热累积对 AlSi12/Cu-Al 异种金属激光焊接接头性能的影响

《Optics & Laser Technology》：Effect of heat accumulation on the properties of AlSi 12/Cu-Al dissimilar-metal laser-welded joints

　　

摘要

对于铜-铝异种接头粉末辅助激光焊，沿焊接路径动态热积累所引起的微观组织与力学性能分区效应研究仍不充分。本文采用AlSi₁₂粉末焊接1060铝和T2铜，结合热力耦合有限元模型与多尺度表征方法，探讨了热积累驱动的分区变化，并通过熔池形貌对比验证了模型的准确性。沿焊缝方向存在明显的微观组织和抗拉强度区域差异。前部区域热积累不足，产生粗大晶粒和脆性Al₂Cu金属间化合物优先形成，抗拉强度仅为37 MPa。中部区域得益于热输入与散热的平衡，实现晶粒细化（91.5 μm）、薄而均匀的界面层（34.5 μm）和充分的元素扩散，获得最佳局部抗拉强度50 MPa，较前部（37 MPa）和后部区域（42 MPa）分别高出35.1%和19.0%。后部区域热积累过量，促进晶粒粗化和不规则块状金属间化合物形成，降低接头性能。本研究揭示了热积累如何主导接头微观组织和性能的空间演变规律，为铜-铝激光焊工艺优化及海底电缆高性能过渡接头制造提供了理论支持。

引言

海底电缆是深海通信和电力传输的重要设备之一，其安全稳定运行对整个电缆系统的可靠性和稳定性至关重要。作为超长海底电缆的关键连接部件，提高柔性接头导体焊接区域性能有助于增强海底电缆在低温、高压和海水腐蚀等恶劣环境下的服役性能[1]，[2]。铜-铝接头因其良好的导电性、导热性和延展性，已被广泛应用于海底电缆柔性接头的制造。然而，由于铜和铝在熔点、线膨胀系数和比热容等物理化学性质方面存在显著差异，焊接过程中容易形成金属间化合物（IMCs），增加接头脆性并降低其力学性能[3]。

基于海底电缆实际失效案例及相关失效机理研究，铜-铝接头主要存在三种典型失效模式。第一，海水电解质环境引起铜铝之间的电偶腐蚀，腐蚀沿界面缺陷扩展，逐渐减小有效导电截面面积，缩短接头使用寿命[4]。第二，电流引起的热循环与焊接残余应力共同作用，在金属间化合物、气孔和晶界等薄弱区域产生应力集中，促进界面裂纹的萌生和扩展，最终导致疲劳失效[5]。第三，长焊缝连续焊接过程中，沿焊接路径形成热积累梯度，导致微观组织异质演变和力学性能的区域性退化，力学薄弱区域成为失效优先萌生部位[6]。

为调控金属间化合物的形成并提高铜-铝接头使用寿命，针对铜/铝异种金属开发了一系列焊接技术，包括固态焊[7]、摩擦搅拌焊[8]、超声焊[9]、电磁脉冲焊[10]和激光焊。由于自动化程度高、热影响区小和加工速度快等优势[11]，铜铝激光焊已成为国内外学者研究热点。Yan等[12]发现，焊接6061铝和110铜时，铜-铝接头力学强度随功率增加先升后降，在2.45 kW激光功率下达到约99.8 MPa的最大值。Schmalen等[13]通过控制激光位置和脉冲时间来降低能量输入，减弱两种材料的混合，获得更薄的金属间化合物层，有效改善了接头质量并增强接头力学性能。此外，激光功率也会影响接头中间层微观组织；激光功率的增加导致亚共晶区一次枝晶臂间距增大和二次枝晶生长[14]。Lee等[15]研究了单模光纤激光焊接速度对铝铜板搭接接头质量的影响，发现随着焊接速度增加，接头宽度显著减小，焊缝中金属间化合物含量降低，接头力学性能提高。

除工艺参数优化外，界面合金化和填充材料改性也被广泛用于提高铜-铝接头性能。H.S. Furuya等[16]对含镍铝合金和纯铜进行激光焊接，发现在θ相和γ相之间的界面形成(Ni, Cu)Al层，显著提高接头强度。Chen等[17]采用Ag作为异种焊接中间层，发现Ag抑制铜-铝系统中金属间化合物的形成，使接头获得良好的力学和电学性能。Weigl等[18]采用与铝和铜相容性良好的硅基填充金属（Al-Si和Cu-Si合金），有效改善了焊缝的延展性和力学强度。Li等[19]使用添加Cu、Ni、Zr、Er元素的Al-Si焊丝，最终获得增强的力学性能，提高接头质量。Liu等[20]采用FeCoCrNiMn高熵合金粉末作为填充材料，实现了异种铜-铝接头的激光堆焊。粉末的添加改善了熔池流动行为并减少了焊接缺陷；然而界面金属间化合物（IMCs）仍然形成，接头最大抗拉强度达到51 MPa。

近年来，铜-铝异种金属激光连接研究已从传统的工艺参数优化逐步转向热行为调控和微观组织与力学性能的协同控制。当前研究主要集中在熔池热流演变、热积累效应、界面金属间化合物调控和多物理场数值模拟。特别是热力耦合仿真与微观组织表征的结合被越来越多地用于分析沿焊接路径热积累对微观组织演变和接头性能的影响[21]，[22]，[23]。Ma等[24]指出，适当控制激光能量输入及其空间分布对于调控铜-铝互扩散、减轻脆性金属间化合物（IMCs）形成和增强异种铝/铜焊接接头整体性能至关重要。Du等[25]提出了一种激光焊-钎焊混合方法，通过控制熔化和钎焊区域的比例来减少界面冶金反应，有效改善了铝/铜接头的微观组织和力学性能。Li等[26]建立了基于多源诊断信号的铝-铜激光焊界面宽度实时监测方法，揭示了工艺稳定性与接头成形质量之间的关系，为智能激光焊控制提供了新的见解。此外，He等[27]采用Ag-18Cu-10Zn填充材料进行铝/铜激光对接焊，通过优化界面元素分布、促进微观组织均匀化和减少脆性相形成来改善接头性能。近期，粉末辅助激光连接受到越来越多的关注。相关研究表明，高熵合金粉末和多组分合金填充物可以改变界面反应路径、调控金属间化合物形成行为并影响断裂模式，为粉末辅助铜-铝激光连接提供了新策略[28]。

然而，现有研究主要关注激光参数和填充材料对铜-铝接头整体性能的影响，而对连续焊接过程中沿焊接路径热积累影响局部微观组织演变和力学性能变化的机理尚不清楚。针对这一问题，本研究采用AlSi₁₂粉末辅助铜-铝激光焊接，系统分析了连续焊接过程中沿焊接路径热积累的演变规律。通过整合热力耦合有限元仿真、红外热成像、微观组织表征和分区力学性能测试，揭示了前部、中部和后部焊缝区域热积累、微观组织演变和性能分区之间的相关性。本研究为优化AlSi₁₂粉末辅助铜-铝激光焊接工艺和提高海底电缆铜-铝过渡接头可靠性提供了理论指导。

章节摘要

材料

本文采用1060铝和T2铜作为母材（BM）。焊接试样通过线切割加工制备，尺寸为50 mm × 50 mm × 2 mm。铜侧和铝侧的坡口角度分别为45°和60°，如图1所示。为确保高质量焊缝形成，焊接前对接头表面进行预处理，去除表面氧化物和污染物。铜板和铝板依次使用800目和

有限元模型验证

为验证铜-铝异种接头激光焊有限元模型的准确性，通过将横截面熔池形貌和熔合区几何形状与相应实验结果进行对比，对模型进行了实验验证。模型几何形状、材料属性、焊接参数和边界条件与实际焊接条件保持一致，以确保仿真准确再现热传递

结论

本研究采用AlSi₁₂粉末辅助激光焊接连接1060铝合金和T2纯铜。通过结合热力耦合有限元仿真与多尺度微观组织表征，系统研究了沿焊接路径动态热积累对焊接接头宏观力学性能、热行为和微观组织演变的影响。主要结论总结如下：

(1) AlSi

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到以下资助：国家自然科学基金（编号：62473216）；江苏省自然科学基金青年基金（编号：BK20240952）；南通市重大科技成果转化项目（编号：XA2023005）；淮安市科技计划项目（编号：HAN202503）；江苏省研究生科研与实践创新计划（编号：SJCX24 2034、KYCX25_3708）

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