一种用于铝铜异种金属连接的复合焊接工艺

1.本技术涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种用于铝铜异种金属连接的复合焊接工艺。


背景技术：

2.随着新能源汽车的快速发展，与之配套的电池技术也得到了迅速的发展。为了降低成本，新能源汽车的电池采用大量电池进行模组连接，模组之间的连接采用了铜质连接件，连接着铜铝正负极，这必然会造成异种金属之间的反应，增大电能传输的损耗。如果能够采用异种金属连接件则能够有效避免铜铝之间发生异种金属之间的反应。
3.铝和铜的物理和化学性能上差异较大，在焊接时有许多困难需要克服。一是铝焊接时容易出现氧化问题，影响填充金属与母材的熔合，二是铝和铜焊接时对于热输入敏感，会产生多种金属间化合物，这些金属间化合物会极大地弱化接头性能，三是铝铜异种金属焊接时残余应力严重，容易出现裂纹，四是由于铝、铜的导热性较好，焊接式熔池冷却块，焊接中产生的气体来不及逸出气体，容易出现气孔。
4.激光焊是一种以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。由于激光具有折射、聚焦等光学性质，使得激光焊非常适合于微型零件和可达性很差的部位的焊接。激光焊接的焊接速度、精度、可靠性质量高，但是铝合金对激光的吸收率低，大量的激光会被铝合金反射。因此在实际生产中，多采用高能量密度的激光束或者复合焊接的手段来实现铝合金的焊接连接，由此带来的是，低沸点的合金元素发烧严重，焊接强度降低。
5.冷焊是应用机械力、分子力或电力使得焊材扩散到器具表面的一种工艺。由于冷焊剂的硬度、粘附力和强度特别高，几乎没有收缩率，能可靠的防止许多化学作用、物理应力和机械应力等，人们又称其为“液体金属”。冷焊的热输入小且热输入量可控，但是其整体的热输入相对激光焊不稳定，熔池深度较小。若增大热输入量，焊缝也会随着变宽。
6.在一定的工艺条件下，让两种或多种物理化学性能不同的材料达到有效结合的工艺过程称为异种材料复合焊接。目前，国内外学者开展了针对激光焊接的各种复合焊等焊接方法的研究，并取得了良好的焊接效果，这也为铝铜异种金属焊接提供了新的方向。激光焊焊接速度高，并且精度和可靠性质量高，冷焊热输入小且热输入量可控，若将二者结合，能够摒除单独使用激光焊或冷焊的缺点。但目前国内外甚少有使用激光焊与冷焊进行复合的焊接工艺。


技术实现要素：

7.本技术的目的在于提供一种用于铝铜异种金属连接的复合焊接工艺，其在保证低热输入的前提下，有效提高了焊接的熔深，加强焊接的焊缝处的力学性能，实现铝铜异种金属间高质量、高强度的连接。
8.本技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
9.本技术实施例提供一种用于铝铜异种金属连接的复合焊接工艺，其包括：
10.步骤s1，清理铝金属和铜金属，去除氧化皮；
11.步骤s2，将铝金属和铜金属拼接，形成焊接区域；
12.步骤s3，采用激光焊接和冷焊接同时焊接。
13.相对于现有技术，本技术的实施例至少具有如下优点或有益效果：
14.1、本技术提出一种用于铝铜异种金属连接的复合焊接工艺，实现了铜铝异种金属间的连接，有效避免了电池模组之间连接时发生异种金属反应，有效提高电力的传输效率。
15.2、本技术提出的一种用于铝铜异种金属连接的复合焊接工艺，其能够实现铝铜异种金属间高质量、高强度的连接，在较低的热输入下，获得了较大熔深，且抗拉强度高，接头处的导线性能好，可以达到行业标准(抗拉强度可达到90mpa，接头处的导电性能可达纯铜连接件的80％以上)。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
17.图1为本技术实施例1提供的一种用于铝铜异种金属连接的复合焊接工艺示意图。
18.图标：1-冷焊设备，2-激光，3-铜金属，4-铝金属。
具体实施方式
19.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
20.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考具体实施例来详细说明本技术。
21.本技术实施例提供一种用于铝铜异种金属连接的复合焊接工艺，其包括：
22.步骤s1，清理铝金属和铜金属，去除氧化皮；
23.步骤s2，将铝金属和铜金属拼接，形成焊接区域；
24.步骤s3，采用激光焊接和冷焊接同时焊接。
25.铝原子序数相对靠前，化学性质活泼，极易出现氧化的现象。在常温下，铝表面会快速形成致密的氧化膜，其成分主要为三氧化二铝(al2o3)，阻碍氧化的继续进行，而且al2o3的熔点远超铝、铜的熔点，影响焊接。al2o3的存在也会影响填充金属与母材的熔合。因此，在焊接前以及焊接进行时需要采取一定的措施清除氧化膜，并抑制氧化膜的产生。
26.氧化皮的存在会影响接头的强度和塑性，还会影响焊接处的光洁度，因此，在拼接前，需要将铝金属和铜金属的表面的氧化皮去除。然后在焊接区域对铝金属和铜金属进行拼接，随后采用激光焊和冷焊进行焊接。
27.激光焊的焊接速度、精度和可靠性质量均较高，但铝金属对激光的吸收率较低，大
量的激光都会被反射，如若使用高能量的密度的激光束，低沸点的铝金属发烧严重，会大大降低焊接强度，影响焊接处的美观，因此激光焊并不适用于铝金属的焊接。冷热输入小且热输入量可控，但整体的热输入不稳定，熔池深度较小，接头强度较低。本技术采用激光焊与冷焊复合焊接的方法，尝试进一步降低热输入，降低对焊接位置的精确程度的要求。激光焊与冷焊复合焊接，在保证低热输入的前提下，能有效提高焊接的熔深，加强焊接的焊缝处的力学性能，且焊接速度快，精度高。采用本技术的复合焊接工艺制得的铝铜异种金属拼接件，其接头处的抗压强度以及接头处的导电性能均能达到行业标准的要求。
28.在本技术的一些实施例中，上述铝金属包括铝或铝合金，上述铜金属包括铜或铜合金。
29.本技术的复合焊接工艺可以适用于铝和铜、铝和铜合金、铝合金和铜、铝合金和铜合金之间的焊接。
30.在本技术的一些实施例中，上述步骤s1中，上述去除氧化皮的步骤包括：去除铝金属和铜金属表面的氧化皮，随后在超声波仪器中加入有机溶剂，清洗，干燥。
31.去除氧化皮的方法有机械法、化学法、电化学法等。机械法包括抛光法、滚磨法、高压水冲洗、刷光法、喷(拋)丸法、喷沙法、破鳞法等。化学法即采用酸、碱等化学物质与钢铁材料表面的铁鳞起化学反应而去掉氧化铁皮。化学物质一般使用强酸、强碱如硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等。电化学法酸洗就是把零部件放置在电解液中通以直流电,通过化学反应达到除锈目的。
32.超声波清洗效率高、效果好。超声波清洗是基于超声波在清洗液体介质中传递时特有的“空化效应”物理作用，“空化效应”形成微观强烈冲击波和高速射流作用于被清洗物件表面，从而使污物迅速粉碎、剥离，达到高质量、高效率清洗目的。超声波每秒数万次地负压膨大和正压强烈压缩爆破无数“空穴”，高频率产生无数微观冲击波，使得超声波对于侵入清洗液中被洗物件复杂内外表面形状、狭缝、深孔、拐角、死角等部位的洗净能力和清洗效率强，清洗效果好，有利于焊接时形成光洁的表面。
33.有机溶剂配合超声波清洗机震荡使溶剂产生大量的小气泡，这些小气泡在形成、生长和析出时产生强大的机械力，促使工件表面粘附的油脂、污垢迅速脱离，从而加速清洗过程，缩短清洗时间，使除油更加的迅速和彻底。
34.有机溶剂可以为丙酮、汽油、石油溶剂、松节油、二甲苯、二氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯等。其溶解能力强、不易燃、毒性小，而且便于操作，清洗油污效果好。
35.需要说明的是，还可以采取乳化脱脂法、碱液脱脂法等去除金属表面的油污。
36.在本技术的一些实施例中，上述激光焊接的焊接速度为1.9-2.1mm/s。
37.在此参数下，激光和电弧耦合产生的热输入稳定，且能获得焊接质量平稳的焊缝。
38.在本技术的一些实施例中，上述激光焊接的离焦量为0-0.5mm。
39.离焦量是激光焦点离作用物质间的距离。在焊接过程中，离焦量对焊接质量的影响很大。激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦量直接关系到激光作用在工件上的功率密度。在激光热处理过程中，离焦量对热处理效果产生直接的影响。当离焦量过大，作用在工件上的功率密度过低达不到处理工件的目的；当离焦量过小，作用在工件上的功率密度过高，容易熔化激光照射点，破坏工件表面。
40.本技术通过将离焦量设置为0-0.5mm，如此，能够有效的使得冷焊电流和激光耦合，既能处理工件，又不会破坏工件表面。
41.在本技术的一些实施例中，上述激光焊接的偏置铜量为0.2-0.4mm。
42.当两种材料熔点相差较大，会导致一边的金属还没有熔化而另一边的金属已经开始流动，影响两者的结合。由于铜的熔点高于铝，如果激光和冷焊电流直接打到了铝铜的拼接处，会导致铝金属先产生熔化。铝金属熔化后，会导致拼接处裂缝大，甚至无法成功拼接。本技术将偏置铜量设置为0.2-0.4mm，如此，能够避免这种情况发生，能够保证较好的焊接效果。
43.在本技术的一些实施例中，上述激光焊接的焊接功率为350-400w。
44.一般激光焊接需要较高的功率才能实现两个工件的连结。铝铜异种金属焊接时，由于焊接功率较高，拼接处常伴有多种金属间化合物的产生，这些硬脆金属间化合物的存在会极大地弱化接头性能。当激光焊接与冷焊配合时，激光焊接的功率较低，能够有效减少拼接处金属间化合物的产生。当焊接功率在350-400w之间时，不仅减少拼接处金属间化合物的产生，还可以实现铝铜异种金属的焊接，并且激光和电弧耦合产生的热输入稳定，能获得焊接质量平稳的焊缝。
45.在本技术的一些实施例中，上述冷焊电流为75-85a、上述冷焊的焊接脉间为35-45ms、上述冷焊焊接作用时间为25-35ms。
46.本技术通过设置冷焊设备的参数如下：冷焊电流为75-85a、冷焊焊接脉间为35-45ms。冷焊焊接作用时间均为25-35ms，在上述参数下，激光和电弧耦合产生的热输入稳定，且能获得焊接质量平稳的焊缝。
47.需要说明的是，焊接作用时间可以根据焊缝长度调整，也可以采用自动化集成设置。
48.在本技术的一些实施例中，上述步骤s3中，还包括：对上述焊接区域采用惰性介质保护。
49.惰性介质保护是指采用惰性介质对具有爆炸燃烧危险的介质、场所、作业及区域进行惰性化处理的过程。工业中常用的惰性介质一般是氮气、二氧化碳、水蒸气及烟道气等。
50.铝铜熔点相差近400℃，在熔焊时，铝易和空气发生剧烈的氧化反应，生成氧化物、氮化物等杂质，杂质的存在会影响填充金属与母材之间的熔合，影响拼接处的强度和塑性。因此，需要对作业区采用惰性介质保护，抑制杂质的产生。
51.在本技术的一些实施例中，上述惰性介质的流量为5-10l/min。
52.若惰性介质的流量过小，无法有效避免杂质的产生，若流量过大，会造成浪费。当惰性介质的流量为5-10l/min时，能够较好的抑制金属与空气发生氧化反应。
53.以下结合实施例对本技术的特征和性能作进一步的详细描述。
54.实施例1
55.如图1所示，对铝金属4和铜金属3进行复合焊接。
56.具体为对规格为60*60*1.5(mm)的6061铝合金和t2紫铜进行激光2焊与冷焊复合焊接。
57.步骤s1，使用刚刷，与板材成45
°
，除去铝合金板和紫铜板表面的氧化皮。在超声波
仪器中加入丙酮以清洗铝合金和紫铜表面的油污，然后进行干燥处理，并保持焊接样件表面的清洁干燥。
58.步骤s2，通过机械装置将铝合金板在焊接区域进行装配，装配方式为拼接，不留缝隙，通过焊接夹具将铝合金和紫铜板准确对接。
59.步骤s3，编制焊接运行轨迹，开始进行焊接。激光2焊接参数设置为激光2先导，焊接速度为1.9mm/s，离焦率为0mm，焊接功率为350w、偏置铜量为0.2mm，冷焊设备1的参数设置为：冷焊电流为75a、冷焊焊接脉间为35ms。冷焊的焊接作用时间均25ms。焊接过程中，对焊接区域采用惰性气体保护，惰性介质流量为5l/min。
60.实施例2
61.对规格为60*60*1.5(mm)的6061铝合金和t2紫铜进行激光2焊与冷焊复合焊接。
62.步骤s1，使用刚刷，与板材成50
°
，除去其表面的氧化皮。在超声波仪器中加入二甲苯以清洗铝合金表面的油污，然后进行干燥处理，并保持焊接样件表面的清洁干燥。
63.步骤s2，通过机械装置将铝合金板在焊接区域进行装配，装配方式为拼接，不留缝隙，通过焊接夹具将铝合金和紫铜板准确对接。
64.步骤s3，编制焊接运行轨迹，开始进行焊接。激光2焊接参数设置为激光2先导，焊接速度为2.1mm/s，离焦率为0.2mm，焊接功率为390w、偏置铜量为0.4mm，冷焊设备1的参数设置为：冷焊电流为85a、冷焊焊接脉间为45ms。冷焊的焊接作用时间为30ms。焊接过程中，对焊接区域采用惰性气体保护，惰性介质流量为7l/min。
65.实施例3
66.对规格为60*60*1.5(mm)的6061铝合金和t2紫铜进行激光2焊与冷焊复合焊接。
67.步骤s1，用磨光机除去铝合金板和紫铜板表面的氧化皮。在超声波仪器中加入丙酮以清洗铝合金表面的油污，然后进行干燥处理，并保持焊接样件表面的清洁干燥。
68.步骤s2，通过机械装置将铝合金板在焊接区域进行装配，装配方式为拼接，不留缝隙，通过焊接夹具将铝合金和紫铜板准确对接。
69.步骤s3，编制焊接运行轨迹，开始进行焊接。激光2焊接参数设置为激光2先导，焊接速度为2.0mm/s，离焦率为0.5mm，焊接功率为400w、偏置铜量为0.3mm，冷焊设备1的参数设置为：冷焊电流为80a、冷焊焊接脉间为40ms。冷焊的焊焊接作用时间为35ms。焊接过程中，对焊接区域采用惰性气体保护，惰性介质流量为10l/min。
70.实施例4
71.对规格为60*60*1.5(mm)的铝板和铜合金板进行激光2焊与冷焊复合焊接。
72.步骤s1，用氢氧化钠浸泡除去铝板和铜合金板表面的氧化皮。在超声波仪器中加入汽油以清洗铝板和铜板表面的油污，然后进行干燥处理，并保持焊接样件表面的清洁干燥。
73.步骤s2，通过机械装置将铝合金板在焊接区域进行装配，装配方式为拼接，不留缝隙，通过焊接夹具将铝合金和紫铜板准确对接。
74.步骤s3，编制焊接运行轨迹，开始进行焊接。激光2焊接参数设置为激光2先导，焊接速度为2.0mm/s，离焦率为0mm，焊接功率为360w、偏置铜量为0.2mm，冷焊设备1的参数设置为：冷焊电流为78a、冷焊焊接脉间为43ms。冷焊的焊焊接作用时间为31ms。焊接过程中，对焊接区域采用惰性气体保护，惰性介质流量为6l/min。
75.实施例5
76.对规格为60*60*1.5(mm)的铝板和铜板进行激光2焊与冷焊复合焊接。
77.步骤s1，用磨光机除去铝板和铜板表面的氧化皮。在超声波仪器中加入丙酮以清洗铝板和铜板表面的油污，然后进行干燥处理，并保持焊接样件表面的清洁干燥。
78.步骤s2，通过机械装置将铝合金板在焊接区域进行装配，装配方式为拼接，不留缝隙，通过焊接夹具将铝合金和紫铜板准确对接。
79.步骤s3，编制焊接运行轨迹，开始进行焊接。激光2焊接参数设置为激光2先导，焊接速度为2.0mm/s，离焦率为0.3mm，焊接功率为380w、偏置铜量为0.2mm，冷焊设备1的参数设置为：冷焊电流为83a、冷焊焊接脉间为42ms。冷焊的焊接作用时间均为32ms。焊接过程中，对焊接区域采用惰性气体保护，惰性介质流量为7l/min。
80.对比例
81.对规格为60*60*1.5(mm)的6061铝合金和t2紫铜进行激光2焊接。
82.步骤s1，使用刚刷，与板材成45
°
，除去铝合金板和紫铜板表面的氧化皮。在超声波仪器中加入丙酮以清洗铝合金和紫铜表面的油污，然后进行干燥处理，并保持焊接样件表面的清洁干燥。
83.步骤s2，通过机械装置将铝合金板在焊接区域进行装配，装配方式为拼接，不留缝隙，通过焊接夹具将铝合金和紫铜板准确对接。
84.步骤s3，编制焊接运行轨迹，开始进行焊接。设置激光2焊接设备的参数为：焊接时间35ms，焊接脉间45ms。焊接电流160a，偏置铜量0.2mm。
85.实验例
86.采用万能材料试验机，对实施例1-5和对比例中所制得铝铜异种金属拼接板的抗压强度进行检测，每组重复3次，结果如表1所示。
87.表1实施例1-5和对比例中抗压强度的测试结果
[0088][0089][0090]
抗拉强度就是试样拉断前承受的最大标称拉应力。是金属由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。实验结果显示，实施例1-实施例5中所制得的铝铜异种金属拼接件接头处的抗拉强度均大于90mpa，满足行业
标准的相关要求。对比例制得的铝铜异种金属拼接件接头处的抗拉强度仅有45.3mpa。由表1可知，单独使用激光焊接，接头处的抗拉强度较小，不能达到行业标准的要求，且焊缝较大。单独使用激光焊接的情况下，所需的焊接电流较大，热输出高于复合焊接所需的热输出，影响焊接效果。
[0091]
综上所述，本技术实施例提出一种用于铝铜异种金属连接的复合焊接工艺，实现了铜铝异种金属间的连接，有效避免了电池模组之间连接时发生异种金属反应，有效提高电力的传输效率。
[0092]
本技术提出的一种用于铝铜异种金属连接的复合焊接工艺，其能够实现铝铜异种金属间高质量、高强度的连接，在较低的热输入下，获得了较大熔深，且抗拉强度高，接头处的导线性能好，可以达到行业标准(抗拉强度可达到90mpa，接头处的导电性能可达纯铜连接件的80％以上)。
[0093]
本技术提出的一种用于铝铜异种金属连接的复合焊接工艺，采用激光焊与冷焊结合的复合焊接工艺，热输入低，能有效减少金属间化合物的产生，保证拼接处的熔深和强度。
[0094]
以上所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。