Linear friction welding of Al–Cu: Part 1 – Process evaluation

Abstract

Aluminium–copper assemblies are used as power connectors in various industrial processes. Fusion welding of aluminium to copper faces two main challenges that are related to the high thermal conductivity of the materials and the aggressive reaction between the materials that forms brittle intermetallic phases at the interface. Though high energy density techniques such as electron beam welding can overcome the thermal conductivity issue, only solid state joining techniques can viably manufacture the aluminium–copper assemblies while minimising the formation of the intermetallic phases that are problematic for the electrical conductivity and efficiency of the connector. In this work, an alternative approach for manufacturing the aluminium–copper assemblies has been developed using linear friction welding, an emergent solid state joining technology. The influence of process conditions on the joint integrity and the characteristics of the interface were studied using optical microscopy and electrical conductivity measurements. Under optimum processing conditions, integral joints with limited intermetallic phases at the interface could be repeatedly produced. In comparison with aluminium–copper assemblies manufactured by explosive welding, the fraction and size of the intermetallic phases located at the interface, as well as the extent of the interfacial region over which changes in the properties occur, were determined to be considerably reduced when employing linear friction welding.

Des assemblages d’aluminium-cuivre sont utilisés comme connecteurs d’alimentation dans divers processus industriels. Le soudage par friction de l’aluminium au cuivre fait face à deux obstacles principaux qui sont reliés (1) à la conductivité thermique élevée des matériaux et (2) à la réaction agressive entre les matériaux, ce qui forme des phases intermétalliques fragiles à l’interface. Bien que des techniques à haute densité d’énergie, comme le soudage par faisceau d’électrons, puissent surmonter le problème de la conductivité thermique, seules les techniques d’assemblage par diffusion peuvent fabriquer de façon viable les assemblages d’aluminium-cuivre tout en minimisant la formation des phases intermétalliques qui sont problématiques pour la conductivité électrique et pour le rendement du connecteur. Dans ce travail, on a développé une approche de rechange pour la fabrication d’assemblages d’aluminium-cuivre en utilisant le soudage par friction linéaire (LFW), une technologie émergente d’assemblage par diffusion. On a étudié l’influence des conditions du processus sur l’intégrité de l’assemblage et sur les caractéristiques de l’interface en utilisant la microscopie optique et des mesures de conductivité électrique. Sous des conditions optimales de traitement, on pouvait produire à répétition des joints intégraux avec des phases intermétalliques limitées à l’interface. Par rapport aux assemblages d’aluminium-cuivre fabriqués par soudage par explosion (EW), on a déterminé que la fraction et la taille des phases intermétalliques situées à l’interface, ainsi que l’étendue de la région interfaciale où il se produit des changements de propriétés, étaient considérablement réduites lorsqu’on utilisait le LFW.