《Optics & Laser Technology》：Convection-driven elemental transport and mixing behavior in dissimilar laser welding of Cu and NiCrAlFe alloys: implications for microstructural evolution and joint integrity
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•光束偏移控制不对称熔体对流及Cu/Cr宏观偏析。•向Cu侧偏移引发Cu夹带、应力集中和孔隙形成。•KAM/PEEQ图谱在空间上将成分不均匀性与孔洞形核相关联。•过度的Cu再分配主导接头的完整性和电阻率偏差。•建立了将偏移与接头质量相关联的机理–工艺–性能框架。引言精密电阻器
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光束偏移控制不对称熔体对流及Cu/Cr宏观偏析。
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向Cu侧偏移引发Cu夹带、应力集中和孔隙形成。
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KAM/PEEQ图谱在空间上将成分不均匀性与孔洞形核相关联。
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过度的Cu再分配主导接头的完整性和电阻率偏差。
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建立了将偏移与接头质量相关联的机理–工艺–性能框架。
引言
精密电阻器件已广泛应用于航空航天、精密仪器和高端电子设备领域，并持续朝着更低的电阻温度系数（TCR）和更优的长期稳定性方向演进[1]、[2]、[3]、[4]。在此类器件中，导电端子材料与精密电阻合金之间的连接质量直接决定了器件的电气稳定性和使用寿命。纯铜（Cu）凭借其卓越的电导热性能，常被用作引线端子和散热基板。NiCrAlFe精密电阻合金[5]具有相对较高的电阻率、低而稳定的TCR、与Cu之间的低热电势以及优异的抗氧化性能，是广泛采用的电阻功能元件。因此，实现Cu与NiCrAlFe合金之间高强度的电气和机械连接，是精密电阻器件制造中的关键技术瓶颈。
与传统钎焊和电阻焊相比，激光焊具有显著优势——能量密度高、热影响区窄、加工精度高、电接触电阻低[6]、[7]、[8]，因此已成为精密微型器件封装和互连的首选工艺。然而，Cu与NiCrAlFe合金在热物性和力学性能方面存在显著不匹配：Cu具有较高的热导率、较高的激光反射率和相对较低的熔点，而NiCrAlFe合金则具有更高的熔点和较低的热导率；此外，两者的热膨胀系数、电阻率和弹性模量也差异较大。这些差异深刻影响焊接过程中的熔凝行为、熔池流动和快速凝固过程，使熔合区易出现不对称温度场、元素混合不均匀、局部应力集中和较高的缺陷敏感性[9]、[10]。具体而言，在Cu–Ni–Cr体系中（鉴于NiCrAlFe合金中Al和Fe含量极低，且在本焊接条件下未观察到涉及这些元素的偏析或金属间化合物形成，本研究忽略其对焊缝质量的影响），Cu与Ni具有良好的互溶性，而Cu与Cr之间有限的固溶度和显著的偏析倾向会显著影响晶粒生长形态、电气性能和局部力学性能[11]。因此，除确保无缺陷的金属冶金结合外，抑制应力集中以及减轻由成分偏析、粗大柱状晶或微观缺陷引起的局部电气性能漂移，仍是实现高可靠性Cu/NiCrAlFe异种接头亟待解决的挑战。
激光光束偏移已成为调控异种金属焊接中熔池动力学和界面微观组织的核心策略。通过调整光束相对于异种界面的位置，可以在不改变标称激光输出功率的前提下，重新分配各母材吸收的能量份额，从而决定熔池几何形状、对流流场模式和元素混合程度。进而，这将决定凝固微观组织、残余应力状态以及接头最终的力学和电气性能[12]、[13]、[14]。迄今为止，激光光束偏移已成功应用于Cu/钢[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]和Cu/Ti[23]等异种连接体系。然而，由于不同材料组合在激光吸收率、熔化特征和冶金相容性方面存在显著差异，最佳偏移方向高度依赖于具体体系[16]、[17]、[19]。现有研究主要集中在异种界面的金属间化合物形成[24]、[25]以及宏观焊缝成形和力学性能表征[12]、[26]、[27]、[28]等方面。对于Cu/NiCrAlFe体系，激光光束偏移对焊缝质量的影响尚未得到充分探索，熔池中溶质传输、Cu/Cr宏观偏析（元素扰动）、局部应力集中、孔洞形成与最终力学和电气性能之间的相互关系仍有待系统阐明。
激光焊本质上是一个瞬态过程，其特点是快速凝固伴随复杂的流体动力学行为；因此，仅凭焊后金属学表征无法直接捕捉熔池内发生的动态现象。有限元模拟[29]、[30]能够精确重构不同光束偏移条件下形成的不对称温度和应力场，为解释实验观测到的微观组织和缺陷演化提供关键支撑。然而，仅限于温度场或应变场的分析本身不足以揭示异种合金焊接固有的元素宏观偏析和局部缺陷形成机理。因此，实验表征与热–力学模拟的协同融合对于构建更全面的机理框架是不可或缺的。
本研究系统考察了Cu与NiCrAlFe合金在三种典型光束偏移配置下的异种激光焊接：向Cu侧偏移、居中偏移和向NiCrAlFe侧偏移。全面评估了光束偏移对宏观焊缝成形、微观组织演化、元素分布、显微硬度和电阻率的影响。将SEM–EDS和EBSD相结合的多尺度表征，与解析热循环和等效塑性应变（PEEQ）分布的热–力学有限元模拟协同使用。核心目标是结合实验证据和理论分析，阐明光束偏移通过调控热输入分配和推断的熔池对流行为，从而控制Cu/Cr再分配和局部应力集中，并与孔洞缺陷形成相关联的内在机理。基于上述发现，提出了一个关联框架，将激光光束偏移、熔池热力学和流动行为、元素再分配、应变局部化、缺陷形成以及接头最终的力学和电气性能联系起来。通过将实验推断的熔池流动特征与热–力学模拟的温度和应力场相结合，该框架为精密电阻应用中Cu/NiCrAlFe异种焊接接头的微观组织控制、缺陷抑制和性能优化提供了理论基础。
章节摘要
材料
NiCrAlFe合金和商用纯铜（T2）板材的尺寸为50 mm × 5 mm × 1 mm。其主要化学成分和热物性参数列于表1、表2。焊接前，配合面经机械打磨去除氧化层，随后用无水乙醇超声脱脂，以消除残留油污和表面污染物。焊接在无坡口条件下进行。对接接头通过精密控制进行装夹
宏观焊缝成形与微观组织
图4展示了不同激光光束偏移条件下制备接头的宏观表面形貌及相应的背散射电子（BSE）截面形貌。如图4(a1)–(c1)所示，三种配置下均成功获得了连续、无缺陷的焊缝；然而，表面质量差异显著。1#试样（向Cu侧偏移）表面粗糙，具有明显的波纹标记。2#试样（居中光束）表面相对平整
结论
本研究通过结合实验表征与热–力学有限元模拟，系统研究了不同光束偏移条件下Cu与NiCrAlFe合金的异种激光焊接。模拟提供了温度场和塑性应变分布，而熔池流动机理则通过实验证据推断得出。这些现象对最终微观组织演化和接头性能的影响为
CRediT作者贡献声明
秦礼文：撰写 – 原始草稿，调查研究，形式分析，数据整理。李亚敏：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，监督指导，研究方法，形式分析。李志德：监督指导，资金获取。乐文凯：监督指导，数据整理。刘洪军：撰写 – 审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的竞争性财务利益或人际关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到甘肃省科技重大专项（23ZDGA010）和深圳市科技重大专项（重大202328383）的资金支持。
秦礼文|李亚敏|李志德|乐文凯|刘洪军
