文 献 综 述

Cu/Mg异种金属激光焊接头组织与力学性能研究

1. 课题研究的意义及背景

现代工业中, 往往需要将不同性能的材料焊接成复合零部件, 以达到既能满足各种性能要求, 又可节约贵重材料, 降低成本的目的。但由于异种金属之间性能上的差别比较大, 组合多样, 对其接头的要求又各不相同, 所以异种金属通常要比焊接同种金属困难得多。[1]在汽车覆盖件的制造过程中，焊接是必不可少的加工过程，而激光焊与传统的熔化焊相比，具有焊接速度快、线能量高、变形小等优点这使得激光焊成为现代汽车制造业重点关注的现代加工技术。因此，对铜镁合金激光焊焊接组织和性能的研究，对于推广激光焊接在汽车产业中应用，提高汽车性能具有重要意义。目前，已经开展了大量针对铜镁合金母材的微观组织和力学性能研究工作，重点研究了铜镁合金在时效过程中的相变行为以及性能变化[2]。

镁合金具有密度低，比强度高等优点，纯铜具有良好的导电性、导热性、焊接性等优点，因而被广泛应用于导电、导热器材制造等领域。在集成电路制造领域中，引线框架、连铸结晶器、电火花电阻焊电极、高强导线以及一些电子电器设备所使用的铜合金材料除了需要具有优良的导电性，还需要具有较高的强度，以保证零件长期运行的稳定性。高强高导铜镁合金作为一种新型铜镁合金材料，除了具有较高的强度、良好的塑性、优良的导电性，还具有抗氧化、抗应力松弛、抗蠕变，抗应力腐蚀、抗疲劳、无氢脆等特点。在尽量不降低导电性的前提下，高强高导铜合金提高了铜合金的强度。其制备方法分合金化法与复合材料法两大类，具体包括形变强化、固溶强化、时效强化、沉淀强化、细晶强化、纤维复合强化等。因为固溶元素会使合金的导电、导热性大幅度下降，所以固溶强化法受到了限制；沉淀强化法先对工件进行高温固溶处理，随后进行时效强化，固溶在铜基体中的合金元素呈弥散相析出，工件强度得到提升，同时导电、导

热性得到恢复，因此，制备高强高导铜镁合金的主要途径是时效强化。[3]

本文的研究内容包括采用不同的激光焊接方法（如是否加中间层等）来得到实验所需的焊接接头；利用光学显微镜、扫描电镜制对焊接接头组织进行分析，研究铜镁异种材料焊接界面的金属间化合物的数量及分布情况，对接头进行拉伸试验等力学实验来测试铜镁接头的力学性能。根据所得实验数据提出铜镁异种材料激光焊接的工艺改进施，并通过实验加以验证。

2.激光焊接的基本原理

2.1 激光焊接的原理

激光焊接是熔焊的一种，焊接热源为高能激光束，其原理为:用特殊的方式来激励活性介质，使活性介质在谐振腔内往返振荡，从而转化为受激辐射光束，当激光束照射到工件表面时，部分激光束的能量被工件表面吸收，当工件表面温度达到熔点时则焊接过程开始。按焊接熔池形成的机理来分，可以分为两大类：热传导焊接与深熔(匙孔)焊接。热传导焊接时将激光生成的热量通过热传导扩散到工件内部，使焊缝表面熔化，基本没有汽化现象发生，通常应用于薄壁构件焊接，焊接速度一般较慢。深熔焊使材料发生汽化，产生大量等离子体，由于能量密度大，熔池前端会出现匙孔现象。深熔焊能完全焊透工件，且热输入大、焊接效率高，是目前应用最为广泛的激光焊接方法。热传导焊接原理：当激光的功率密度低于 100000 W /cm2 时，金属表面温度迅速加升高到熔点和沸点之间，发生熔化，通过热传导把能量向金属内部传递，熔池逐渐变大，冷却凝固时形成焊缝，焊缝形状接近椭球形。激光照射到工件表面时，有很大一部分能量被金属表面反射，激光能量的吸收率较低，没有蒸汽压的作用，激光的功率密度也较低，不产生匙孔效应。所以热传导焊接时熔深浅，效率较低。深熔(匙孔)焊接原理：当照射到金属表面的能量密度大于 1000000W/cm2 时，金属表面温度在极短的时间内剧烈升高，使加热区域的金属发生汽化，产生大量金属蒸汽，气态金属的蒸汽压高，能够克服液态金属具有的表面张力，把熔化的液态金属吹向四周，形成小孔。随着蒸汽逸出，工件上面及小孔内部形成等离子体，等离子体云会对入射激光有一定的屏蔽作用，则激光束会在小孔内发生多重反射，几乎所有的激光能量可以被小孔吸收，小孔进一步加深，当激光束在金属蒸汽压力与表面张力和重力相互作用下平衡后，小孔深度稳定基本不发生变化，这就是匙孔效应。当激光束以一定的速度移动时，小孔前方的金属不断发生液化与汽化，液态金属向小孔后方流动，凝固形成焊缝，及深熔焊焊接模式[4]。

2.2 激光焊接优点

激光焊接具有以下的优点：

(1)激光焊接的能量密度高，深宽比比其他焊接方法大，最高可达到 10:1，获得的焊缝晶粒细小并且相当致密。

(2)激光焊接速度快、焊接效率高，焊缝熔深大。因为激光焊接输入的能量密度大，激光焊接过程中，能在被焊金属材料上产生匙孔，激光的能量能够通过小孔往工件焊接的方向传播，而横向传播的能量较少，所以在焊接过程中，能量集中，熔深大，焊接速度快，焊接效率高[5]。

(3)激光焊接的热输入量较小，热影响区的范围也较小。由于激光焊接功率密度高则焊接过程中产生的熔合区与热影响区也较小，所以激光焊接能够获得优质的焊接接头。

(4)激光焊缝的力学性能好，甚至焊缝的力学性能超过母材。焊缝的强度高，焊缝窄且表面状态良好，可以免去焊后清理等工作[6]。

(5)激光焊接能在室温或特殊条件下进行。激光在真空、空气或某种保护气气氛中均能实现焊接，并可以通过玻璃或透光的材料进行焊接。

(6)能够焊接普通焊接方法难以焊接的材料，以及同种或者异种难焊材料的焊接。比如高熔点金属，甚至可用于像陶瓷等非金属材料的焊接[7]。

(7)可实现非接触远距离的焊接。可以消除工具损耗与工具调换等问题。

(8)激光焊接属于非接触式加工，与接触焊焊接工艺相比，没有电极、工具等的磨损消耗问题，并且没有加工噪声，对环境污染较轻。

(9)焊接系统具有高度的柔性化。用 CAD/CAM 或者机器人联合组成的焊接系统可

以实现多功能的焊接，且易于实现自动化焊接[8]。

2.3 激光焊接发展与应用

激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一 , 激光焊接由于焊接质量高，焊接精度高，焊接效率高而日益受到人们地关注。在航空航天，机械制造，电子制造业等加工制造领域得到广泛地的应用。

激光焊接设备包括激光器，光学系统，激光加工机，辐射参数传感器，工艺介质输送系统，控制系统等，而激光器是提供激光焊接加工所需光能的部分，它的发展对激光焊接技术的发展起到了非常大的作用。在上世纪 70 年代以前，脉冲激光焊接（PW）是研究的重点，当时的激光器主是利用红宝石脉冲，虽然获得的脉冲能量较高，但是平均输出功率很低。在上世纪 70 年代，激光焊接有了新的发展，在大厚度不锈钢试件上进行 CO₂ 激光焊接，形成穿透熔深的焊缝并且具有小孔效应，CO₂ 激光焊接在高功率连续焊接拥有巨大的发展前景。上世纪 80 年代 YAG 激光器应用日益广泛，YAG 激光器适合焊接不允许变形和焊接污染的微型器件，半导体激光器的出现使得激光焊接设备的体积大大缩小，可靠性明显提高，但光束的质量不是太好。90 年代，用半导体激光器来做传统激光器的泵浦源, 提高了传统激光器的总体效率 , 输出功率与光束质量也都不错 ,但仍有缺点：寿命短。进入本世纪，光纤激光器出现，克服了上述激光器的缺点，焊接质量高，可靠性高，并且寿命长[9-10]。

4.铜/镁异种材料激光焊接的问题与难点

（1）铜与镁的熔点相差大：镁与铜的熔点相差 400K左右 (铜熔点 1357K，镁熔点921K)，当低熔点的镁及镁合金已经完全熔化时，铜还保持着固态，这就使得二者很难发生熔合，而且液态镁对固态的铜也很难润湿。

（2）镁与铜的密度差异较大：镁与铜二者密度相差很大，当铜完全熔化时，镁液由于密度比铜小，故镁液会漂浮在铜液表面上，这样会使得冷却结晶后焊缝成分非常不均匀，严重地降低了焊接接头的质量。

（3）铜镁表面易形成高熔点氧化膜(Al2O3)，熔焊时易在焊缝中产生夹杂。而且采用传统的熔焊技术焊接镁和铜时，接头易生成脆性金属间化合物，并且容易引起热裂

纹。因 此 ，采用熔化焊很难实现镁和铜的连接。固相焊接技术可以避免熔焊时的焊接性缺陷，如搅拌摩擦焊、扩散焊可以实现镁铜及合金的焊接。

（4）镁与铜的热导率，线膨胀系数相差大：镁的热导率为156w/（m#183;k），铜的热导率为383w/（m#183;k），均匀加热变得困难；线膨胀系数相差 1.4-2 倍，容易产生残余热应力，使接头严重变形，而且这种变形不能通过热处理来消除，甚至导致焊缝和热影响区产生裂纹，会严重降低焊接接头的质量。

（5）易产生不利的金属间化合物（图1 为接头断裂路径及其断口形貌．）：接头沿结合面断裂，而裂纹主要发生在结合面附近的金属间化合物层上( 图1a，b)．主要断裂区域内，断口表面光滑，呈小台阶状，说明断裂的发生没有经历足够的塑性变形，为脆性断裂( 图1c，d).断口表面夹杂分布衬度较低的小颗粒，EDS分析显示，其元素组成中Mg，Cu 原子比例为1∶ 1，进一步推测成分为( Mg2Cu Cu2Mg).断口表面检测到氧元素含量较低，并观察到断裂路径发生在脆性相金属间化合物层上，说明结合层附近的化合物种类及分布是影响接头性能、断裂形式的主要因素．[11-14]。

图1 拉伸试样断口显微形貌

4. 镁/铜焊接工艺国内外研究现状及分析

异种材料的焊接由于能够最大限度地利用材料的各自优点满足现代生产对材料结构性能多方面的#8212;而日益受到人们的重视。镁合金是目前可应用最轻的结构材料，具有比强度和比刚度高、导热导电性能好、阻尼减震性和电磁屏蔽性强、易加工成形、废料易回收等特点。[15]用于焊接的主要有两种激光, 即CO2 激光和Nd:YAG激光。

CO2 激光和Nd:YAG激光都是肉眼不可见红外光。用于激发高功率Nd:YAG晶体的二极管激光组合的应用是一项重要的发展课题, 必将大大提高激光束的质量, 并形成更加有效的激光加工 。采用直接二极管阵列激发输出波长在近红外区域的激光, 其平均功率已达1 kW, 光电转换效率接近50%。二极管泵浦固体激光设备(DPSSL)的开发研究在世界上很活跃。美国已研究开发出了3 kW LD泵浦Slab型固体激光设备(图2a),可获得20 ～30 mm的大熔深焊缝 。现在德国开发的LD泵浦薄圆盘固体激光器具有体积小、质量好、效率高和可大功率化等特点(图2b)。目前, 许多公司正在研制大功率的半导体激光设备, 现已出现2 ～ 6k级的商用小型设备。半导体激光由于效率高, 与普通设备相比体积小很多,但大功率时存在激光发散角度大、工作距离短这一缺点, 目前已用于热传导性差的不锈钢、塑料等的焊接。这些激光设备和技术总有一天会在焊接应用方面向CO2 激光器和Nd:YAG激光器发起挑战。

近年来, 双光束激光焊接正成为激光焊接领域的热门技术。J.Xie研究了双光束焊接的焊缝形貌,跟普通单光束激光焊接所获得的形貌进行了比较, 并对双光束焊接过程中热传输进行了数学建模, 计算得到了双光束焊接的临界速度公式, 并得到了双光束激光焊接的焊缝深度计算公式 。图3为采用分光方法得到的双光束激光。双光束焊接跟普通单光束激光焊接的焊缝形貌具有一定的区别, 双光束焊接的工件表面较宽, 向下迅速变窄像钉子的形状。采用双光束激光焊接能降低熔池的冷却速率, 对含碳量较高的钢材能显著提高焊缝质量。用高速摄影对单光束激光焊接和双光束激光焊接过程进行拍摄，发现双光束激光焊接的表面熔化蒸气团更为稳定, 波动较小, 有利于形成稳定的焊缝质量, 减少气孔等缺陷。

镁－铜异种金属连接研究现状包括搅拌摩擦焊、扩散焊、钎焊、钨极氩弧焊、冷金属过渡焊接技术、超声波点焊。

（1）搅拌摩擦焊

在压力作用下， 通过待焊工件的摩擦界面及其附近温度升高， 材料的变形抗力降低、塑性提高、界面氧化膜破碎， 伴随着材料产生塑性流变， 通过界面的原子扩散和再结晶而实现连接的固态焊接方法。可以得到焊缝强度与基体材料等强度的焊接接头，焊接效率高、质量稳定一致性好， 实现异种材料焊接。

图3　激光束分成两束光路图[16]