上海工程技术大学《JMPT》长篇综述：铝/钢异质材料激光连接技术！

近日，上海工程技术大学杨瑾副教授（第一作者兼共同通讯作者）团队及其合作者在材料领域国际知名期刊《Journal of Materials Processing Technology》上发表了题为“Laser techniques for dissimilar joining of aluminum alloys to steels: A critical review”长篇综述。葡萄牙新里斯本大学J. P. Oliveira副教授为该论文的共同通讯作者。

本文系统概述了铝/钢异种金属激光连接工艺，介绍了激光连接的数值模拟方法，详细讨论了焊接缺陷、接头形貌、金属间化合物和界面结合强度对接头机械性能的影响，并对该领域未来发展方向进行了展望分析。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117443

国家“双碳”目标下，减少碳排放、降低能源消耗等需求日益迫切，运载工具结构件的轻量化是实现上述需求的重要途径之一。出于安全及成本考虑，钢构件难以被完全取代，采用诸如铝合金等轻质合金部分替代钢是切实可行的技术途径。然而，铝合金和钢两者物理性能差异大、冶金相容性差，界面容易大面积生成脆硬金属间化合物（IMCs），导致铝/钢焊接头出现开裂和过早失效等问题。激光焊接技术作为一种灵活、可靠、高效的新型连接工艺，目前已广泛应用于汽车、高铁、船舶和军工等先进制造领域。因其焊接热输入低、能量集中可控，接头热影响区窄、焊后变形小、残余应力低，适合于铝/钢具有大差异性质材料的连接。值得一提的是，摩擦焊技术具有更低的焊接热输入，从接头机械性能角度考虑更优于激光焊，但后者加工柔性更优、空间可达更高、结构适应性更广。此外，激光焊接过程通过添加焊接材料，可以实现Fe-Al IMCs种类、形貌和分布较为精准的调控，将进一步拓宽激光焊接技术在诸如铝/钢等异种金属连接领域的适用范围，具有十分广阔的应用前景。前期文献调研发现，WOS检索系统中铝/钢异质连接的相关文献超过700篇；为此，亟需对以上文献进行分类梳理、总结归纳、全面分析以及展望评述。

围绕激光连接技术，本文从激光深熔焊、激光熔钎焊、激光复合焊三方面系统地梳理了铝/钢激光异种金属激光焊接方法，讨论分析了填充材料中合金元素对铝/钢异种材料界面反应产物和接头机械性能的影响，系统介绍了辅助能场（电弧、搅拌和辊压等）对铝/钢激光焊接头的影响规律，简要评述了基于增材制造的异质材料连接新工艺。文章还介绍了异种焊接的常用数值分析方法：宏观尺度上模拟温度场、流场和应力应变的等效热源法和熔池仿真法，介观尺度上模拟熔池微观组织的相场法、元胞自动机法和蒙特卡洛法；此外，还介绍了机器学习算法在性能预测方面的一些尝试。文章重点讨论了焊接缺陷、接头形貌、金属间化合物和界面结合强度对铝/钢连接接头机械性能的影响规律；最后，作者对铝/钢异种金属激光连接技术提出了展望评述。

图1 激光焊接的典型焊接模式：(a)热导焊模式；(b)匙孔深熔焊模式

图2 采用EBSD分析激光匙孔自熔焊铝/钢接头在不同激光光束偏移量下的断口：(a) 0.3 mm；(b) 0.5 mm；(c) 0.7 mm

图3 (a)铝/钢激光匙孔焊过程控制的设置示意图；(b)激光匙孔焊铝/钢接头的截面图（左，有过程控制；右，无过程控制）

图4 双束激光及其相对于槽中心的位置示意图

图5 传导模式激光点焊示意图

图6 通过激光在钢表面上加工的各类织构

图7 (a)激光熔钎焊焊缝示意图；(b)焊缝截面处的焊接缺陷；(c)界面微观组织

图8 使用纯铝焊丝、铝硅焊丝和锌铝焊丝的激光熔钎焊铝/钢接头：(a-c)截面图；(d-f)界面SEM图像

图9 激光在铝/钢激光电弧复合焊中的作用

图10 激光辅助搅拌摩擦焊示意图

图11 激光辅助搅拌摩擦焊钢/铝圆坯的深冲结果（注:β表示深冲设置中的拉伸比）

图12 激光辊压焊示意图

图13 铝/钢激光压辊焊中的行进速度与热输入的关系

图14 铝/钢异种材料激光熔敷焊示意图

图15 (a)在选择性激光熔化过程中形成的具有混沌状形貌的Fe-Al IMCs；(b)在单一材料和多材料选择性激光熔化过程中制备的试样的晶粒结构

图16 激光过程中的多尺度多物理场模拟

图17 各类热源模型的示意图：(a)圆柱形；(b)半球形；(c) 半椭球形；(d)圆锥形；(e)辐射传递法；(f)光线追踪法；(g)线性衰减法；(h)指数衰减法

图18 钩状IMCs的形成示意图

图19 熔池微观组织演化模拟(上)；焊缝区组织对比：(a)模拟结果，(b)实验结果(下)

图20 针对微观组织演化的不同建模方法示意图

图21 (a-c)分别为DPG、APG和ADG工艺接头的纵断面；(d-f)分别为DPG、APG和ADG工艺接头的横截面

图22 接头形貌（接头深度与宽度）和裂纹长度关于单位长度能量的函数关系

图23 在铝/钢异种接头中，接头力学性能与IMCs层厚度函数示意图

图24 线性能量密度与IMCs厚度关系

图25 不同载荷下Fe-Al IMC显微压痕图

图26 Fe₂Al_5-xZn_x/FeZn₁₀相间晶界的高分辨率TEM图像

图27 铝/钢激光连接技术的总结与展望

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。