NiTi-Cu 異種材料激光微連接機(jī)理及元素分布

柯文超，張康，周乃迅，陳文暢，陳龍，龐博文，曾志

(1.電子科技大學(xué),成都,611731；2.陸裝駐成都地區(qū)航空軍代室,成都,610000)

0 序言

鎳鈦(NiTi)形狀記憶合金(shape memory alloys，SMA)作為一種智能材料，具有良好的形狀記憶效應(yīng)(shape memory effect，SME)、超彈性(super elasticity，SE)、抗腐蝕性和生物兼容性，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-2].然而NiTi 成本高，且單一的NiTi 結(jié)構(gòu)難以滿足不同產(chǎn)品的性能要求，因此NiTi 零件通常需要與異種材料(如鋁，鋼，銅等合金)連接組成系統(tǒng)，以發(fā)揮其功能特性[3].電弧焊[4]、電子束焊[5]、激光焊等是常用的NiTi 合金與異種材料的連接方法，其中激光焊能量密度高、熱影響區(qū)小、殘余應(yīng)力小，是一種先進(jìn)的連接技術(shù)[6]，適用于NiTi 合金與異種材料的精密連接.NiTi 合金對(duì)溫度變化敏感，大功率激光焊接過(guò)程會(huì)損傷接頭的SME 和SE 功能特性，因此運(yùn)用小功率(＜1 000 W)的激光微連接工藝(laser microwelding,LMW)對(duì)小尺寸(＜ 800 μm)的NiTi 合金進(jìn)行焊接能夠極大保障接頭性能[7].

銅(Cu)及其合金具有高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和優(yōu)異的耐腐蝕性等，被廣泛用于電子元器件及電路連接工藝[8].NiTi-Cu 異種材料激光微連接工藝是生產(chǎn)基于NiTi 的電子設(shè)備，如智能開(kāi)關(guān)、電熱驅(qū)動(dòng)器和電連接器等的理想方案[9].NiTi 激光焊接熔合區(qū)形成的Ni-Ti 脆性金屬間化合物(intermetallic compounds，IMCs)易誘發(fā)裂紋，并削弱接頭力學(xué)性能，使焊接工藝具有挑戰(zhàn)性[10].Sun 等人[11]使用功率為900 W 的Nd：YAG 激光器針對(duì)400 μm 直徑的NiTi 和Cu 雙絲異種材料開(kāi)展了激光微連接工藝，研究發(fā)現(xiàn)，NiTi-Cu 熔合區(qū)中的脆性Ni-Ti IMCs的比例明顯降低，取而代之的是低硬度的Cu-Ti IMCs.NiTi-Cu 激光微連接過(guò)程中的溫度演變及熔池動(dòng)態(tài)對(duì)異種材料共熔以及元素?cái)U(kuò)散有較大影響，受異質(zhì)熔池微界面尺寸和工藝過(guò)程的制約，異種材料之間的激光微連接機(jī)理難以用試驗(yàn)設(shè)備，如高速攝影機(jī)、紅外熱成像儀等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)仿真模擬方法日益成為研究焊接過(guò)程的有效工具[12]，有助于優(yōu)化激光微連接工藝、控制連接成形、提升接頭性能.Zhang 等人[13]建立了三維CFD 模型，研究了不同的激光離焦量和功率對(duì)NiTi 合金與不銹鋼異種材料焊接微連接熔池形貌的影響.現(xiàn)有的研究忽略了異種元素?cái)U(kuò)散及分布機(jī)制，也難以揭示NiTi 及異種材料的激光微連接機(jī)理.

文中對(duì) NiTi 絲和銅板進(jìn)行激光微連接，建立了三維CFD 模型，模擬了NiTi-Cu 激光微連接過(guò)程中的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)演變和元素傳輸規(guī)律，為深入研究NiTi-Cu 激光微連接焊接技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論指導(dǎo).

1 試驗(yàn)方法

圖1 為NiTi-Cu 異種材料激光微連接示意圖.試驗(yàn)使用的400 W 楚天JHM-1GY-400D 型Nd：YAG激光器 (圖1a)，波長(zhǎng)為1.064 μm，使用直徑 700 μm 富鎳的NiTi 超彈性合金絲(Ni 元素含量50.8%)和三維尺寸 2.0 mm × 25.0 mm × 0.5 mm的T2 純銅薄板(Cu 元素含量99 %)為焊接材料.NiTi 絲置于銅板上，并用夾具固定，如圖1b 所示.焊前使用丙酮、乙醇和蒸餾水清潔NiTi 絲；用砂紙對(duì)銅板進(jìn)行機(jī)械拋光，并使用丙酮清潔以去除氧化膜.選用優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接[9]，激光在銅板上表面的聚焦直徑為800 μm，焊接速度為10 mm/s，焊接過(guò)程中持續(xù)通入流速為 18.8 L/min、純度為99.99%的氬氣以防氧化.

圖1 NiTi-Cu 激光微連接示意圖(mm)Fig.1 Diagram of micro laser welding of NiTi-Cu.(a)micro laser welding system;(b) diagram of micro laser welding

將焊后樣品制成金相試樣，使用600 目～ 1 200目的砂紙和平均粒徑0.25 μm 氧化鋁粉末進(jìn)行拋光，用比例為14∶3∶82 的 HNO3∶HF∶H2O 腐蝕液對(duì)金相腐蝕后，采用 Olympus BX53M 光學(xué)顯微鏡和能量色散譜儀(energy dispersive spectrometer,EDS)表征樣品的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布.

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 基本假設(shè)

激光微鏈接涉及復(fù)雜的熱物理過(guò)程，如熔化凝固、金屬蒸發(fā)等，為了平衡計(jì)算效率和求解精度，激光微鏈接CFD 建模采用如下假設(shè)：熔融的異種金屬被視為不可壓縮的層流牛頓流體[14]；采用 Boussinesq近似法計(jì)算熔池?zé)岣×15]；忽略保護(hù)氣體對(duì)熔池動(dòng)態(tài)的影響[16]；計(jì)算域的初始溫度為300 K，與實(shí)際焊接環(huán)境溫度相近.

2.2 計(jì)算模型

試驗(yàn)使用基于笛卡爾坐標(biāo)系的三維尺寸為4.0 mm × 2.0 mm × 1.5 mm 的計(jì)算域，如圖2 所示.計(jì)算域包含500 μm 厚的銅板，直徑700 μm 的NiTi 絲，其余為氣體層.為有效追蹤焊接過(guò)程中的元素傳輸機(jī)制，設(shè)置NiTi，Cu 和氣體為3 個(gè)不同的相.計(jì)算域共有304 587 個(gè)六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸為30 μm.計(jì)算域頂面設(shè)置為壓強(qiáng)出口(Pressure-outlet)邊界條件，其余面設(shè)置為壁面(Wall)邊界條件.

基于壓力速度耦合的PISO 算法，利用ANSYS Fluent 軟件計(jì)算激光微連接過(guò)程的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)演變，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)在1 × 10-7～ 1 × 10-5s 范圍內(nèi)自適應(yīng)變化.編寫基于C 語(yǔ)言的用戶自定義函數(shù)(user-defined function,UDF)計(jì)算激光微連接過(guò)程中的力學(xué)作用和激光熱源，模擬過(guò)程中使用的NiTi 和Cu 的熱物理參數(shù)見(jiàn)表1[17-18].

表1 NiTi 和Cu 熱物理參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of NiTi and Cu

2.3 控制方程

在模擬激光微連接過(guò)程中，計(jì)算域單元應(yīng)滿足質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒及體積分?jǐn)?shù)(volume of fraction,VOF)方程[19].

式中：ρ為計(jì)算域中物質(zhì)的密度；v為速度矢量；p為壓力；k為導(dǎo)熱系數(shù)；μ為動(dòng)力粘度；K為阻力系數(shù)；T為實(shí)時(shí)溫度；H是焓；Sm為動(dòng)量源項(xiàng)，通過(guò)編輯UDF 函數(shù)將激光微連接過(guò)程中熔池的驅(qū)動(dòng)力，如熱浮力、表面張力、金屬蒸氣反沖壓力等添加至動(dòng)量源項(xiàng)中；α為計(jì)算域單元?dú)庀嗷蚪饘傧嗟捏w積分?jǐn)?shù)，0＜α＜1 的單元組合為熔池氣液自由界面；Se為能量源項(xiàng)，主要為激光熱源和自由液面的熱損失.熔池自由液面的熱損失包括對(duì)流、輻射以及金屬蒸發(fā)引起的散熱[16].

式中：n為熔池自由液面的方向矢量；hc為對(duì)流換熱系數(shù)；ε為輻射系數(shù)；σ為玻爾茲曼常數(shù)；mv為金屬蒸發(fā)質(zhì)量；Lv為蒸發(fā)潛熱；Tref為環(huán)境溫度.

熔融金屬吸收激光束能量而蒸發(fā)，金屬蒸氣反沖壓力垂直作用于熔池自由液面，使液面凹陷產(chǎn)生匙孔，金屬蒸氣反沖壓力計(jì)算式為[20]

式中：P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；M為材料的摩爾質(zhì)量；R為氣體常數(shù)；Tv為蒸發(fā)溫度.

2.4 熱源模型

圖3 為激光熱源模型及能量分布，激光微連接過(guò)程中，激光能量以熱流密度的形式輸入到NiTi和銅材料上，并呈高斯分布[21].高斯分布計(jì)算式為

圖3 激光熱源模型及能量分布Fig.3 Laser heat source model and energy distribution.(a) laser heat source model; (b) energy distribution

式中：r=(x-v0t)2+y2為熱源內(nèi)的點(diǎn)與熱源中心的距離；v0為焊接速度；c為熱源分布系數(shù);Q為激光功率；η為激光效率；r0為激光半徑.通過(guò)VOF 方程識(shí)別熔池氣液界面，將熱源施加至三維計(jì)算域.

2.5 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算模型的可靠性，圖4 比較了試驗(yàn)和仿真焊縫的橫截面輪廓.圖中可以看出，試驗(yàn)和仿真焊縫的輪廓吻合良好，因此模型可用于后續(xù)激光微連接熔池動(dòng)態(tài)特征分析.

圖4 試驗(yàn)與仿真焊縫橫截面輪廓對(duì)比Fig.4 Comparison of the experimental and simulated welds on the cross-section.(a) the experimental;(b) simulated welds

3 結(jié)果與分析

3.1 NiTi-Cu 激光微連接機(jī)理

激光微連接過(guò)程中，匙孔深度可反映激光能量的分布狀況.利用CFD-Post 軟件計(jì)算匙孔氣液界面底部與NiTi 絲頂部的距離H1，即為仿真匙孔深度.圖5 為CFD 模型預(yù)測(cè)的25 ms 內(nèi)匙孔深度隨時(shí)間變化曲線.觀察發(fā)現(xiàn)，以H1=0.70 mm(0.70 mm為NiTi 絲直徑)為基準(zhǔn)，25 ms 的焊接時(shí)間可以分為3 個(gè)特征時(shí)間區(qū)間：0～t1(t1=6.2 ms)，匙孔深度小于NiTi 絲直徑，激光只作用于NiTi 絲；t1～t2(t2=13.3 ms)，匙孔深度約等于NiTi 絲直徑，激光作用于NiTi 絲與銅板的交界面；t2～ 25 ms，匙孔深度開(kāi)始大于NiTi 絲直徑，激光同時(shí)作用于NiTi 絲和銅板，時(shí)間區(qū)間1 和3 內(nèi)，部分時(shí)間段(1.4～ 2.7 ms 和16.4～ 19.0 ms)匙孔深度有較大波動(dòng)，這由匙孔不穩(wěn)定導(dǎo)致的[14].

圖5 仿真匙孔深度隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Predicted fluctuation curve of keyhole depth with time

圖6 為特征時(shí)間區(qū)間1(0～t1)內(nèi)熔池的俯視和橫截面視圖，熔池中的小箭頭為速度矢量.從圖中可以看出，當(dāng)時(shí)間為0.7 ms 時(shí)，激光輸出能量累積較少，僅NiTi 絲上部被熔化，熔池窄且淺，匙孔較淺，且匙孔形成過(guò)程中有少許金屬飛濺；當(dāng)時(shí)間為2.7 ms 時(shí)，隨著激光能量的累積，熔池變寬，且匙孔抵達(dá)NiTi 絲底部，熔池深度加深；當(dāng)時(shí)間為0.7～2.7 ms 時(shí)，匙孔邊緣的金屬液在金屬蒸氣反沖壓力的驅(qū)動(dòng)下有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，表明該特征時(shí)間區(qū)間內(nèi)匙孔主要表現(xiàn)“鉆孔”現(xiàn)象[14]，且在該時(shí)間區(qū)間，激光能量只作用于NiTi 絲，銅板幾乎無(wú)溫度變化.

圖6 時(shí)間區(qū)間1 內(nèi)的熔池動(dòng)態(tài)Fig.6 Molten pool dynamics within the time interval 1.(a) t=0.7 ms;(b) t=2.7 ms

圖7 為特征時(shí)間區(qū)間2(t1～t2)內(nèi)熔池動(dòng)態(tài).觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)間為6.2 ms 時(shí)，銅板上有大量的飛濺，激光束下方的NiTi 絲被全部熔化，并呈半橢圓形鋪展于銅板上，匙孔穿透了NiTi 絲并抵達(dá)銅板上表面，匙孔深度等于NiTi 絲直徑，即H1=0.70 mm；當(dāng)時(shí)間為13.3 ms 時(shí)，NiTi 絲吸收了更多激光能量，熔池變長(zhǎng)(x軸方向)，匙孔深度維持在H1=0.70 mm 不變，匙孔未進(jìn)入銅板內(nèi)，6.2 ms 的激光能量累積，匙孔便穿透了NiTi 絲；而在6.2～13.3 ms(Δt=7.1 ms)時(shí)，銅板僅上表面的微小區(qū)域被熔化，這主要是由銅的熱導(dǎo)率高(表1 表明銅的熱導(dǎo)率約為NiTi 的7 倍[17-18])、散熱快造成的.因此激光在6.2～ 13.3 ms 時(shí)，激光作用于NiTi 絲與銅板的交界面，使銅板被預(yù)熱，在該時(shí)間區(qū)間內(nèi)，觀察到熔池橫截面有兩個(gè)由表面張力引起的Marangoni 渦流[22]，該渦流驅(qū)動(dòng)熔融NiTi 鋪展在銅板上，有助于NiTi 和銅異種材料之間的潤(rùn)濕，在Marangoni 渦流的驅(qū)動(dòng)下，6.2 ms 時(shí)NiTi 與銅板間的孔洞(圖7a)逐漸被熔融金屬填補(bǔ)，并在13.3 ms 時(shí)消失.

圖7 時(shí)間區(qū)間2 內(nèi)的熔池動(dòng)態(tài)Fig.7 Molten pool dynamics within the time interval 2.(a) t=6.2 ms;(b) t=13.3 ms

圖8 為特征時(shí)間區(qū)間3(t2～ 25 ms)內(nèi)熔池演變.當(dāng)時(shí)間為13.9 ms 時(shí)，銅板上部被熔化，激光束開(kāi)始在銅板內(nèi)部“鉆孔”；當(dāng)時(shí)間為20.3 ms 時(shí)，匙孔在銅板內(nèi)的深度進(jìn)一步加深，銅板上形成約240 μm 深的熔池，在該時(shí)間區(qū)間內(nèi)，激光同時(shí)作用于NiTi 絲和銅板內(nèi)部，NiTi 絲與銅板被連接在一起.與時(shí)間區(qū)間2 類似，在時(shí)間區(qū)間3 內(nèi)，熔池橫截面也存在兩個(gè)Marangoni 渦流，該渦流促進(jìn)了熔池流動(dòng)，有助于Ni，Ti 和Cu 元素混合.

圖8 時(shí)間區(qū)間3 內(nèi)的熔池動(dòng)態(tài)Fig.8 Molten pool dynamics within the time interval 3.(a) t=13.9 ms;(b) t=20.3 ms

3.2 元素?cái)U(kuò)散及分布規(guī)律

圖9 為不同時(shí)間熔池橫截面Cu 元素分布情況.當(dāng)時(shí)間為2.7～ 13.3 ms，即時(shí)間區(qū)間1 和2 內(nèi)，銅板未熔化或熔化量極少，因此未發(fā)現(xiàn)明顯的NiTi 與銅混合現(xiàn)象.而在時(shí)間區(qū)間3 內(nèi)，即時(shí)間為13.9 ms(圖9d)，匙孔開(kāi)始深入銅板內(nèi)部，在金屬蒸氣反沖壓力的驅(qū)動(dòng)下[23]，匙孔底部熔融的NiTi 被壓入銅板內(nèi)部，并互相混合，同時(shí)匙孔邊緣的銅也被擠入NiTi 絲內(nèi)部，并在Marangoni 渦流的作用下與NiTi 混合.由此可見(jiàn)，NiTi-Cu 激光微連接過(guò)程中，Ni，Ti 和Cu 元素混合主要發(fā)生在時(shí)間區(qū)間3 內(nèi).

圖9 熔池橫截面Cu 元素分布Fig.9 Cu element distribution on the cross-section of molten pool.(a) t=2.7 ms;(b) t=6.2 ms;(c) t=13.3 ms;(d) t=13.9 ms

為定量分析焊縫中Cu 元素的分布，試驗(yàn)與仿真焊縫中Cu 元素分布對(duì)比如圖10 所示.選取圖4a 中金相A 區(qū)垂直于焊縫邊緣的3 個(gè)點(diǎn)(圖10a 點(diǎn)1，2，3)進(jìn)行EDS 掃描，檢測(cè)各點(diǎn)的Cu元素含量.如圖10d 所示，點(diǎn)1，2，3 中Cu 元素含量分別為15.4%，11.8%和9.6 %，表明Cu 元素含量從焊縫中心到焊縫邊緣逐漸升高.Cu 元素進(jìn)入熔池有助于在焊縫邊緣形成低硬度的Cu-Ti IMCs[11]，降低脆性Ni-Ti IMCs 形成的可能性，從而提升接頭強(qiáng)度.圖10b 為20.3 ms 時(shí)仿真熔池橫截面Cu 元素分布，在NiTi 絲內(nèi)部觀察到Cu 元素富集點(diǎn)(箭頭所示)，這與金相試驗(yàn)結(jié)果(圖4a)吻合良好.NiTi 絲內(nèi)部Cu 元素富集點(diǎn)主要由匙孔邊緣的Cu 元素被激光“鉆孔”效應(yīng)擠入NiTi 絲內(nèi)部引起的(圖9d).熔融的銅在NiTi 絲內(nèi)部凝固后形成固溶體，有助于強(qiáng)化焊接接頭力學(xué)性能[9].如圖10b～圖10d 所示，在仿真熔池B 區(qū)選取與金相A 區(qū)相同位置的3 個(gè)點(diǎn)，當(dāng)時(shí)間為20.3 ms 時(shí)，熔池已達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，這3 點(diǎn)處于流速小的熔池邊緣，因此元素分布趨于穩(wěn)定，且區(qū)間3 結(jié)束后熱量輸入停止，熔池將快速凝固，此時(shí)熔池3 點(diǎn)的元素分布與凝固后的元素分布大致相同，可代表焊縫相應(yīng)位置的元素分布.使用CFD-Post 讀取各點(diǎn)的Cu 元素含量，得到模擬的1～ 3 點(diǎn)的Cu 元素含量分別為18.3%，12.1%和8.0%，與EDS 試驗(yàn)結(jié)果吻合良好 (圖10d)，表明了計(jì)算模型有較高的可靠性.

圖10 試驗(yàn)與仿真焊縫中Cu 元素分布對(duì)比Fig.10 Comparison of Cu element distribution in experimental and simulated weld beads.(a) enlarged image of region A in Fig.4a;(b)simulated distribution of Cu element at 20.3 ms;(c) enlarged image of region B in the simulation;(d) comparison of the element content

4 結(jié)論

(1) NiTi-Cu 激光微連接過(guò)程由3 個(gè)特征時(shí)間區(qū)間組成，即在時(shí)間區(qū)間1(0～ 6.2 ms)內(nèi)，激光在NiTi 絲中“鉆孔”，匙孔深度小于NiTi 絲直徑，激光能量只作用于NiTi 絲；在時(shí)間區(qū)間2(6.2～ 13.3 ms)內(nèi)，激光束下方的NiTi 絲被全部融化，匙孔抵達(dá)銅板上表面，銅板被激光預(yù)熱，僅微小區(qū)域被熔化；在時(shí)間區(qū)間3(13.3～ 25 ms)內(nèi)，銅板逐漸被熔化，激光束開(kāi)始在銅板中“鉆孔”.

(2) 微連接過(guò)程中，Ni，Ti 和Cu 元素混合主要發(fā)生在時(shí)間區(qū)間3 內(nèi)，NiTi 和Cu 在金屬蒸氣反沖壓力的作用下互相滲透，并在Marangoni 渦流的作用下均勻混合.匙孔邊緣的銅被擠入NiTi 絲內(nèi)部形成銅富集點(diǎn)，富集點(diǎn)處的銅凝固后形成固溶體，有助于強(qiáng)化焊接性能.

(3) 沿著焊縫中心至焊縫邊緣，Cu 元素含量逐漸升高，焊縫將形成更多的低硬度的Cu-Ti IMCs，從而降低脆性Ni-Ti IMCs 含量，以提高接頭強(qiáng)度.