通过同轴红外-蓝光混合激光技术在铝/铜焊接接头中实现卓越的强度-韧性协同效应

《Optics & Laser Technology》：Achieving exceptional strength-toughness synergy in aluminum/copper welded joint by coaxial infrared-blue hybrid laser

铝铜异种材料焊接中，传统红外激光能量耦合效率低且接头易脆化。本研究采用红外-蓝光混合激光技术，通过原位拉伸测试和理论计算，揭示了蓝光促进熔池深度和根须状结构形成机制，证实蓝光增强红外激光能量吸收效率。实验表明，蓝光辅助通过马氏尼效应和反冲压力抑制铜元素扩散，优化熔池微观结构均匀性，实现界面位错强化和晶粒细化协同效应，使接头最大剪切强度提高29.4%、韧性提升24.2%，并改善电导率。红外-蓝光混合激光技术为高反射材料可靠连接提供新方法。

　　

Tian Li | Mingjun Zhang | Wang Zeng | Longzhou Dai | Bo Cheng | Ying Niu | Qiang Guo | Kaiming Wang | Heqing Li | Xiang Wu | Xiaochun Liu | Rong Huang

湖南省高性能机械设备智能制造技术重点实验室，长沙理工大学，中国长沙410114

摘要

针对铝铜激光焊接中能量耦合效率低和界面结合强度弱的问题，采用了一种新型的红外-蓝光混合激光技术对铝/铜搭接焊接进行了研究。通过SEM原位拉伸试验和理论计算，揭示了接头强度和韧性的协同增强机制。结果表明，熔深增加和根状结构的形成与红外-蓝光混合激光的能量密度密切相关，这间接证实了蓝光激光对红外激光能量吸收的促进作用。在适当的蓝光激光照射下，马兰戈尼效应和反冲压力的共同作用抑制了铜元素的扩散行为，从而有效提高了熔池内的微观结构均匀性。铝/铜界面结合强度的提高归因于界面处的位错强化和晶粒细化强化；而在原位拉伸过程中裂纹向铜基体的迁移则是由于根状熔池的驱动作用，铜基体中的变形强化进一步提高了接头的韧性。在蓝光激光辅助下形成的熔池微观结构不仅增强了接头的强度和韧性，还有利于提高接头的导电性。其中，接头的最大剪切拉伸强度和韧性分别提高了29.4%和24.2%。

引言

由于铝/铜结构组件具有优异的导热性、导电性和耐腐蚀性[1]、[2]、[3]，它们被广泛用于热系统和电子系统，如风冷散热片、散热器和电子连接器[1]、[2]、[3]。激光焊接因其高能量密度、小的热影响区和出色的加工灵活性[4]、[5]，特别适用于异种材料的焊接。然而，铝和铜的激光焊接面临一些挑战：一方面，作为有色金属，铝和铜对红外激光具有高反射率[6]，导致焊接过程中的能量耦合效率低[7]；另一方面，铝和铜的冶金相容性较差[8]，容易形成高脆性的铝铜金属间化合物并引发裂纹，严重限制了铝铜接头的机械和电气性能[9]。 在现有研究中，许多学者通过采用不同的策略和红外（IR）激光焊接技术成功实现了铝/铜的有效连接。在调节工艺参数方面，Yan等人[8]以激光功率为变量，发现铜元素的聚集程度和界面IMCs层的厚度随激光功率的增加而增加，相应的接头性能先提高后降低。在此基础上，他们使用镍箔作为过渡层来抑制熔池内铝和铜的直接混合，并指出镍元素可以抑制铝元素的扩散[10]。振荡激光因其较大的加热面积、灵活的能量调节能力和显著的搅拌效果而受到越来越多的关注[11]、[12]。基于此，Huang等人[13]研究了圆形振荡激光对铝铜焊接的金属混合、微观结构和机械性能的影响，发现由关键孔驱动的涡流有助于加速熔池的混合。类似地，Dimatteo等人[14]通过在不同焦距下安装振镜扫描装置来调节光斑直径，发现较小的光斑直径可以减少铝和铜的混合程度，从而减少富铜相的形成。光束整形通过稳定湍流流动和减小热梯度来调节熔池的流动行为，从而减少飞溅并改善IMCs的分布[15]。因此，Agarwal等人[16]将光束整形与振荡激光结合，研究了铝/铜搭接焊接的微观结构和性能，指出这项技术有助于材料混合并提高焊接接头的机电性能。此外，脉冲激光焊接通过进一步优化温度梯度、避免应力集中和激光光斑重叠，改善了熔池内的IMC分布，从而提高了焊接接头的整体性能[17]。Zhu等人[18]使用纳秒脉冲激光研究了扫描路径[18]和螺旋扫描距离[19]对铝/铜接头微观结构和性能的影响，指出在外螺旋扫描路径下可以形成具有固定效应的连续波浪状界面IMC层，而较短的螺旋扫描距离会导致过量的热输入和连续IMC层的形成。 综上所述，通过调节红外激光的热输入或熔池的流动行为，可以改善铝/铜熔池的元素混合和界面IMCs的形态分布，从而提高接头的机械和电气性能。值得注意的是，每种焊接工艺都有其相应的优缺点，关键是要与材料兼容性和工业适用性相匹配。然而，铝和铜作为高反射材料，对红外激光的吸收率一直较低。研究表明，与红外激光相比，铝和铜等高反射材料对短波长蓝光激光的吸收率更高[20]。尽管如此，蓝光激光在工业应用中受到光斑尺寸大、能量密度低和成本高的客观限制[21]。因此，通过充分利用红外激光（强穿透能力）和蓝光激光（增强能量吸收）的优势，红外-蓝光混合激光不仅在初始焊接阶段通过蓝光激光的能量吸收增强加速了从热传导到关键孔模式的转变，还降低了纯红外激光作用下的功率阈值，并提高了熔池的稳定性[22]。Chen等人[23]使用波长为455/1080 nm的混合激光源进行了Cu/Ti对接焊接实验，结果表明混合热源提高了小孔和熔池的稳定性，增加蓝光激光的功率比可以减小熔池的温度梯度，从而获得高质量的接头。Wei等人在纯铜和钢的混合蓝-红外激光增材制造研究中指出，熔池的流动行为与混合激光的能量密度密切相关，混合激光下的铜晶粒平均直径大于简单红外激光下的直径[24]。Yang等人在3 mm厚的铜板上进行混合蓝-红外激光焊接研究时发现，低功率蓝光激光可以辅助高功率红外激光形成更深的关键孔[25]。Li等人[26]对纯铜进行了红外-蓝光混合激光对接焊接实验，发现混合激光促进了熔池内的对流，蓝光激光提高了红外激光的能量效率并稳定了熔池[26]。Fujio等人[27]证明，红外-蓝光混合激光的焊接效率显著高于纯红外激光焊接。

总之，红外-蓝光混合激光不仅可以提高激光的能量耦合效率，还可以增强焊接的可成形性和熔池稳定性，特别适用于焊接高反射材料。因此，本文旨在将蓝光激光与红外振荡激光同轴混合，充分利用两种激光工艺的优势，并在研究小组之前的初步实验基础上[27]进一步开展铝-铜搭接焊接的实验研究。通过实验测试和理论分析，分析了铝/铜焊接接头表面和横截面的形态变化、熔池和界面的微观结构以及接头的机械和电气性能。揭示了红外-蓝光混合激光对熔池内部形态和元素扩散的影响机制。此外，还进行了原位拉伸试验，探讨了铝/铜红外-蓝光混合激光焊接接头强度和韧性的协同增强机制。这项工作为铝铜异质结构组件的可靠连接提供了新的见解。

实验

本实验使用的材料是5052铝合金和T2铜。两种材料的主要化学成分如表1所示。焊件的尺寸为100 mm × 30 mm × 1 mm。焊接示意图如图1所示。由于铜对激光的高反射率，采用了铝在上、铜在下的搭接焊接配置。焊接前，使用纳秒激光去除了表面氧化层。

焊接表面和横截面形态

根据规定的参数进行了焊接实验，每种条件下的焊缝表面和横截面形态如图4所示。可以看出，随着蓝光激光功率的增加，焊缝表面的光泽度降低，鱼鳞状图案消失。当蓝光激光功率为500 W时，焊缝表面出现了明显的黑色氧化点。当蓝光激光功率提高到800 W时，表面粗糙度增加。

讨论

上述实验结果表明，在适当的蓝光激光功率下，铝铜接头的强度和韧性显著提高。这一机制将通过理论计算和原位拉伸实验进一步研究。

结论

基于红外激光和蓝光激光工艺的优势结合，本研究使用红外-蓝光同轴混合激光焊接工艺对铝铜搭接焊接进行了实验研究，探讨了蓝光激光辅助效应对接头微观结构、机械和电气性能、断裂特性及强化机制的影响。结论如下：

• (1)
  蓝光激光有效促进了能量

作者贡献声明

Tian Li：撰写 – 原始草稿。 Mingjun Zhang：概念构思。 Wang Zeng：数据管理。 Longzhou Dai：实验研究。 Bo Cheng：方法论。 Ying Niu：资源获取。 Qiang Guo：软件应用。 Kaiming Wang：可视化处理。 Heqing Li：监督指导。 Xiang Wu：撰写 – 审稿与编辑。 Xiaochun Liu：形式分析。 Rong Huang：项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。