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加工制造产商的福音,铜铝制品的利润进一步提高:异种铜铝板的激光焊接

发布:2022-05-11 10:21作者:www.huyunjituan.com点击:947次

加工制造产商的福音,铜铝制品的利润进一步提高:异种铜铝板的激光焊接。连接电池时,薄铜铝板中的各种金属接头非常重要。组装这些不同组合的最大问题是在脆性金属之间形成相,这会降低组件的电气和机械性能。当铜和铝板进行激光粘合时,需要 107 W / cm2 范围内的非常高的强度。铜和铝的结合对接头的韧性很重要。本论文研究了接头形成和激光脉冲整形对铜铝搭接焊的影响。通过改变激光脉冲或时间。功率百分比相对于脉冲时间,可以实现精确的混合控制。横截面和结构分析用于研究具有上升和下降曲线的不同脉冲形状。
一种不同的铝铜连接广泛用于电气工程和电子领域。 Al-Cu 体系的低溶解度有利于在脆性金属中形成化合物并降低接头的柔韧性。铜铝激光焊接存在几个问题,如: B. 反射率高,热导率高,热膨胀和熔化温度差异大。通过将形成的金属间化合物接头的厚度调整为 3-6 µm 并将其限制在 Al2Cu、Al4Cu9 等步骤中,可以获得从铝侧到铜侧的激光焊接。但是,额外的 AlCu 相 Al3Cu4 是在热老化过程中添加。在激光焊接中,光束的空间振动有效地增加了焊缝的宽度并减小了深度。调整界面附近的 Al-Cu 系统中的熔化深度是有用的,因为可以减少混合。
界面处的 Al/Cu 样品的电子显微镜检查显示 Al 和 Cu 之间有五层,包括四个大的金属间化合物和一个饱和的固体中间层。使用能量色散 X 射线电子显微镜 (EDX) 在 A、B、C、L 和 M 点对各层进行定性和定量分析,以确定各层和化合物的组成。上图显示金属之间的宽度和层间Al线的扫描也证实了上述结果。
高反射铜侧的激光键合需要 107 W / cm2 的非常高强度才能形成孔,从而增加能量与气相材料的耦合。脉冲激光焊接可用于降低材料的热效应。用于搜索的脉冲宽度范围为 5 ms 至 10 ms。方波是最简单的脉冲波形。但是,也可以对其他曲线进行编程,例如随时间变化的脉冲强度。这种调制与随时间的温度趋势成比例。因此,加热区、活动焊接区和冷却区都位于脉冲内。研究了铜铝点焊的这种脉冲调制。通过调制激光器的峰值功率和脉冲时间来引入预热阶段、正弦加热阶段和冷却阶段。
在这项研究中,研究了铜铝箔(上面的铜)在时间相关的重叠排列中的连续焊接效果的调制。这种结构有利于接头伙伴的快速相互扩散,并且在焊接中形成了 Cu-Al 系统的所有危险的脆性金属间化合物相。因此,这里的问题不是控制金属间化合物层的形成,如调节Al-Cu(上面有Al),而是控制其在截面中的分布以降低其浓度。对金属间相的分布及其在焊料中的混合的控制是通过振荡操作模式(混合效应)和脉冲波的组合来实现的。本文的主要目的是研究激光束产生和脉冲调制的结合,并表明在 Cu-Al 结构中存在金属间化合物的情况下实现塑性行为是可能的。
所用材料:纯铜(99.95% 纯度,无氧化物)和铝板(Al 1050),尺寸为 40 mm × 50 mm,厚度为 0.4 mm。激光焊接使用波长为 1030 nm 的 2000 W 圆盘激光器。 400 μm厚的铜铝板叠加,激光焦点对准铜板(Z = 0),激光光斑直径为89 μm。
激光束以 107 W/cm2 的高强度照射在铜板上,该工艺基于电铆焊。在这项研究中没有考虑额外的保护气体。保护气体对 Al-Cu 不均匀焊缝的影响可以忽略不计。振幅(a in mm)等振动参数为0.75 mm,频率(f in Hz)为50 Hz,进给速度(v in mm/s)为30 mm/s。
在脉冲波模式下,影响工艺参数的有脉冲宽度、频率和峰值功率。在初步测试的基础上,考虑到熔铜的反射率和阈值,将脉冲的峰值功率设置为 1100 W,脉冲持续时间设置为 5 ms,频率设置为 150 Hz。这些参数代表铜和铝板的总穿透深度(0.8 毫米)。由于主要目的是了解调制脉冲轮廓,因此振荡参数和脉冲参数是固定的。脉冲形状由沿脉冲宽度的加热时间 (PH)、有效焊接时间 (AW) 和冷却 (CL) 阶段确定。峰值功率为 1100 W,脉冲持续时间为 5 ms,所有脉冲形式(即曲线下面积)A、B、C 和 D 的能量为 4.02 J。由于焊接的最大功率和峰值能量脉冲是相同的,只有波形/影响影响。
对于脉冲 A,在 50% 峰值功率下进行 1.75 ms 的预热,在 100% 峰值功率下进行 1.75 ms 的主动焊接,并在 1.5 ms 下进行线性冷却。如果 A 型脉冲加热材料 (PH),则主动焊接 (AW) 可以从小到足以产生熔融 Cu-Al 的孔开始,并通过连续冷却 (CL) 完成冷却。使用最长有效焊接时间为 3.65 ms 的 D 脉冲进行直接比较。然而,对于所有类型的脉冲,能量 (E = 4.02 J) 保持不变。脉冲 B 由持续 1.75ms 的主动焊接和持续 3.25ms 的线性冷却决定。加热斜坡和冷却斜坡曲线用于脉冲 C。
使用苯酚粉末作为浇注介质的注塑系统 (Buhler SimpleMet 4000) 制备金相样品。浇注机的压力、加热时间和温度参数分别为220巴、4.20分钟和180℃。用半自动研磨机(Buehler MetaServ 250)逐步进行研磨和抛光。在每个步骤之间,样品在超声波浴中用乙醇洗涤 2 分钟。
使用 Cu 电池和宏观蚀刻剂来蚀刻 Al-Cu 焊缝。通过将抛光的金相样品浸入化学溶液中一段时间​​来施加溶剂,然后最终用水冲洗。光学显微镜(Leica DM4000M)用于检查微观结构。
使用尺寸为 (40mm x 50mm x 0.4mm) 的铜和铝样品。焊接前,样品用丙酮清洗。纸张粘在两端。在室温(25°C)下在Zwick Z010机器上进行拉伸和剪切试验。交叉安装速度 1.2 毫米/分钟。
该部分显示了梁的无振动 Cu-Al 接头的剪切强度,表明了 Cu-Al 接头的典型脆性响应。在覆铜结构中,非常希望形成脆性金属间化合物 (IMC)。如果 BMI 不分布在焊缝的截面上(即梁没有振动),则接头太脆且机械强度低。
切割实验的样本量为 5(N = 5)。位移测试产生了超过 1200 N 的高机械力。与其他手腕相比,A 型脉冲显示出 1275 N (79.6 N / mm2) 的高平均力和 17 N 的低标准偏差。 Pulse B 和 Pulse D 的平坦剖面导致平均剪切力分别小于 1,222 N 和 1,237 N,偏差较大为 46 N。母材 A1 的剪切强度为 1,230 N,最小标准偏差为7.4 N. 因此,振动和动量引起的剪切强度与贱金属 Al (1230 N) 相当。
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