Research on laser welding formability and microstructure property of copper in stepwise gas medium
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摘要: 针对紫铜高反射率给激光焊接带来的困难及不利影响，提出了一种分步气体介质下低功率薄板紫铜激光焊接方法，即对紫铜表面在氧气介质下进行黑化处理，在待焊件表面形成氧化膜，改变材料表面的粗糙度，促使激光能量多次被重复吸收，提高紫铜对激光的吸收率. 对不同氧气流量下的最终焊缝成形、宏观形貌、熔深和熔宽及力学性能进行对比分析，并探究其作用机理. 结果表明，当氧气流量Q ≤ 8 L/min时，随着氧气流量的增大，熔深和熔宽随之增大，当氧气流量为8 L/min时，紫铜板完全被焊透，且焊缝成形良好；黑化层的主要成分为氧化铜，焊缝区的黑化层总体厚度为470 μm，黑化程度从焊缝区沿着母材方向逐渐减弱；焊缝区和热影响区的显微组织由无方向性的α固溶体组成，焊缝中心两侧组织为垂直于熔合线方向生长的柱状晶；焊缝中心硬度较常规焊有显著提高且抗拉强度良好，证明了采用分步气体保护法可以有效的提高紫铜对激光能量的吸收，且分布气体介质条件下不会导致紫铜激光焊接接头力学性能下降.Abstract: In view of the difficulties and adverse effects of high reflectivity of copper on laser welding, a copper laser welding method based on stepwise gas medium is proposed. The surface of copper was blackened, the oxide film was formed on the surface of the welded parts, the roughness of the material surface was changed, the laser energy was repeatedly absorbed, and the absorption rate of the laser welding of copper was improved. The final weld formation, macro-morphology, depth of fusion, weld width and mechanical property under different oxygen flow rates were compared, and the mechanism of the method was explored. The results show that when Q ≤ 8 L/min, the penetration and width increase with the increase of oxygen flow rate. When Q = 8 L/min, the copper sheet is fully welded and weld is well formed. The main component of the blackened layer is copper oxide, the overall thickness of the blackened layer in the weld zone is 470 μm, and the blackening degree gradually decreases along direction of the base metal from the weld center. The microstructure of the weld and the heat-affected zone is composed of non-directional α solid solution, and the sides of the weld center are columnar crystals grown along the horizontal direction. Compared with conventional welding, the hardness of weld center is significantly improved and the tensile strength is well, which proves that the stepwise gas protection method can effectively improve the absorption of laser energy of copper and will not cause the mechanical properties of copper laser welded joints to decline under the condition of stepwise gas medium.
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Keywords:
- copper /
- oxygen flow /
- blackening /
- penetration /
- mechanical property
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0. 序言
紫铜具有优良的导电性、导热性和延展性，成为许多领域中重要部件的优选材料，在散热器、冷却器和炉板等焊接结构件中得到了广泛的应用[1-2]. 但是紫铜对激光反射率极高，对常见的红外激光可达95%[3]，同时紫铜具有高导热性，致使激光热源输入到紫铜表面的热量流失较快. 因此紫铜难以聚集激光能量熔化，无法形成熔池[4-6]，即使是1 mm的薄板紫铜，低功率激光器也难以对其进行焊接. 这些因素增加了紫铜激光焊接的难度，在很大程度上限制了其在高新技术及民用领域的应用，成为该材料进一步应用的阻碍.
目前，关于紫铜对激光吸收率的研究，国内外主要通过大功率法、添加辅助材料法和双波长激光等方法提高紫铜对激光的吸收率[7-8]. Brookmann等人[9]将三台YAG大功率激光器合并进行紫铜的激光焊接，使得紫铜熔深增加，但紫铜熔化后，液态下的紫铜对于激光的吸收率大大提高，大功率激光器施加的能量会导致液态紫铜过热，因此会导致焊缝表面成形差，存在飞溅、焊接气孔等缺陷. 董鹏等人[10]将黄铜和紫铜搭接，实现了较低功率下的紫铜激光焊接，但是由于紫铜与黄铜物理性质存在差异，该方法应用性受到限制. Eva-Maria等人[11]将小功率绿色光斑和大功率红外激光光斑叠加，发现红外激光照射在已经形成的熔池上面，吸收率大为提高，提高焊接的可重复性，但这种方法需要两种型号的激光发生器，使得使用成本大为提高,不适用于一般工业应用. 上述方法均集中在大功率或多设备进行紫铜激光焊接，并没有采取措施有效实现低功率下激光焊接薄板紫铜.
针对薄板紫铜激光焊接吸收率过低、成形较差的难题，提出了分步气体介质下低功率激光焊接薄板紫铜的新方法，将氧气-氩气分布应用于薄板紫铜激光焊接中，先对紫铜表面在氧气介质下进行黑化处理，再在氩气介质保护下进行激光焊接. 研究了紫铜在不同氧气流量下焊缝成形、组织、性能及其作用机理，为低功率下实现紫铜的激光焊接提供一条新思路，对工程应用具有重要意义.
1. 分布气体介质原理
针对紫铜高反射率给激光焊接带来的困难及不利影响，提出了分步气体介质下低功率激光焊接薄板紫铜的新方法，即采用氧气-氩气分布应用于激光焊接，先在氧气介质下对紫铜进行黑化处理，再在氩气介质保护下进行激光焊接，一方面在紫铜表面生成氧化膜，另一方面可以在紫铜表面形成不规则的凹坑，从而增加紫铜表面的粗糙度，当激光打在凹坑不平的金属材料表面，可促使激光能量重复吸收，从而提高吸收率. 该方法使用单台激光器完成焊接紫铜的工艺过程，不仅节省了大量成本，还可以使得单台激光器得到充分利用，发挥了该方法焊接紫铜的优势. 紫铜在分步气体介质下的激光焊接原理如图1所示.
基于分步气体介质下的紫铜激光焊接模型如图2所示. 焊前对紫铜薄板进行清洗，去除紫铜表面存留的油污和杂质，将薄板紫铜装夹在焊接夹具中，气体接口接氧气，在氧气介质下对薄板紫铜进行激光焊接，使其表面生成黑化层，即对其完成了黑化处理过程，待激光器回归焊接起始点后，气体接口接氩气，在氩气介质保护下进行激光焊接，待焊接结束，关闭气体接口及激光焊机.
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图 2 分步气体介质下紫铜激光焊接模型Figure 2. Laser welding model of copper in step gas medium. (a) blackening process; (b) welding after blackening process2. 试验材料及方法
试验选用T2紫铜，化学成分如表1所示，试样尺寸为110 mm × 25 mm × 1 mm. 激光焊接试验设备为脉冲Nd:YAG 激光器，在紫铜常规激光焊条件下为了防止焊缝表面出现氧化，采用氩气为保护气，在分步气体介质下，氧气流量分别为4，8，12，16，20 L/min，氩气流量为20 L/min. 紫铜在三种不同焊接条件下的焊接工艺参数如表2所示. 分别采用体式显微镜、金相显微镜对常规焊和分步气体介质下的焊缝表面及横截面进行观察、测量熔深和熔宽，采用能谱仪分析紫铜经黑化处理后的黑化层的成分及厚度，采用硬度仪、电子拉伸机测量接头硬度、拉伸性能.
表 1 紫铜的化学元素组成(质量分数，%)Table 1. Chemical composition of copperCu Fe Ni Pb Zn Sn 其它 > 99.9 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 余量 表 2 激光焊接工艺参数Table 2. Laser welding parameters焊接条件 激光功率P/kW 焊接速度v /(mm·s−1) 氧气流量Q1/(L·min−1) 氩气流量Q2 /(L·min−1) 常规焊 9 2 − 20 黑化处理 4.4 2 4/8/12/16/20 − 分布气体介质 7.5 0.67 − 20 3. 试验结果与分析
3.1 焊缝成形
3.1.1 常规焊和分步气体介质下的焊缝成形
紫铜常规激光焊和分步气体介质下的焊缝宏观形貌如图3所示. 紫铜进行常规激光焊时，当激光功率达到9 kW时，仅能在紫铜表面形成部分焊缝，焊道不均匀，熔深仅为71.08 μm，且焊道存在孔洞、飞溅等焊接缺陷. 这主要是由于紫铜对激光的反射率过高，导致激光能量大部分被反射掉，能量无法聚集在材料表面，形成熔池，从而难以焊接成功. 而在分步气体介质下，焊缝表面呈现规则的鱼鳞纹，经过黑化处理之后，激光功率仅为7.5 kW便足以将紫铜板焊接成功，且无飞溅、不熔合等焊接缺陷. 在氧气介质下对紫铜表面进行黑化处理生成氧化物，提高了紫铜对激光能量的吸收，同时，在其表面形成不规则的凹坑，促使激光能量在凹坑内多次反射，激光能量被多次重复吸收，将激光产生的大量热量传到紫铜母材，使得紫铜在极短的时间内受热熔化，直到将紫铜薄板焊透. 初步证明采用分步气体控制法可以在低功率下有效的提高紫铜对激光的吸收率.
3.1.2 不同氧气流量下焊缝成形
焊缝成形主要与激光功率、频率、焊接速度、离焦量、氧气流量等焊接参数相关，而文中是通过氧气对焊缝进行黑化处理，形成黑化层之后，在氩气介质下进行激光焊接，形成最终焊缝，因此需要在不同氧气流量下的进行多组对比试验. 表3对比了不同氧气流量下的最终焊缝宏观形貌，当氧气流量为4 L/min时，焊缝表面呈现规则的鱼鳞纹，整洁美观，并无明显的缺陷，但是焊缝背面只有部分焊透. 随着氧气流量的增大，焊缝表面的鱼鳞纹开始消失，焊缝表面开始逐渐发黑，氧化带宽度随之增大. 当氧气流量为8 L/min时，紫铜板已经被完全焊透. 随着氧气流量的继续增大，焊缝的正反面凹凸不平，且焊缝表面和背面都存在着较多的飞溅物. 当氧气流量增大到12 L/min后，焊缝表面由于热输入过大造成焊接过程不稳定，使得焊道极其不均匀，焊缝背面成形也凹凸不平. 这是由于随着氧气流量的增大，焊缝表面的氧化物含量也随之增加，使得焊缝表面对激光吸收率大大提高，这就导致激光焊接过程中焊缝热输入的集中和熔化紫铜的增加，从而焊缝表面及背面飞溅增多，且焊后焊道极其不均匀.
表 3 不同氧气流量下的最终焊缝宏观形貌Table 3. Macroscopic morphology of the final weld at different oxygen flows氧气流量 焊缝表面 焊缝背面 4 L/min 
8 L/min 
12 L/min 
16 L/min 
20 L/min 
3.2 分布气体介质下焊缝熔深和熔宽
在其它焊接工艺参数相同，不同氧气流量下获得的分步气体介质下的焊接接头如图4所示，不同氧气流量下焊缝的熔深和熔宽大小如图5所示. 可以看到随着氧气流量的增大，焊缝的熔宽也随之增加. 当氧气流量达到8 L/min时，紫铜板刚好被焊透，熔深为1 000 μm，熔宽为943.74 μm，熔深和熔宽分别相比于常规焊提高了92.8%和61.8%. 继续添加氧气流量，熔深保持不变，而熔宽呈上升趋势. 经过氧气介质下激光焊接对其进行黑化处理之后，紫铜对激光的吸收率以及作用于材料上的激光能量密度均有显著提高，熔化的金属液体流动性增强，而良好的流动性有利于增大焊接时的对流、热交换效率及冶金反应，将热量带入焊缝的底部，从而增大熔深. 对于焊透之后，焊缝熔宽继续增大，这是因为增大氧气流量会增加黑化层的宽度，在激光的作用下，输入到焊件表面的热量增加，引起熔池中心表面的张力变小，熔化的液体向两侧的流动力增大，从而造成熔宽增大. 此时，焊缝出现下榻，主要是因为熔宽增大，从而金属的熔化量增加，在重力的作用下，引起焊缝塌陷. 此外，在一定范围内，增大氧气流量会加剧焊接气孔生成倾向. 一方面是由于在激光束的作用下引起熔池内液态紫铜震荡，小孔状态不稳定而导致气孔的产生；另一方面紫铜在高温的时候和氧气发生化学反应，产生铜氧化物，该铜氧化物和熔池中的氢或一氧化碳结合，形成不溶于铜的水蒸气和二氧化碳，再加之紫铜具有极高的热导率，液态紫铜冷却凝固结晶的速率较快，依然有部分气体存留在紫铜中未逸出熔池，从而产生气孔.
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图 4 不同氧气流量下焊缝横截面形貌Figure 4. Cross section morphology of welds under different oxygen flow rates. (a) Q1 = 4 L/min; (b) Q1 = 8 L/min; (c) Q1 = 12 L/min; (d) Q1 = 16 L/min; (e) Q1 = 20 L/min3.3 黑化层及接头微观组织分析
3.3.1 黑化层分析
为了验证模型的正确性，如图6所示，截取黑化处理后的焊缝做能谱分析. 结合图7及表4可知，在热影响区，氧和铜的原子分数比值为1∶1，可知在焊缝区域的黑化层的成分为氧化铜；焊缝区的氧原子分数显然高于母材和热影响区，并沿着母材的方向逐渐减少，说明氧化程度减弱；这主要是由于激光能量主要集中在焊缝中心，激光能量最高，导致焊缝中心的黑化现象最为严重，因而氧所占的比例最高；热影响区尚未收到激光束中心的直接加热作用，因而黑化作用不明显. 此外，在紫铜母材上存在一定的氧含量，这与紫铜暴露在空气中发生氧化反应以及自身存在一定的氧有关.
表 4 黑化层成分分析结果Table 4. Results of composition in blackening layer位置 质量分数w(%) 原子分数a(%) O Cu O Cu 焊缝区 32.39 68.61 64.5 35.5 热影响区 16.84 83.16 44.58 55.42 母材 0.42 99.58 1.64 98.36 图8为线扫描结果，由图8a可以看出，在焊缝表面，焊缝区的氧元素相比于周围氧含量略有提高，这主要是由于在氧气介质下对其表面进行黑化，因而焊缝区的氧含量较大；焊缝横截面的氧元素含量比焊缝表面波动剧烈，这与焊缝表面暴露在空气中有关，空气中亦存在一定的氧，因而焊缝区及其附近区域的氧含量差距较小；而对于焊缝横截面，在焊缝内部与空气隔绝，除了自身存在部分的氧含量，其余的均为氧气介质作用下产生. 从图9不难看出，黑化层的氧含量分布在不同区域存在一定的差异，在横截面的焊缝区靠近上表面区域为富氧区，在平行于厚度方向的氧含量开始骤降，其中焊缝区黑化层总体厚度为470 μm，富氧区厚度仅为30 μm，而随着距离的增大，氧含量递减，直至母材区域；结合表5可知，从焊缝区直至母材，黑化层的厚度逐渐减小.
表 5 焊缝横截面氧化膜厚度(μm)Table 5. Weld seam cross section oxide film thickness焊缝区 热影响区 母材 470 190 5 ![]()
图 9 氧含量变化曲线图Figure 9. Curve of oxygen content. (a) surface of weld; (b) cross profile of weld3.3.2 接头微观组织分析
在分步气体介质下的焊接接头的金相显微组织如图10所示. 可以看出焊缝区和热影响区的显微组织由无方向性的α固溶体组成，说明了在分步气体介质作用下的显微组织和母材相比基本上没有发生变化. 紫铜焊缝中心两侧的区域由垂直于熔合线的柱状晶所构成，这是因为在进行焊接的过程中，焊接的温度远高于紫铜的熔点，熔池中液态紫铜容易过热，熔合区的晶粒垂直于熔合线，并沿该方向开始凝固结晶，结晶晶粒呈柱状且晶粒快速长大，因而在焊缝两侧的区域形成了柱状晶.
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图 10 接头显微组织(Q1 = 8 L/min)Figure 10. Microstructure of welded joint (Q1 = 8 L/min). (a) welded joint; (b) weld; (c) HAZ; (d) base metal3.4 分布气体介质下接头力学性能分析
3.4.1 硬度分析
不同条件下紫铜激光焊接接头硬度分布如图11所示. 可以发现,常规焊和分布气体介质条件下硬度分布有明显区别. 常规焊条件下，焊缝中心硬度明显低于焊缝两侧，从焊缝中心到热影响区及母材，沿着母材方向上接头硬度逐渐增大，而分布气体介质下焊缝中心及热影响区硬度则高于接头两侧，且焊缝中心处硬度显著高于常规焊. 这是由于紫铜属于加工硬化合金，轧制过程中使得紫铜组织中存在着大量的纠缠位错及晶界位错，而常规焊条件紫铜组织未经过任何动态处理，在激光束的作用下热影响区受热发生再结晶回复，位错数量大大减少，导致焊缝区及热影响区软化，但紫铜母材组织内部仍存在大量的位错，因此焊缝及热影响区硬度低于母材. 而分布气体介质条件下经过氧气及激光热源对紫铜激光焊接接头进行动态处理，接头处存留有大量铜的氧化物，沉积在接头处并分布在晶界上，增加了紫铜焊接接头的硬度. 因此分布气体介质条件下紫铜激光焊接接头焊缝中心硬度高于常规焊且较常规焊提高了67 HV.
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图 11 不同条件下紫铜激光焊接接头硬度分布Figure 11. Hardness distribution of laser welded joint of copper under different conditions3.4.2 拉伸性能分析
对分布气体介质下的紫铜焊接接头进行拉伸测试，断后试样如图12所示.
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图 12 分布气体介质下紫铜激光焊接接头断后试样Figure 12. Specimen after fracture of laser welded joint of copper in distributed gas medium由图12可以发现，紫铜在分步气体介质下的断裂发生在焊缝处，这说明紫铜焊缝区的抗拉强度要低于母材. 图13为分布气体介质下紫铜激光焊接接头应力，应变曲线，观察图13可以发现，在接头受拉时，无明显屈服阶段，曲线持续上升直至断裂，这是由于紫铜属于加工硬化合金，在塑性变形过程中紫铜金属不断地发生加工硬化现象，而变形在持续进行，这就使得应力必须持续增大. 表6为各试样拉伸试验结果. 结合表6可知，紫铜母材的抗拉强度为383.31 MPa，而紫铜在分步气体介质下其接头的抗拉强度平均为350.03 MPa，接头强度达到母材的91.32%，此时氧气流量为8 L/min，而常规焊条件下紫铜激光焊接接头的抗拉强度为299.59 MPa，仅为母材的78.16%，说明采用分布气体介质条件下可以获得与紫铜母材强度相当的优质接头. 因此，在氧气介质下对紫铜激光焊接接头进行动态处理并不会造成最终紫铜激光焊接接头学力学性能下降，反而提高了其力学性能.
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图 13 分布气体介质下紫铜激光焊接接头应力应变曲线Figure 13. Stress-strain curve of copper laser welded joint in stepwise gas medium表 6 各试样拉伸试验结果Table 6. Tensile test results of each specimen拉伸试样 氧气流量
Q1/(L·min−1)应力
σ/MPa紫铜母材 − 383.31 常规条件紫铜激光
焊接接头试样− 299.59 分步气体介质紫铜激光
焊接接头试样18 356.58 分步气体介质紫铜激光
焊接接头试样28 349.7 分步气体介质紫铜激光
焊接接头试样38 343.8 4. 结论
(1)采用分步气体控制法可以有效的提高紫铜对激光的吸收率，当氧气流量达到8 L/min时，紫铜板刚好被焊透，焊缝整洁美观，无焊接缺陷.
(2)其它焊接工艺参数相同时，氧气流量与焊缝熔深和熔宽几乎呈线性关系，在氧气流量较小时，氧气流量对焊缝熔深熔宽的作用显著，当氧气流量达到8 L/min之后，焊缝熔深不再改变，而熔宽持续增大.
(3)黑化层的主要成分为氧化铜，焊缝区的黑化程度明显高于热影响区和母材，并沿着母材方向，氧化程度逐渐减弱；从焊缝区直至母材，黑化层的厚度逐渐减小.
(4)焊缝区和热影响区的组织均由无方向性的α固溶体组成，焊缝中心两侧区域的组织为垂直于熔合线方向生长的柱状晶.
(5)基于分步气体介质下的紫铜焊接接头硬度较常规焊有着明显提高，焊缝中心硬度提高了67 HV. 紫铜焊缝区的抗拉强度为350.03 MPa，达到了紫铜母材的91.32%. 表明在氧气介质下对紫铜进行动态处理并不会造成紫铜最终焊接接头力学性能下降，反而提高了其力学性能.
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图 2 分步气体介质下紫铜激光焊接模型
Figure 2. Laser welding model of copper in step gas medium. (a) blackening process; (b) welding after blackening process
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图 4 不同氧气流量下焊缝横截面形貌
Figure 4. Cross section morphology of welds under different oxygen flow rates. (a) Q1 = 4 L/min; (b) Q1 = 8 L/min; (c) Q1 = 12 L/min; (d) Q1 = 16 L/min; (e) Q1 = 20 L/min
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图 9 氧含量变化曲线图
Figure 9. Curve of oxygen content. (a) surface of weld; (b) cross profile of weld
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图 10 接头显微组织(Q1 = 8 L/min)
Figure 10. Microstructure of welded joint (Q1 = 8 L/min). (a) welded joint; (b) weld; (c) HAZ; (d) base metal
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图 11 不同条件下紫铜激光焊接接头硬度分布
Figure 11. Hardness distribution of laser welded joint of copper under different conditions
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图 12 分布气体介质下紫铜激光焊接接头断后试样
Figure 12. Specimen after fracture of laser welded joint of copper in distributed gas medium
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图 13 分布气体介质下紫铜激光焊接接头应力应变曲线
Figure 13. Stress-strain curve of copper laser welded joint in stepwise gas medium
表 1 紫铜的化学元素组成(质量分数，%)
Table 1 Chemical composition of copper
Cu Fe Ni Pb Zn Sn 其它 > 99.9 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 余量 
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表 2 激光焊接工艺参数
Table 2 Laser welding parameters
焊接条件 激光功率P/kW 焊接速度v /(mm·s−1) 氧气流量Q1/(L·min−1) 氩气流量Q2 /(L·min−1) 常规焊 9 2 − 20 黑化处理 4.4 2 4/8/12/16/20 − 分布气体介质 7.5 0.67 − 20
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表 3 不同氧气流量下的最终焊缝宏观形貌
Table 3 Macroscopic morphology of the final weld at different oxygen flows
氧气流量 焊缝表面 焊缝背面 4 L/min 8 L/min 12 L/min 16 L/min 20 L/min
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表 4 黑化层成分分析结果
Table 4 Results of composition in blackening layer
位置 质量分数w(%) 原子分数a(%) O Cu O Cu 焊缝区 32.39 68.61 64.5 35.5 热影响区 16.84 83.16 44.58 55.42 母材 0.42 99.58 1.64 98.36
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表 6 各试样拉伸试验结果
Table 6 Tensile test results of each specimen
拉伸试样 氧气流量
Q1/(L·min−1)应力
σ/MPa紫铜母材 − 383.31 常规条件紫铜激光
焊接接头试样− 299.59 分步气体介质紫铜激光
焊接接头试样18 356.58 分步气体介质紫铜激光
焊接接头试样28 349.7 分步气体介质紫铜激光
焊接接头试样38 343.8
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百度学术
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3. 曹国麟，耿韶宁，蒋平，舒乐时，马涛，周溢飞. 扁线电机紫铜端子激光焊接模拟与工艺优化. 焊接学报. 2025(04): 41-51 . 本站查看
4. 周广涛，邝景臻，温秋玲，蔡祖鹏，苏礼季. 纳秒激光直写表面辅助下紫铜的激光焊成形及接头组织和性能. 焊接学报. 2023(04): 21-29+130-131 . 本站查看
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