鋁銅異種金屬激光焊接填充物選擇：類型、作用機(jī)制及選型

發(fā)布日期：2025-09-15 11:28 ????瀏覽量：

在高端制造場(chǎng)景中，鋁與銅的異種連接早已不是新鮮事——鋁輕且導(dǎo)電，銅穩(wěn)且導(dǎo)熱，二者互補(bǔ)堪稱"工業(yè)CP"。但這對(duì)"性格迥異"的金屬，卻因物理性能天差地別（鋁熔點(diǎn)660℃ vs 銅1083℃，熱膨脹系數(shù)差近50%）、冶金相容性差（易生成脆性Al?Cu、AlCu?金屬間化合物），讓激光焊接成了"燙手山芋"。傳統(tǒng)工藝試圖通過控制熱輸入、優(yōu)化焊接速度來調(diào)和，但始終無法根治鋁銅直接接觸引發(fā)的裂紋和高脆性相問題。而填充金屬成為鋁銅激光焊接的破局利器。

一、填充金屬的作用機(jī)制

鋁銅焊接的核心痛點(diǎn)，是熔池中鋁原子與銅原子"瘋狂混搭"后生成的脆性金屬間化合物（IMC）。這些IMC硬而脆，像混入混凝土的沙礫，會(huì)直接導(dǎo)致接頭延展性急劇下降而斷裂。研究表明，當(dāng)IMC層厚度超過10μm時(shí)，接頭強(qiáng)度會(huì)因硬脆特性而顯著降低。而填充金屬的引入，通過三大機(jī)制打破這一困局：

1、物理隔離+成分稀釋??

填充金屬熔入熔池后，會(huì)在鋁銅之間形成一層"隔離帶"，減少二者的直接接觸；同時(shí)通過成分稀釋效應(yīng)降低鋁銅原子反應(yīng)濃度，避免IMC過度生長(zhǎng)。

2、熱物理特性緩沖??

填充金屬的熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)介于鋁銅之間，相當(dāng)于給溫差大、膨脹率不同的鋁銅裝了個(gè)"緩沖墊"，緩解熱應(yīng)力集中，降低熱裂紋風(fēng)險(xiǎn)。

3、冶金反應(yīng)調(diào)控??

優(yōu)質(zhì)的填充金屬能與鋁、銅分別發(fā)生可控冶金反應(yīng)，生成新的韌性相（如Ag-Al、Ni-Cu金屬間化合物），替代原本的脆性IMC，相當(dāng)于給接頭"換了更結(jié)實(shí)的骨架"。

二、填充金屬怎么選？

市面上的填充金屬主要分兩類：純金屬與錫基合金。選哪種？得看具體需求——是要更高的力學(xué)性能，還是更優(yōu)的導(dǎo)電性？或是兼顧成本與工藝難度？

1、純金屬

純金屬填充物（如銀、鎳、錫）是鋁銅焊接的"經(jīng)典選擇"，勝在成分單一、性能可控，尤其適合對(duì)電性能要求高的場(chǎng)景（如導(dǎo)電端子）。

??銀（Ag）??：銀與鋁、銅的潤(rùn)濕性極佳（無需復(fù)雜預(yù)處理），熔入熔池后會(huì)均勻擴(kuò)散，將鋁銅比例嚴(yán)格限制在IMC不易生成的區(qū)間。更重要的是，銀與鋁形成的Ag-Al脆性相極少，與銅生成的Ag-Cu共晶組織則韌性十足，研究顯示，0.1mm厚銀中間層可使鋁銅接頭抗拉強(qiáng)度提升至80MPa以上。不過，銀的價(jià)格偏高，多用于高端電子器件。
??鎳（Ni）??：鎳的熔點(diǎn)（1455℃）雖高于鋁，但激光焊接的高溫足以讓其熔融，與鋁反應(yīng)生成NiAl?韌性相，與銅則形成Ni-Cu固溶體，雙重緩沖鋁銅差異。鎳的成本僅為銀的1/5~1/3，且表面易處理（無需鍍層），廣泛用于新能源汽車電池匯流排焊接。
??錫（Sn）??：錫熔點(diǎn)（232℃）遠(yuǎn)低于鋁銅，流動(dòng)性好，能快速填充鋁銅間隙。但純錫的局限性也明顯：與鋁的潤(rùn)濕性較差（鋁表面易形成致密氧化膜Al?O?），且錫基熔池易吸收氫氣，導(dǎo)致鋁側(cè)出現(xiàn)微孔隙（雖不影響整體強(qiáng)度，但需警惕）。因此，純錫多用于對(duì)成本敏感、接頭強(qiáng)度要求不高的場(chǎng)景（如普通電子連接片）。

2、錫基合金

如果純金屬不夠用怎么辦？錫基合金（如Sn-Ag-Ti、Sn-Cu-Ni）就是"加強(qiáng)版"答案。通過在錫中添加其他元素（如銀、鈦、銅），能針對(duì)性解決純錫的短板。

以Sn-Ag-Ti合金為例：鈦（Ti）的加入能優(yōu)先與鋁反應(yīng)生成TiAl?納米顆粒，破壞鋁表面氧化膜，大幅提升潤(rùn)濕性；銀（Ag）則與銅反應(yīng)生成Ag-Cu共晶，減少鋁銅直接接觸。實(shí)驗(yàn)證明，使用Sn-Ag-Ti合金焊接鋁銅，IMC層厚度可降低40%，接頭斷裂形貌從"沿IMC層脆斷"變?yōu)?quot;穿晶斷裂"（更抗裂）。錫基合金的熱導(dǎo)率較低（約50W/(m·K)），能吸收部分激光能量，相當(dāng)于給熔池裝了"溫控閥"，避免鋁因過熱產(chǎn)生熱裂紋。

不過，錫基合金也有小問題：

鈦元素活性高，若控制不當(dāng)可能與銅反應(yīng)生成TiCu?脆性相；
鋁表面氧化膜未完全去除時(shí)，仍可能出現(xiàn)局部未熔合。

目前主流解決方案是"預(yù)電鍍鎳+錫基合金"——先在鋁表面鍍一層鎳（隔絕氧化膜），再填充Sn-Ag-Ti合金，徹底杜絕脆性相生成，接頭強(qiáng)度可穩(wěn)定在母材的85%以上。實(shí)驗(yàn)表明，該方案使接頭剪切強(qiáng)度提升至120MPa，斷裂模式由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性。