使IMC层由2.199 μm降至1.027 μm、最大载荷由693 N升至788 N，但未报电学性能。4.7 选择准则与应用边界：应以几何、允许电阻和温升、机械载荷为先，联合相身份、连续性、缺陷和有效连接面积评价；机械增益可能伴随电阻惩罚，需在匹配材料栈和工艺下同时测机械与电学。

5 过程监测与质量诊断：5.1 在线单传感器与参考表征：5.1.1 OES：Al I 394.4/396.1 nm和Cu I 578 nm可表征元素发射，Cu/Al谱强比与熔深呈非线性；以OCT熔深为标签的多波长CNN平均绝对误差22.67 μm，受采样频率和标签精度限制。5.1.2 PD：多通道PD测等离子辐射、熔池热辐射和背反射，阈值受功率、材料和速度影响；395±3 nm监测Al熔化，4.5–6 J/mm有利，载荷一般250–300 N；580 nm加OCT分类熔透不足、过渡和充分，SVM、FCN和CNN准确率均超90%，推理间隔50 ms。5.1.3 X射线与μXCT：同步辐射X射线记录keyhole、气泡和熔池边界瞬态；μXCT量化气孔三维分布并聚类，结合CFD关联气泡输运和捕获；裂纹与IMC富集相关。5.1.4 视觉监测：焊后图像CNN分五类质量，受反光、羽辉和照明影响，未建立焊缝级独立验证。5.1.5 OCT：低相干干涉测keyhole深度，对熔深和keyhole稳定性敏感，但识别孔洞和裂纹能力有限。5.2 多传感器融合：CCD、光谱和OCT标签融合模型MAE约20.35 μm，但随机点分割不证明焊缝独立；独立功率爬坡验证MAE 20.51 μm、最大误差167 μm；CCD–PD融合MAE 27.82–28.14 μm；OCT–光谱BPNN预测界面焊缝宽度平均误差10.7 μm；CCD–光谱–OCT间隙分类准确率97.38%，OCT仅增0.21个百分点（p=0.1401）；DNN和随机森林研究存在增强样本分组和独立队列不足。5.3 跨尺度表征与结构–性能关系：SEM/EDS、衍射、EBSD和TEM/SAED可定位ζ1、δ等相和裂纹路径；纳米压痕和微柱压缩/劈裂测相特异性硬度、塑性和断裂；需与完整接头力学和四线电阻匹配。

6 服役可靠性：6.1 接头电阻与有效电流路径：四线法适合微欧级测量；电阻含基材、界面和电流收缩，面积比接触电阻率ρ_c=R_cA_eff仅在去基材和非均匀电流处理后有比较意义；IMC层超过约3–5 μm时界面电阻显著增；电流偏边缘流动，双焊缝间距8 mm使电阻由约115 μΩ降至77 μΩ；堆叠顺序影响电阻，Cu/Cu为51.90 μΩ而Al/Al为114.12 μΩ。6.2 电流致温升与热接触：Q?=I²R；50 μm Ni中间层提高承载但电阻升至246.43 μΩ，75–150 A、180 s下电阻和温度随时间升；热接触电阻与电阻不同，Wiedemann–Franz估计高两个数量级以上。6.3 载流老化、热暴露与疲劳：R=0.1疲劳出现两条裂纹路径；200–500 °C热老化与200 A直流电老化中，电老化反应层生长更快并有极性效应和空洞，提示电迁移贡献；需周期电流加选定热循环并报告I_rated矩阵。6.4 环境退化与电稳定：Al/Cu电化学异质，Cu富集区可作阴极而Al优先溶解；2200 W接头腐蚀表现较好，但120 s加载后电阻在100/150/200 A下分别增44.5%、37.87%和39.31%；圆焊缝初始电热性能较好但腐蚀敏感性更高。6.5 应用相关验收准则：NASA/JSC PRC-0016资格限为最大连接电阻1.0 mΩ且30×视觉拒裂纹或未熔合，但范围限于非结构电池组件；IEC 61238-1-1:2018针对压接和机械电缆连接器；可由R_max=P_loss,allow/I_rms²建立电阻预算，耐久验收需同时规定绝对电阻和温度限、最大不可逆漂移、最小残余载荷和允许失效比例。

讨论与结论总结（原文结论翻译/浓缩）：综述证据将接头性能与连接结合面积、相分布以及与载荷和电流路径相交的缺陷联系起来；反应层厚度在特定工艺和组织内有用，但其有利范围在激光钎焊箔、熔焊板和改性界面之间不同；相特异性测量表明硬度、断裂响应和电阻率不能用Al–Cu化合物的单一排序表示。工艺选择依所需熔深和连接足迹；脉冲整形可限制局部热暴露，振荡和core–ring可扩宽界面并控制深度，可见波长改善初始Cu耦合，但这些收益依赖堆叠顺序、装配和热积累。中间层必须同时按电学和制造要求筛选，因为机械增益可能伴随电阻增加。可追溯质量链视角将过程信号、界面结构、电流路径和性能漂移组织起来；随机分割信号点的高预测精度不能证明对独立焊缝、生产批次或激光系统的迁移能力，匹配的截面和三维标签、完整焊缝留出及明确测量条件是可靠监测的重点。主要服役空白是缺乏在代表性循环和环境暴露下的配对电、热和机械测量；未来应在匹配试样上跟踪共同参考温度下电阻、定义波形下温升和残余承载能力，加速老化只有在反应产物和损伤机制可比时才能关联服役，跨暴露间隔跟踪同一连接可澄清局部损伤何时开始破坏有效电流路径。