先進(jìn)表征技術(shù)在鋁/銅異種金屬激光焊接中的應(yīng)用

來(lái)振華，孔德群，周 建，李 軒，周曉煒

北京奔馳汽車有限公司，北京 100176

0 前言

鋁/銅異種有色金屬連接工藝［1-3］是化工、制冷、航空、航天、汽車等領(lǐng)域電子電器元件關(guān)鍵制造技術(shù)，近年來(lái)鋁/銅異種焊接技術(shù)在新能源汽車動(dòng)力電池模組制造中的應(yīng)用［4-5］已成為研究熱點(diǎn)，例如接觸電阻焊、電阻點(diǎn)焊、超聲波焊、激光焊等。超聲波金屬焊接是電池系統(tǒng)制造中最常用的連接方法之一，利用20 kHz或以上的高頻超聲振動(dòng)，通過(guò)在夾緊壓力下生成固態(tài)鍵來(lái)連接板材，具有加工速度快和能耗低的優(yōu)點(diǎn)，但是僅適用于方形袋式電池，不適用于圓柱形或棱柱形電池的端子與母線接頭，因?yàn)閴毫ο碌恼駝?dòng)可能會(huì)損壞結(jié)構(gòu)完整性［6］。電阻點(diǎn)焊用于連接厚度可達(dá)0.4 mm的多種電池極耳材料（包括鋼、鎳、銅和鋁），然而由于鋁具有較高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，且鋁表面存在氧化層，使得鋁片和銅片的電阻點(diǎn)焊在應(yīng)用于電池焊接時(shí)仍面臨較大困難［6］。激光焊具有焊接速度快、能量密度高、熱輸入精確等優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)效率較高，同時(shí)也存在氣孔、裂紋和脆性金屬間化合物（Intermetallic Compound，簡(jiǎn)稱IMC）等技術(shù)挑戰(zhàn)［7-8］。

金屬材料的表征方法是利用電子、光子、離子、原子、強(qiáng)電場(chǎng)、熱能等與固體表面的相互作用，測(cè)量從表面散射或發(fā)射的電子、光子、離子、原子、分子的能譜、光譜、質(zhì)譜、空間分布或衍射圖像，從而表征材料表面微觀形貌、表面粗糙度、表面微區(qū)成分、表面組織結(jié)構(gòu)、表面相結(jié)構(gòu)及成分等相關(guān)參數(shù)。通常工廠級(jí)實(shí)驗(yàn)室可實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種材料激光焊接頭的金相檢驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、伸試驗(yàn)等常規(guī)破壞性理化試驗(yàn)［9］，全面研究激光焊縫的物理性能［10-14］和機(jī)械性能［15-20］。體視學(xué)觀察在鋁/銅異種金屬激光焊縫冶金表征中主要體現(xiàn)在焊縫尺寸表征和表面形貌表征，必要時(shí)可檢驗(yàn)焊縫表面是否存在弧坑、焊瘤、裂紋、未焊滿等焊接缺欠［9］。金相檢驗(yàn)可精確測(cè)量鋁/銅激光焊縫的熔深與熔寬，清晰觀察間隙過(guò)大、孔洞、氣孔、裂紋等焊接缺欠，以及金屬間化合物等微觀結(jié)構(gòu)［9］。維氏硬度試驗(yàn)可用來(lái)研究鋁/銅激光焊縫的熔合區(qū)、熱影響區(qū)以及母材基體的硬度變化，而拉伸試驗(yàn)則用來(lái)表征鋁/銅激光焊縫的拉伸剪切性能［9］。隨著激光焊接技術(shù)的發(fā)展，不斷對(duì)鋁/銅異種材料激光焊接的表征技術(shù)提出新的需求，先進(jìn)的材料表征技術(shù)逐漸在鋁/銅異種金屬材料激光焊接應(yīng)用中凸顯出重要作用，以滿足不斷增長(zhǎng)的研發(fā)設(shè)計(jì)、優(yōu)化改進(jìn)、生產(chǎn)問(wèn)題分析的需求。本文分類綜述了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、光學(xué)發(fā)射光譜法、激光誘導(dǎo)熒光、掃描電子顯微鏡、X射線能譜分析、X射線衍射分析等先進(jìn)的材料表征技術(shù)的基本原理與應(yīng)用特點(diǎn)，及其在鋁/銅異種金屬材料激光焊接中的應(yīng)用與進(jìn)展。

1 先進(jìn)光學(xué)表征技術(shù)

1.1 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)

視覺(jué)傳感技術(shù)（Vision Machine Technic，VMT）是目前實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)化和智能化的主流傳感技術(shù)［20］，圖像處理過(guò)程包括圖像預(yù)處理、激光中心線提取、特征點(diǎn)識(shí)別三個(gè)階段。Fan J.等［21］研制了一種采用均勻LED表面光源的新型視覺(jué)傳感器，用于采集窄焊縫的高信噪比圖像，并提出了一種基于激光視覺(jué)傳感器的窄焊縫初始點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)方法，其開(kāi)發(fā)的視覺(jué)傳感器如圖1所示，包括工業(yè)照相機(jī)、激光器、LED燈和濾光片。正是由于LED光源與窄帶濾光片同波長(zhǎng)（635 nm為中心），視覺(jué)傳感器才能獲得窄焊縫的高信噪比圖像。

圖1 視覺(jué)傳感器Fig.1 Vision sensor

機(jī)器視覺(jué)是利用攝像裝置攝取物體的圖像，并由計(jì)算機(jī)或其他智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的校正、處理、識(shí)別、理解和特征提取，進(jìn)而根據(jù)判別結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作的過(guò)程。它能實(shí)現(xiàn)焊接工件位置的自動(dòng)檢測(cè)及對(duì)焊接質(zhì)量實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。陳忠［22］提出了一種新的鋰離子電池片自動(dòng)包裝過(guò)程中激光焊接接頭的視覺(jué)檢測(cè)算法，采用二維Log-Gabor徑向?qū)ΨQ濾波器進(jìn)行圖像預(yù)處理和霍夫圓（Hough Circle）分析，解決了極耳圖像中薄片褶皺或偏轉(zhuǎn)誘導(dǎo)陰影導(dǎo)致的焊接接頭檢測(cè)瓶頸問(wèn)題，提高了激光焊接接頭的檢測(cè)質(zhì)量。徐劼［23］研究了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行單體電池極耳高精度定位以及視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)激焊縫的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)追蹤，iRVision視覺(jué)系統(tǒng)的重復(fù)定位精度達(dá)到了0.07 mm，Precitec焊縫跟蹤系統(tǒng)的重復(fù)定位及補(bǔ)償精度達(dá)到了0.1 mm，完全滿足電池模塊生產(chǎn)的需求，優(yōu)化編程后的視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)能使1年內(nèi)的電池模塊激光焊接的一次合格率達(dá)到98.8%，很少出現(xiàn)漏焊、焊偏，杜絕了因激光焊接造成的整個(gè)電池模塊報(bào)廢的現(xiàn)象，解決了動(dòng)力電池模組制造過(guò)程中激光焊接合格率低下的問(wèn)題。

1.2 光學(xué)發(fā)射光譜法

光學(xué)發(fā)射光譜法（Optical Emission Spectrometry，OES）是一種用于檢測(cè)各種金屬元素成分的分析技術(shù)，使用的電磁光譜包括可見(jiàn)光譜以及部分紫外光譜。OES是金屬痕量分析的首選，能夠分析各種固體金屬元素，其優(yōu)勢(shì)在于準(zhǔn)確度高、精度高、檢出限低。然而，OES在應(yīng)用中還存在缺點(diǎn)，即其有限的靈敏度只能確定激光是否入射到Al或Cu表面［24］。

OES適用于研究鋁/銅異種金屬激光焊接過(guò)程發(fā)射的特征光譜，確定等離子體中存在的化學(xué)元素，但其識(shí)別熔池最豐富元素之外其他元素的能力是非常有限的［24］。Ciobanu S S［25］利用脈沖 Nd-YAG激光器和最佳光譜分辨率為0.5 nm的Acton Re‐search光譜儀研究了空氣中鋁和銅等離子體的發(fā)射光譜，并用Boltzmann作圖法從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的CuI譜線強(qiáng)度提取到銅等離子體激發(fā)溫度為8 210±370 K。圖2a顯示了空氣Al等離子體的發(fā)射光譜，包含來(lái)自鋁的原子線和離子線，以及來(lái)自O(shè)和N的原子線，疊加在連續(xù)發(fā)射譜上。由于沒(méi)有進(jìn)行能量校準(zhǔn)，因此只對(duì)鋁等離子體進(jìn)行了定性分析。空氣中銅等離子體的發(fā)射光譜如圖2b所示，主要包含來(lái)自銅、氧和氮的原子線。

圖2 空氣中等離子體的發(fā)射光譜Fig.2 Emission spectra of plasma in air

Schmalen P G［26］使用敏感范圍為 340～1 100 nm的Thorlabs PDA100A型光電二極管和濾光器研究了純鋁/銅異種金屬材料焊接時(shí)光纖激光誘導(dǎo)等離子體的光譜分析。為了得到最小寬度的IMC層，使用空間調(diào)制激光器進(jìn)行Al-1050與Cu-OF（含2.5μm厚鍍鎳層）的激光焊接，焊接速度設(shè)為50 mm/s，無(wú)保護(hù)氣氛；如圖3所示，試驗(yàn)中6個(gè)鋁件全部焊接到銅件上，銅件也已熔化，CWL395/400和FWHM5/10雙濾光器檢測(cè)的特征峰顯示，由于Al信號(hào)的強(qiáng)度更高，394/396 nm處Al峰比578 nm處Cu峰更易被檢測(cè)到。研究表明，OES能夠探測(cè)并可量化等離子體羽輝中的特定金屬，在沒(méi)有保護(hù)氣體條件下Al與O反應(yīng)生成了Al2O3；這種檢測(cè)特征峰的新方法未來(lái)可應(yīng)用于焊接質(zhì)量矩陣的過(guò)程監(jiān)控，或關(guān)于閉環(huán)過(guò)程控制的工作。Mazalan E［27］使用如圖4所示的試驗(yàn)裝置研究了樣品溫度（-70～200℃）和激光能量（100～300 mJ）對(duì)鋁和銅金屬靶激光誘導(dǎo)擊穿光譜發(fā)射光譜的影響，HR4000光譜儀記錄了環(huán)境大氣壓下的發(fā)射光譜。試驗(yàn)結(jié)果顯示，激光能量和樣品溫度的增加，對(duì)Al和Cu的激光誘導(dǎo)等離子體動(dòng)力學(xué)、發(fā)射強(qiáng)度、溫度和密度等都有明顯的影響，兩種元素的譜線峰值強(qiáng)度都顯著增加。

圖3 應(yīng)用于檢測(cè)394/396 nm處Al特征峰的雙濾光器Fig.3 Dual filter for the detection of the characteristicAl peak at 394/396 nm

圖4 OES試驗(yàn)裝置示意Fig.4 Diagram of the OES test set-up

1.3 激光誘導(dǎo)熒光法

激光誘導(dǎo)熒光法（Laser-induced Fluorescence，LIF）是化學(xué)物理學(xué)家越來(lái)越常用的一種強(qiáng)有力的技術(shù)，用于探測(cè)氣相原子或分子物種，甚至是微量的，并確定其內(nèi)部狀態(tài)分布［28］。LIF技術(shù)具有非擾動(dòng)、實(shí)時(shí)原位測(cè)量、組分選擇性強(qiáng)、靈敏度好、時(shí)空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種更加有效的、原位的、實(shí)時(shí)的、監(jiān)測(cè)蒸氣元素?fù)p失的非接觸式光學(xué)技術(shù)。Si‐monds團(tuán)隊(duì)是LIF應(yīng)用在激光焊接領(lǐng)域內(nèi)的活躍研究者［29-32］。Simonds B J［29］報(bào)道了 LIF對(duì)低濃度合金元素?fù)p失的檢測(cè)靈敏度比OES高約4萬(wàn)倍。LIF試驗(yàn)設(shè)備的流程如圖5所示［30］，細(xì)實(shí)線表示定時(shí)信號(hào)，虛線表示數(shù)據(jù)或命令信號(hào)，粗黑線表示隱藏的光束管。高功率激光加工金屬過(guò)程中合金元素之間的蒸氣壓差會(huì)造成非均衡的合金元素?fù)p失，在激光焊接中造成機(jī)械性能和微觀組織的變化，對(duì)加工材料的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖5 LIF試驗(yàn)設(shè)備流程Fig.5 LIF test equipment flow

快速且靈敏的過(guò)程監(jiān)控方法可發(fā)揮激光焊接的效益優(yōu)勢(shì)，通常情況下，鋁/銅激光搭接焊接時(shí)激光入射到鋁板上，控制下層Cu的熔化時(shí)間是限制IMC 形成的關(guān)鍵因素。Simonds B J［29］使用波長(zhǎng)為1 070 nm、光束直徑為600 μm的連續(xù)波光纖激光器，將高功率激光束聚焦在鋁/銅箔疊層表面進(jìn)行點(diǎn)焊，研究了LIF技術(shù)對(duì)鋁/銅激光搭接焊接過(guò)程進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)的可能性。接頭質(zhì)量評(píng)估是基于最初貼在一起的焊材在焊后是否保持完整（良）、脫落（差），或者沒(méi)有形成機(jī)械接頭。激光功率與脈沖持續(xù)時(shí)間的過(guò)程如圖6所示，黑色虛線框表示該文獻(xiàn)使用的LIF試驗(yàn)參數(shù)［31］。然而，這僅是個(gè)定性評(píng)估，期待未來(lái)的研究工作能夠致力于對(duì)一組更精確的激光加工參數(shù)進(jìn)行定量測(cè)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LIF具有足夠的靈敏度，在形成可靠的機(jī)械焊接頭之前就能夠檢測(cè)到鋁/銅異種金屬激光焊接羽輝中的Cu原子。相比于只能在激光直接入射到銅表面時(shí)才能檢測(cè)到Cu原子的OES技術(shù)，LIF在應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。LIF可憑借其優(yōu)異靈敏度成為鋁/銅激光焊接工藝的實(shí)時(shí)原位過(guò)程監(jiān)測(cè)工具，以及研究激光焊接基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)的工具［32］。激光誘導(dǎo)熒光試驗(yàn)結(jié)果的譜圖如圖7所示［31］，Cu熒光波長(zhǎng)為327.4 nm，蒸氣羽輝中Al元素因非共振激發(fā)而產(chǎn)生了背景輻射。虛線對(duì)應(yīng)的是在沒(méi)有惰性保護(hù)氣體（N2）情況下的譜線，可看出在430～460 nm區(qū)間形成強(qiáng)烈的一氧化鋁（AlO）信號(hào)。

圖6 激光焊接參數(shù)空間指示及焊接接頭質(zhì)量的定性評(píng)價(jià)Fig.6 Spatial indication of laser welding parameters and qualitative evaluation of weld head quality

圖7 激發(fā)波長(zhǎng)為324.7nm的LIF光譜Fig.7 LIF spectrum with an excitation wavelength of 324.7 nm

2 電子顯微表征技術(shù)

2.1 掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）是一種用于高分辨率微區(qū)形貌分析的精密儀器，利用聚焦的、很窄的高能電子束來(lái)掃描樣品以完成微觀形貌表征，具有景深大、分辨率高、成像直觀、立體感強(qiáng)等特點(diǎn)。SEM用來(lái)觀察鋁/銅異種金屬激光焊縫微米級(jí)/納米級(jí)微觀結(jié)構(gòu)特征［33-39］，可顯著彌補(bǔ)光學(xué)金相顯微鏡在放大倍數(shù)上的局限性。例如，Yan S H［33］利用掃描電鏡觀察了經(jīng)Keller試劑浸蝕的鋁/銅激光搭接接頭界面區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)，可清晰看到Al-Cu共晶組織與IMC相晶粒形貌。

通常，SEM設(shè)備搭載能譜儀（Energy Dispersive Spectroscope，EDS）功能模塊，高精度成像配合微區(qū)成分檢測(cè)，綜合分析微觀結(jié)構(gòu)的本質(zhì)特征。黃冬［37］通過(guò)SEM和EDS觀察并分析了T2紫銅和LY16鋁合金激光焊接頭的組織形貌，發(fā)現(xiàn)雙熔池的耦合作用使焊縫界面層細(xì)分為3層（見(jiàn)圖8）：Ⅰ層主要化合物為平行層狀的Al4Cu9相，Ⅱ?qū)訛闂l塊狀的Al2Cu化合物，是Al/Cu界面的主要組成部分，Ⅲ層為緊密排列的珊瑚狀（Al+Al2Cu）共晶組織。

圖8 鋁/銅激光焊縫界面層的SEM圖像Fig.8 SEM image of interface layer ofAl/Cu laser weld

SEM還可以用于鋁/銅激光焊縫的斷口形貌觀察，為失效機(jī)理的推斷提供科學(xué)的試驗(yàn)證據(jù)。Zuo D［38］研究了1060鋁合金和T2銅激光焊縫剪切強(qiáng)度試驗(yàn)后斷裂面的形貌狀態(tài)和化學(xué)成分，結(jié)果表明Cu含量為20.08%～54.65%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的富Al區(qū)易發(fā)生斷裂，斷裂機(jī)理傾向于韌性斷裂，斷裂面相對(duì)粗糙，未見(jiàn)韌窩結(jié)構(gòu)。

2.2 透射電子顯微鏡

透射電子顯微鏡（Transmission Electron Micros‐copy，TEM）可觀察到光學(xué)顯微鏡下無(wú)法看清的亞結(jié)構(gòu)或超微結(jié)構(gòu)，原理是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到厚度約為50 nm的超薄切片樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射以形成明暗不同的影像。Chen C Y［35］利用TEM研究了冷滾焊條件下鋁/銅界面擴(kuò)散區(qū)的結(jié)構(gòu)特征與化學(xué)成分，結(jié)果顯示鋁/銅界面附近成分變化較為明顯，升高溫度有助于Cu原子向Al側(cè)的擴(kuò)散，接頭表面的局部劇烈塑性變形能造成Cu原子穿越界面進(jìn)行遷移進(jìn)而強(qiáng)化冶金結(jié)合性。該文獻(xiàn)還利用TEM明場(chǎng)圖像和電子衍射譜測(cè)定了IMC相的晶帶軸、結(jié)構(gòu)類型和晶格常數(shù)，如圖9所示。

圖9 鋁/銅界面區(qū)IMC相的明場(chǎng)圖像和電子衍射譜Fig.9 Bright field images and electron diffraction spectrums of IMC phases atAl/Cu interface

然而，目前公開(kāi)文獻(xiàn)尚未見(jiàn)利用TEM技術(shù)來(lái)表征鋁/銅激光焊接組織的報(bào)道，可以期待未來(lái)TEM作為高精度表征手段的有機(jī)補(bǔ)充，用于探索鋁/銅激光焊接組織結(jié)構(gòu)演變的研究與分析，以進(jìn)一步研究鋁/銅激光焊接的物理冶金過(guò)程的本質(zhì)特征，從機(jī)理層面上揭開(kāi)IMC相、氣孔、熱裂紋等焊接缺陷的形成規(guī)律及生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。

3 X射線分析技術(shù)

3.1 X射線能譜法

X射線能譜法（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）是一種高靈敏度超微量表面分析技術(shù)，可根據(jù)能量譜圖上特征X射線的強(qiáng)度和峰位置進(jìn)行材料微區(qū)成分元素的定性和定量分析的方法。EDS可用來(lái)表征鋁/銅異種金屬激光焊縫微觀結(jié)構(gòu)或局部區(qū)域的化學(xué)成分（定點(diǎn)分析、線掃、面掃等）［31-34，36-38］，根據(jù)元素種類與含量推測(cè)焊縫特征區(qū)的金屬間化合物物相組成。

（1）定點(diǎn)成分。表1為圖8中標(biāo)記點(diǎn)處的定點(diǎn)成分分析結(jié)果［37］，根據(jù)Al-Cu合金系的固相及組成成分可以推測(cè)：Ⅰ層的點(diǎn)A為Al4Cu9相，Ⅱ?qū)拥狞c(diǎn)B為Al2Cu相，Ⅲ層的點(diǎn)C為（Al+Al2Cu）共晶組織，點(diǎn)D和點(diǎn)E位于鋁側(cè)熔池，點(diǎn)D為黑色枝狀的α（Al）固溶體，點(diǎn)E為散布于α（Al）固溶體晶粒之間的（Al+Al2Cu）共晶組織，銅側(cè)熔池的點(diǎn)F為均勻分布的Cu固溶體。

表1 圖8中標(biāo)記點(diǎn)處的EDS分析結(jié)果（原子百分比，%）Table 1 EDS analysis results at the marked points in Figure 8（At.%）

（2）線掃分析。焊縫過(guò)渡層的EDS線掃結(jié)果如圖10所示［38］。根據(jù)結(jié)果分析：Zone 1區(qū)比較狹窄，由均勻分布的柱狀A(yù)l4Cu9相組成，Zone 2區(qū)內(nèi)白色塊狀為體心四方結(jié)構(gòu)的CuAl2相，灰色網(wǎng)狀為共晶組織（Al+CuAl2），Zone 3區(qū)分布著層間距小于1 μm的共晶組織（Al+CuAl2），鋁基體附近的Zone 4區(qū)則是由焊縫凝固前沿生長(zhǎng)和枝晶臂前沿合金元素偏析引起的樹(shù)枝晶組織。

圖10 焊縫過(guò)渡層形貌和EDS線掃結(jié)果Fig.10 Weld transition layer morphology and EDS line scan results

（3）面掃分析。焊縫的焊接區(qū)界面結(jié)構(gòu)以及Al、Cu元素的面掃分布圖如圖11所示［34］，可以看到兩個(gè)不同的熔化區(qū)域，即中心富Cu區(qū)和其周圍富Al區(qū)。富Cu區(qū)從Cu板熔合區(qū)底部向頂部Al板擴(kuò)展，但兩種元素的互溶是有限的。

圖11 鋁/銅激光焊縫元素分布Fig.11 Elemental distribution of aluminium/copper laser welds

3.2 X射線衍射法

X射線衍射法（X-ray diffraction，XRD）是利用X射線在晶體物質(zhì)中的衍射效應(yīng)進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)，可表征物質(zhì)內(nèi)部原子在空間的分布狀況。點(diǎn)陣常數(shù)是晶體物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，測(cè)定點(diǎn)陣常數(shù)在研究固態(tài)相變、確定固溶體類型、測(cè)定固溶體溶解度曲線、測(cè)定熱膨脹系數(shù)等方面都得到了應(yīng)用。表2［39-40］總結(jié)了鋁/銅焊縫可能形成的金屬間化合物相的成分范圍、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)、空間群等晶體學(xué)特征量。XRD可用來(lái)測(cè)定鋁/銅激光焊縫微觀組織結(jié)構(gòu)的物相［19，33，35，38-39］。Yan S H［19］使用XRD設(shè)備分別對(duì)鋁/銅激光焊縫的熔合區(qū)和熔池下界面區(qū)進(jìn)行物相確認(rèn)（見(jiàn)圖12），發(fā)現(xiàn)引入Ni元素有利于形成AlNi相，在一定程度上抑制了Al原子與Cu原子的反應(yīng)；隨著激光功率的增加，熔池在凝固前形成更多的 Al2Cu 相。Schmalen P［39］研究了同步輻射X射線顯微衍射（tts-μXRD）在鋁/銅異種金屬激光焊縫表征中的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了一種識(shí)別鋁/銅激光焊縫物相的方法。試驗(yàn)采用0.5 mm厚度的1050鋁板和Cu-OF銅板激光搭接焊縫后，挑選具有大量金屬間化合物和裂紋的焊縫樣品，制備成50～100 μm厚的薄片截面試樣，鑲嵌于0.5～1.0 mm厚的玻璃基板上。樣品到探測(cè)器的距離約為275 mm，以避免峰值重疊，且能獲得足夠的角度分辨率。鋁/銅激光焊縫XRD檢測(cè)位置如圖13a所示，焊縫上分為14條檢測(cè)線，每條線上以3μm為步長(zhǎng)可獲得共90個(gè)顯微XRD圖譜，每種顏色分別代表了母材或室溫穩(wěn)定的金屬間化合物相。由于γ-Al4Cu9相和δ-Al4Cu9相化學(xué)成分相似，晶格參數(shù)幾乎相同，因此很難區(qū)分。圖13b為顯微XRD測(cè)量得到的所有金屬間化合物相的累積圖，結(jié)果表明絕大多數(shù)裂紋在AlCu相和Al3Cu4相之間擴(kuò)展，見(jiàn)圖13c。這與文獻(xiàn)［35］的研究成果是吻合的。

圖12 含Ni箔的Al/Cu焊縫的XRD譜Fig.12 XRD spectrum ofAl/Cu welds containing Ni foil

圖13 鋁/銅激光焊縫XRD檢測(cè)位置與結(jié)果Fig.13 Location and results of XRD inspection of aluminium/copper laser welds

表2 Al-Cu二元合金系金屬間化合物晶體學(xué)參數(shù)Table 2 Crystallographic parameters ofAl-Cu binary alloy system intermetallic compounds

4 結(jié)論與展望

先進(jìn)材料與先進(jìn)工藝的發(fā)展離不開(kāi)先進(jìn)的材料表征技術(shù)手段，同理，先進(jìn)的材料表征技術(shù)在鋁/銅異種金屬材料激光焊接工藝的研究與發(fā)展中也占據(jù)重要地位，更多的先進(jìn)表征技術(shù)也應(yīng)借鑒應(yīng)用到鋁/銅激光焊接工藝來(lái)以實(shí)現(xiàn)更大的貢獻(xiàn)。例如，Chen C Y［41］利用波長(zhǎng)色散光譜法（Wavelength-Dispersive Spectrometer，WDS）研究了不同燒結(jié)條件下Al/Cu雙金屬板金屬間化合物發(fā)展，Chen C［42］采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜法（Laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）測(cè)定了異種鋁合金激光焊縫中元素含量及分布，利用Matlab軟件繪制元素分布圖，借助Cu在焊縫截面的分布探討了振蕩頻率和振蕩幅度對(duì)焊縫形貌和熔池特性的影響。Huang W K［43］利用Flow-3D?軟件模擬了鋁/銅激光匙孔焊接過(guò)程中熔池內(nèi)激光熱流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、液體流速場(chǎng)、元素濃度場(chǎng)。

鋁/銅異種金屬的激光焊接方法已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，也是電子電器連接領(lǐng)域的前沿課題。高功率激光焊接匙孔與羽輝特性、熱裂紋的物理冶金學(xué)本質(zhì)、焊接缺陷的質(zhì)量控制、實(shí)時(shí)在線的3D無(wú)損檢測(cè)方法、工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)等仍需深入研究，應(yīng)將更多的先進(jìn)表征技術(shù)引入到理論研究與工程應(yīng)用中，發(fā)揮重要作用。鋁/銅異種金屬再分布的研究可為焊接接頭中IMC相的形成提供理論依據(jù)，對(duì)不同行業(yè)焊接工藝的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要的參考價(jià)值。