Cu-Al接线端子结构优化与激光熔钎焊接工艺研发

发布时间：2020-04-09 18:44

【摘要】：新能源车用Cu-Al接线端子的生产工艺为:锻造棒料-盲孔加工-摩擦焊-车外圆,接头处溢料产生飞边、沟槽缺陷,工艺成本高、材料浪费严重,加工效率低。针对上述问题,论文对接线端子结构工艺进行优化,以管型材为原料,提出铜表面激光织构预处理工艺,开展铜铝激光熔钎搭接焊工艺研发,同时利用SYSWELD软件分析新工艺的可行性,以期提高端子的材料利用率和加工效率,为其在新能源汽车上的广泛应用提供有益的参考。主要研究内容如下:优化Cu-Al接线端子结构与加工工艺,分析其激光焊接工艺性。基于导线与端子的连接机制,推导出优化结构下母材管径和搭接长度计算公式,并建立“铜外/铝内”激光熔钎搭接焊端子模型。通过铜铝激光焊接工艺性分析,揭示新工艺的两个技术关键:1)焊接之前需在外表面进行预处理,以提高铜表面激光吸收率;2)铜铝界面脆硬化合物导致接头电阻率高,需要合理优化和调控激光焊接工艺。提出铜表面激光织构预处理工艺,探明织构表面红外激光吸收机制。基于皮秒激光织构技术在铜表面形成沿焊接方向的凹槽织构,研究工艺参数对微织构形貌及表面质量影响。研究表明:织构深度、织构后表面粗糙度以及表面氧化物的生成是影响激光吸收率的重要因素;经过“光自陷织构-表面喷溅颗粒物-表面CuO层”三步吸收过程,织构后的铜构件红外激光吸收率能提高近90%。开展铜铝激光熔钎搭接焊工艺研究,分析接头电力学性能及形成机制。基于工艺参数(焊接功率、焊接速度、离焦量)对铜铝激光熔钎搭接焊焊缝形貌、熔深及接头拉伸-剪切力的研究,对比分析Ag对铜铝接头抗拉强度、电阻率和微观组织的影响。研究表明:Ag层添加有利于改善焊缝成型和焊接质量,接头抗拉强度和电阻率均随Ag层厚度的增加先减小后增大;相比于铜铝直接激光熔钎搭接焊接头,20μm银箔添加后,熔池以枝晶α-Al为主,铜铝二元反应被阻断;界面区形成“啮齿状”Al-Al_2Cu-Ag_2Al三元共晶相,接头的抗拉强度提高了近1/3;界面层化合物分布均匀,熔池裂纹较少,有利于电子传输,降低电阻率;断裂发生于熔化区与铝侧界面,为准解理断裂。基于SYSWELD进行Cu-Al接线端子激光熔钎搭接焊温度场和应力场模拟分析。加载实际工艺参数校核的三维锥体热源,形成与实验结果一致、宽1mm/深1.52mm的熔池形貌。模拟结果显示:环形焊缝起始单元经历二次焊接,温度-时间历程曲线存在两个峰值,焊缝上各点能量吸收率随时间增加而增大;端子残余应力以拉应力为主,焊缝处应力最大值达到667.55MPa;焊接完成时,焊缝位置整体变形量达到0.59mm,残余拉应力使得冷却后的变形量减小到0.3mm左右,验证了Cu-Al接线端子激光熔钎搭接焊的工艺可行性。
【图文】：

当前Cu-A1接线端子制造工艺流程

过程图,焊缝成型,套管,过程

的热力耦合过程，形成的接头无热影响区、软化区、化合物脆硬层，对母材组结构和理化性能破坏性影响和焊接损伤最小，具有较高的可靠性。2）对于液不相溶或者冶金相溶性较差的异种金属、金属与非金属之间的连接具有独特的势。冷压焊在铜铝异种金属焊接方面一个重要的应用就是铜铝导线的焊接。影铜铝导线冷压焊接的主要因素有焊接压力、冷压焊压缩量（接头塑性变形程度和焊前表面质量（导线绝缘材料的清理）[4-5]。温立民, 刘燕等人[6]在焊接压2100 MPa、总压缩量 19 mm、顶锻 4-5 次工艺参数下，利用 LHJ3 型冷压焊机接 2．65mm 铝线和铜线，达到了抗拉强度高于母材铝、弯曲性能良好、导电能介于铜和铝之间的致密焊接接头，但是焊缝处因 Cu 和 Al 的扩散作用形成脆性金属间化合物层厚度随温度升高而增加，使得接头韧性降低变脆，抗拉强下降，限制了这类接头在高温服役工况下的使用。Kaan Ozel 等人[7]采用冷压进行 2.75mm 的铜铝薄板的搭接焊，在表面粗糙度 Ra=5μm 、60%变形率的件下可以获得拉伸性能和抗疲劳最佳的连接头，，断裂均发生于铜铝连接界面处尽管可以通过冷压焊获得性能较好的铜铝接头，但是微裂纹、夹杂物或未完全结表面这些缺陷的存在使得接头无法承受较高的动静态载荷。
【学位授予单位】：温州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U466

【参考文献】