近日，上海工程技術大學楊瑾副教授（第一作者兼共同通訊作者）團隊及其合作者在材料領域國際知名期刊《Journal of Materials Processing Technology》上發表了題為(wei) “Laser techniques for dissimilar joining of aluminum alloys to steels: A critical review”長篇綜述。葡萄牙新裏斯本大學J. P. Oliveira副教授為(wei) 該論文的共同通訊作者。

本文係統概述了鋁/鋼異種金屬激光連接工藝，介紹了激光連接的數值模擬方法，詳細討論了焊接缺陷、接頭形貌、金屬間化合物和界麵結合強度對接頭機械性能的影響，並對該領域未來發展方向進行了展望分析。

論文鏈接：

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

國家“雙碳”目標下，減少碳排放、降低能源消耗等需求日益迫切，運載工具結構件的輕量化是實現上述需求的重要途徑之一。出於(yu) 安全及成本考慮，鋼構件難以被完全取代，采用諸如鋁合金等輕質合金部分替代鋼是切實可行的技術途徑。然而，鋁合金和鋼兩(liang) 者物理性能差異大、冶金相容性差，界麵容易大麵積生成脆硬金屬間化合物（IMCs），導致鋁/鋼焊接頭出現開裂和過早失效等問題。激光焊接技術作為(wei) 一種靈活、可靠、高效的新型連接工藝，目前已廣泛應用於(yu) 汽車、高鐵、船舶和軍(jun) 工等先進製造領域。因其焊接熱輸入低、能量集中可控，接頭熱影響區窄、焊後變形小、殘餘(yu) 應力低，適合於(yu) 鋁/鋼具有大差異性質材料的連接。值得一提的是，摩擦焊技術具有更低的焊接熱輸入，從(cong) 接頭機械性能角度考慮更優(you) 於(yu) 激光焊，但後者加工柔性更優(you) 、空間可達更高、結構適應性更廣。此外，激光焊接過程通過添加焊接材料，可以實現Fe-Al IMCs種類、形貌和分布較為(wei) 精準的調控，將進一步拓寬激光焊接技術在諸如鋁/鋼等異種金屬連接領域的適用範圍，具有十分廣闊的應用前景。前期文獻調研發現，WOS檢索係統中鋁/鋼異質連接的相關(guan) 文獻超過700篇；為(wei) 此，亟需對以上文獻進行分類梳理、總結歸納、全麵分析以及展望評述。

圍繞激光連接技術，本文從(cong) 激光深熔焊、激光熔釺焊、激光複合焊三方麵係統地梳理了鋁/鋼激光異種金屬激光焊接方法，討論分析了填充材料中合金元素對鋁/鋼異種材料界麵反應產(chan) 物和接頭機械性能的影響，係統介紹了輔助能場（電弧、攪拌和輥壓等）對鋁/鋼激光焊接頭的影響規律，簡要評述了基於(yu) 增材製造的異質材料連接新工藝。文章還介紹了異種焊接的常用數值分析方法：宏觀尺度上模擬溫度場、流場和應力應變的等效熱源法和熔池仿真法，介觀尺度上模擬熔池微觀組織的相場法、元胞自動機法和蒙特卡洛法；此外，還介紹了機器學習(xi) 算法在性能預測方麵的一些嚐試。文章重點討論了焊接缺陷、接頭形貌、金屬間化合物和界麵結合強度對鋁/鋼連接接頭機械性能的影響規律；最後，作者對鋁/鋼異種金屬激光連接技術提出了展望評述。

圖1 激光焊接的典型焊接模式：(a)熱導焊模式；(b)匙孔深熔焊模式

圖2 采用EBSD分析激光匙孔自熔焊鋁/鋼接頭在不同激光光束偏移量下的斷口：(a) 0.3 mm；(b) 0.5 mm；(c) 0.7 mm

圖3 (a)鋁/鋼激光匙孔焊過程控製的設置示意圖；(b)激光匙孔焊鋁/鋼接頭的截麵圖（左，有過程控製；右，無過程控製）

圖4 雙束激光及其相對於(yu) 槽中心的位置示意圖

圖5 傳(chuan) 導模式激光點焊示意圖

圖6 通過激光在鋼表麵上加工的各類織構

圖7 (a)激光熔釺焊焊縫示意圖；(b)焊縫截麵處的焊接缺陷；(c)界麵微觀組織

圖8 使用純鋁焊絲(si) 、鋁矽焊絲(si) 和鋅鋁焊絲(si) 的激光熔釺焊鋁/鋼接頭：(a-c)截麵圖；(d-f)界麵SEM圖像

圖9 激光在鋁/鋼激光電弧複合焊中的作用

圖10 激光輔助攪拌摩擦焊示意圖

圖11 激光輔助攪拌摩擦焊鋼/鋁圓坯的深衝(chong) 結果（注:β表示深衝(chong) 設置中的拉伸比）

圖12 激光輥壓焊示意圖

圖13 鋁/鋼激光壓輥焊中的行進速度與(yu) 熱輸入的關(guan) 係

圖14 鋁/鋼異種材料激光熔敷焊示意圖

圖15 (a)在選擇性激光熔化過程中形成的具有混沌狀形貌的Fe-Al IMCs；(b)在單一材料和多材料選擇性激光熔化過程中製備的試樣的晶粒結構

圖16 激光過程中的多尺度多物理場模擬

圖17 各類熱源模型的示意圖：(a)圓柱形；(b)半球形；(c) 半橢球形；(d)圓錐形；(e)輻射傳(chuan) 遞法；(f)光線追蹤法；(g)線性衰減法；(h)指數衰減法

圖18 鉤狀IMCs的形成示意圖

圖19 熔池微觀組織演化模擬(上)；焊縫區組織對比：(a)模擬結果，(b)實驗結果(下)

圖20 針對微觀組織演化的不同建模方法示意圖

圖21 (a-c)分別為(wei) DPG、APG和ADG工藝接頭的縱斷麵；(d-f)分別為(wei) DPG、APG和ADG工藝接頭的橫截麵

圖22 接頭形貌（接頭深度與(yu) 寬度）和裂紋長度關(guan) 於(yu) 單位長度能量的函數關(guan) 係

圖23 在鋁/鋼異種接頭中，接頭力學性能與(yu) IMCs層厚度函數示意圖

圖24 線性能量密度與(yu) IMCs厚度關(guan) 係

圖25 不同載荷下Fe-Al IMC顯微壓痕圖

圖26 Fe2Al5-xZnx/FeZn10相間晶界的高分辨率TEM圖像

圖27 鋁/鋼激光連接技術的總結與(yu) 展望