激光焊接在铜铝焊接中的应用
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YA G激光器与金属耦合效率高，加工性能良好， 能够方便地将一束激光传输给多个远距离工位，便于 实现柔性化，也可以实现脉冲、连续两种工作模式， 但是其使用及维护成本高。光纤激光器的电光效率高 达20%以上，远远大于YA G激光器的电光效率，具有 免调节、免维护、稳定性高，结构简单，占地面积小 的特点，但是相对稳定性难以保证。现在来看，两种 激光器都是适合铜/铝激光焊接的激光器。需要注意的 是，为了防止铜、铝等对激光的高反射率，有时在试 验前，需要对铜/铝表面做打磨处理。
1.激光器类型对焊接质量的影响
激光焊接根据工作介质可以分为CO2激光器、半导 体激光器、YAG激光器及光纤激光器[4]。
1）半导体激光器主要应用于医疗、打印、光通信 及光存储等信息领域。但是高功率半导体激光器在大 电流工作连续输出时会出现损伤、烧孔，甚至烧毁等 问题，难以用于需要高功率能量输出的工业加工中。
铝合金密度低、比强度高、延展性好，易于成 形；铜及铜合金良好的导电性能也使其应用广泛。这 些性能使得铜/铝金属得到了广泛的应用，在新能源汽 车领域更是如此。据统计数据显示，铜/铝异种金属接 头在21世纪将占到异种金属接头组合形式的5.8%[3]。快 速有效的铜/铝激光焊接有很大的开发潜力。
然而，异种金属物理性能有明显的差异以及材料 对激光的高反射率与高传导率，导致焊接质量参差不 齐，因此如何实现异种金属的高质有效焊接，是目前 亟待解决的难题。
杨科林等[7]通过控制变量法研究了焊接功率、焊接 速度与焊接频率对铜-铝异种金属搭接焊的影响，并通 过拉伸试验验证焊接质量。对于1.5mm厚6061系铝板 与厚2mm表面镀锌的铜质导电排搭接焊，焊接功率越 大，焊接效果越好。焊接速度在90～120mm/s内，可以 形成一定量的有效熔池。当焊接频率为80Hz时，焊接 熔融效果最好。
图1 机器人激光焊接
铜/铝激光焊接的特点
由于铝及铝合金对激光具有高的反射率和热传导 率，导致其对激光的吸收率差。铜/铝金属物理性能差 别较大，两者在焊接过程中，在铝熔化过热后，铜可 能还没有熔化，导致焊接困难。同时激光焊接过程较 快，焊接时间短，导致焊接过ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ中两种溶液混合不充 分，冷却后焊接熔融区成分不均匀，铜/铝异种金属的 焊接头焊缝残余应力大。因此，要使铜/铝激光焊接发 挥更大的作用[4，5] ，必须克服这些缺点。
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2021年 第 6 期 / 微信号 auto1950
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Special Plan | 特别策划
影响铜/铝焊接质量的因素
影响铜/铝激光焊接质量的因素多种多样，既包含 由于材料本身特性而导致的焊接局限，也包含焊接工 艺、焊接方法的影响。通过选择合适的激光器、激光 加工参数及设计焊接方法，可以有效改善铜/铝焊接接 头的质量。
2）C O2激光器虽然具有较高的电光转化效率和输 出功率，但其发射光的波长长，而铜/铝金属具有高反 射率，其对激光的反射作用不利于实现高效的激光加 工。
3）YA G激光器的工作介质是红宝石、钕玻璃和 掺钕钇铝石榴石等，光纤激光器的工作介质为光纤， 两者的反射光波长为CO2激光器反射光波长的1/10，是 目前应用广泛的激光器。两者在焊接加工方面各有利 弊。
2.焊接参数对焊接质量的影响
焊接参数包含焊接焦点位置、激光输出功率、焊 接速度及焊接频率等。激光输出功率越大，焊接速度 越慢，材料吸收的能量越多，材料熔融加快，焊接效 率提高，但过高的焊接能量可能导致材料过热，焊接 失效。对于铜/铝异种金属的焊接，通常以熔焊为主。
随着吸收的焊接能量越多，铜/铝之间反应生成的 脆性物质增加，焊接质量变差。焊接频率是激光器在1s 内打出的脉冲数量，随着脉冲频率的降低，焊接点之 间的重叠率也会降低，焊缝表面质量也会相对较差。
特别策划 | Special Plan
激光焊接在铜/铝焊接中的应用
董晓萌，孔德群，周建，周晓炜 北京奔驰汽车有限公司 北京 100126
摘要：铜、铝各自有自身优异的性能，使用激光焊接技术实现两者的快速有效连接，将对汽车制造、航空航 天、船舶制造等多行业多领域的发展有积极的意义。通过激光器类型、焊接速度、是否添加中间层等方面概述 了改善激光焊接接头的方式，从金相组织角度解释了激光焊接中铜/铝接头断裂的机制。 关键词：铜/铝异种金属；激光焊接；金属间化合物
20世纪60年代，一种新型的焊接技术——激光焊 接出现。激光技术与焊接技术的融合，实现了一种非 接触的焊接方式，利用较少量的热输入、较小的热影 响区实现多层金属的焊接[1]。同时还具有智能化、自 动化、集成化，焊接焊缝小、变形量小、效率高和焊 缝性能好等优点，在汽车制造、航空航天、造船等领 域得到迅速的应用。一方面，通过使用激光焊接代替 原来的铆钉铆接技术等，降低了产品自重，节约了成 本，提高了产品质量；另一方面，利用激光快速的焊 接特点，提高了焊接的效率[2]（见图1）。
薛志清等[6]研究了0.3mm厚工业纯铝1060和纯铜T2 铜/铝激光搭接焊（铜在上，铝在下）的焊接工艺，随 着焊接速度由125mm/s增加到145mm/s，成分为CuAl2焊 接混合区段都不断减小，且混合区的过共晶形态由等 轴状向板条状转变，这一形状及其与剪切力形成的大 角度，阻止了晶粒发生横向移位，最大剪切力提高。 焊接速度为145mm/s时，焊接搭接接头的拉伸剪切力最 高。
3.添加中间层对焊接质量的影响
铜/铝直接焊接容易产生脆性裂纹，在铜/铝材料之 间添加材料或者增加镀层可以影响铜/铝二元中间相的 形成，改善焊接的质量。
赵莹等[8]通过在铜/铝板材之间（铜在上，铝在下） 增加银箔或银片，改善了铜/铝焊接接头的质量。银的 添加阻断了熔池中铜/铝二元脆硬相的生成。适量银 的加入，使铜侧的熔池区域生成了啮齿状的A l-A l2C uAg2Al三元共晶相，有效改善了铜/铝激光焊接焊缝的成 形和焊接质量。其接头的抗拉强度在添加20μm银箔时 达到220N以上，与未加银箔相比，提高了将近1/3。
1.激光器类型对焊接质量的影响
激光焊接根据工作介质可以分为CO2激光器、半导 体激光器、YAG激光器及光纤激光器[4]。
1）半导体激光器主要应用于医疗、打印、光通信 及光存储等信息领域。但是高功率半导体激光器在大 电流工作连续输出时会出现损伤、烧孔，甚至烧毁等 问题，难以用于需要高功率能量输出的工业加工中。
铝合金密度低、比强度高、延展性好，易于成 形；铜及铜合金良好的导电性能也使其应用广泛。这 些性能使得铜/铝金属得到了广泛的应用，在新能源汽 车领域更是如此。据统计数据显示，铜/铝异种金属接 头在21世纪将占到异种金属接头组合形式的5.8%[3]。快 速有效的铜/铝激光焊接有很大的开发潜力。
然而，异种金属物理性能有明显的差异以及材料 对激光的高反射率与高传导率，导致焊接质量参差不 齐，因此如何实现异种金属的高质有效焊接，是目前 亟待解决的难题。
杨科林等[7]通过控制变量法研究了焊接功率、焊接 速度与焊接频率对铜-铝异种金属搭接焊的影响，并通 过拉伸试验验证焊接质量。对于1.5mm厚6061系铝板 与厚2mm表面镀锌的铜质导电排搭接焊，焊接功率越 大，焊接效果越好。焊接速度在90～120mm/s内，可以 形成一定量的有效熔池。当焊接频率为80Hz时，焊接 熔融效果最好。
图1 机器人激光焊接
铜/铝激光焊接的特点
由于铝及铝合金对激光具有高的反射率和热传导 率，导致其对激光的吸收率差。铜/铝金属物理性能差 别较大，两者在焊接过程中，在铝熔化过热后，铜可 能还没有熔化，导致焊接困难。同时激光焊接过程较 快，焊接时间短，导致焊接过ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ中两种溶液混合不充 分，冷却后焊接熔融区成分不均匀，铜/铝异种金属的 焊接头焊缝残余应力大。因此，要使铜/铝激光焊接发 挥更大的作用[4，5] ，必须克服这些缺点。
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影响铜/铝焊接质量的因素
影响铜/铝激光焊接质量的因素多种多样，既包含 由于材料本身特性而导致的焊接局限，也包含焊接工 艺、焊接方法的影响。通过选择合适的激光器、激光 加工参数及设计焊接方法，可以有效改善铜/铝焊接接 头的质量。
2）C O2激光器虽然具有较高的电光转化效率和输 出功率，但其发射光的波长长，而铜/铝金属具有高反 射率，其对激光的反射作用不利于实现高效的激光加 工。
3）YA G激光器的工作介质是红宝石、钕玻璃和 掺钕钇铝石榴石等，光纤激光器的工作介质为光纤， 两者的反射光波长为CO2激光器反射光波长的1/10，是 目前应用广泛的激光器。两者在焊接加工方面各有利 弊。
2.焊接参数对焊接质量的影响
焊接参数包含焊接焦点位置、激光输出功率、焊 接速度及焊接频率等。激光输出功率越大，焊接速度 越慢，材料吸收的能量越多，材料熔融加快，焊接效 率提高，但过高的焊接能量可能导致材料过热，焊接 失效。对于铜/铝异种金属的焊接，通常以熔焊为主。
随着吸收的焊接能量越多，铜/铝之间反应生成的 脆性物质增加，焊接质量变差。焊接频率是激光器在1s 内打出的脉冲数量，随着脉冲频率的降低，焊接点之 间的重叠率也会降低，焊缝表面质量也会相对较差。
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激光焊接在铜/铝焊接中的应用
董晓萌，孔德群，周建，周晓炜 北京奔驰汽车有限公司 北京 100126
摘要：铜、铝各自有自身优异的性能，使用激光焊接技术实现两者的快速有效连接，将对汽车制造、航空航 天、船舶制造等多行业多领域的发展有积极的意义。通过激光器类型、焊接速度、是否添加中间层等方面概述 了改善激光焊接接头的方式，从金相组织角度解释了激光焊接中铜/铝接头断裂的机制。 关键词：铜/铝异种金属；激光焊接；金属间化合物
20世纪60年代，一种新型的焊接技术——激光焊 接出现。激光技术与焊接技术的融合，实现了一种非 接触的焊接方式，利用较少量的热输入、较小的热影 响区实现多层金属的焊接[1]。同时还具有智能化、自 动化、集成化，焊接焊缝小、变形量小、效率高和焊 缝性能好等优点，在汽车制造、航空航天、造船等领 域得到迅速的应用。一方面，通过使用激光焊接代替 原来的铆钉铆接技术等，降低了产品自重，节约了成 本，提高了产品质量；另一方面，利用激光快速的焊 接特点，提高了焊接的效率[2]（见图1）。
薛志清等[6]研究了0.3mm厚工业纯铝1060和纯铜T2 铜/铝激光搭接焊（铜在上，铝在下）的焊接工艺，随 着焊接速度由125mm/s增加到145mm/s，成分为CuAl2焊 接混合区段都不断减小，且混合区的过共晶形态由等 轴状向板条状转变，这一形状及其与剪切力形成的大 角度，阻止了晶粒发生横向移位，最大剪切力提高。 焊接速度为145mm/s时，焊接搭接接头的拉伸剪切力最 高。
3.添加中间层对焊接质量的影响
铜/铝直接焊接容易产生脆性裂纹，在铜/铝材料之 间添加材料或者增加镀层可以影响铜/铝二元中间相的 形成，改善焊接的质量。
赵莹等[8]通过在铜/铝板材之间（铜在上，铝在下） 增加银箔或银片，改善了铜/铝焊接接头的质量。银的 添加阻断了熔池中铜/铝二元脆硬相的生成。适量银 的加入，使铜侧的熔池区域生成了啮齿状的A l-A l2C uAg2Al三元共晶相，有效改善了铜/铝激光焊接焊缝的成 形和焊接质量。其接头的抗拉强度在添加20μm银箔时 达到220N以上，与未加银箔相比，提高了将近1/3。