铜/铝异种材料磁场辅助激光填丝熔钎焊界面化合物形成机理研究

The application of "Al generation copper" could be further broadened by the welding technology of copper/aluminum dissimilar materials. This technology can improve the efficiency of copper resources and the degree of lightweight parts. Magnetic field-assisted laser filler welding technology is proposed for the problem of the intermetallic compounds of copper and aluminum. The growth and distribution of the compounds are controlled, and the strength of the welded joint is improved by adding Zn-Al alloy to adjust the composition of the weld interface. Considering the characteristics of heat cycling and pool movement under brazing conditions, the influence of welding thermal cycle, pool stirring on interface element diffusion, and compound growth is studied by means of thermal simulation and changing magnetic field intensity, respectively. The reaction process of a compound under the condition of thermal non-equilibrium and the growth mechanism of interface compounds in laser welding brazing are revealed. The research can result in high performance Cu / Al dissimilar materials welded joints, can reveal the interface reaction mechanism of laser melting brazing, can provide theoretical basis for predicting, and can evaluate the service ability of laser brazing joints of dissimilar alloys. For these reasons, this research has strong scientific and academic value.

铜/铝异种材料焊接技术可进一步拓宽“铝代铜”的应用范围，提高铜资源利用效率和零件轻量化程度，对经济、技术的发展有重要的意义。项目针对铜与铝在高温下易形成多种金属间化合物，化合物层厚度难以预测和控制，焊接接头强度不高等问题，提出磁场辅助激光填丝熔钎焊技术，通过添加Zn-Al合金调整焊缝界面化合物组成，采用外加磁场影响熔池运动，从而调节化合物的生长和分布，提高焊接接头强度。考虑熔钎焊条件下热循环与熔池运动的特点，提出分别通过热模拟与改变磁场强度的方法研究焊接热循环及熔池搅拌对界面元素扩散及化合物生长的影响。旨在明确热力非平衡条件下化合物的反应过程，揭示激光熔钎焊界面化合物生长机理。项目研究可获得高性能铜/铝异种材料焊接接头，揭示激光熔钎焊界面反应机理，为预测和评价异种合金激光熔钎焊接头服役能力提供理论依据，具有较强的科学意义与学术价值。

项目针对铜/铝异种材料磁场辅助激光填丝熔钎焊技术展开研究，分析激光熔钎焊热循环条件下钎缝界面处元素的扩散及化合反应过程，采用外加磁场激光焊接的方法来影响熔池的运动，从而分析熔池的运动对化合物反应及生长过程的影响，进而揭示激光熔钎焊条件下界面元素扩散及化合物生长机理，并在其指导下优化焊接工艺及填丝成分，控制及预测化合物层厚度，获得高质量焊接接头。研究表明，液态焊缝在铜母材上的润湿行为对铝/铜异种材料熔钎焊接头组织和性能具有重要影响，通过调控Zn-Al焊丝中Al元素含量、焊接工艺参数以及外加磁场等方法能够提高液态焊缝的润湿性能，促进界面化合物的形成和生长。磁场的电磁搅拌作用会改变液态熔池的流向和流速，增强液态熔池对铜母材的冲刷作用，溶解更多的Cu元素并增强其扩散距离，更有利于Al4.2Cu3.2Zn0.7三元化合物的形成，最终形成的Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物由于其形态分布与焊缝形成类似“机械咬合”的效果使得IMC与焊缝紧密结合，从而提高了接头性能。无磁场时，接头的形成过程为：铜母材的溶解→CuZn化合物的生成→Al2Cu化合物的生成→焊缝形成，而磁场辅助时接头的形成过程是：铜母材的加速溶解→CuZn化合物的生成→Al4.2Cu3.2Zn0.7三元化合物的生成→焊缝形成，扩散反应机制和饱和析出机制是界面IMC层形成的两种主要机制。无磁场时，采用Zn-10%Al焊丝，激光功率2200 W，焊接速度12 mm/s为铝/铜异种材料激光熔钎焊接头的最佳工艺，接头的抗拉强度约204.1 MPa。在相同工艺下，分别外加B=50 mT的直流磁场和f=35 Hz、IE=1.6 A的交变间歇磁场，接头的抗拉强度会相比于无磁场条件下分别提高约14.33%和31.84%，这与磁场改变了界面化合物的种类和生长形态密切相关，说明外加磁场辅助焊接方法能够有效提高铝/铜异种材料激光熔钎焊接头连接强度。本研究为铝/铜异种材料接头的实际应用提供了数据和理论支持，项目发表论文10篇，培养硕士研究生4名。