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“Laser techniques for dissimilar joining of aluminum alloys to steels: A critical review”長篇綜述。葡萄牙新里斯本大學J. P. Oliveira副教授為該論文的共同通訊作者。
本文系統概述了鋁/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、金屬間化合物和界面結合強度對接頭機械性能的影響，并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。出于安全及成本考慮，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，鋁合金和鋼兩者物理性能差異大、冶金相容性差，界面容易大面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。激光焊接技術作為一種靈活、可靠、高效的新型連接工藝，目前已廣泛應用于汽車、高鐵、船舶和軍工等先進制造領域。因其焊接熱輸入低、能量集中可控，接頭熱影響區窄、焊后變形小、殘余應力低，適合于鋁/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，從接頭機械性能角度考慮更優于激光焊，但后者加工柔性更優、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范圍，具有十分廣闊的應用前景。前期文獻調研發現，WOS檢索系統中鋁/鋼異質連接的相關文獻超過700篇；為此，亟需對以上文獻進行分類梳理、總結歸納、全面分析以及展望評述。
圍繞激光連接技術，本文從激光深熔焊、激光熔釬焊、激光復合焊三方面系統地梳理了鋁/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/鋼異種材料界面反應產物和接頭機械性能的影響，系統介紹了輔助能場（電弧、攪拌和輥壓等）對鋁/鋼激光焊接頭的影響規律，簡要評述了基于增材制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，還介紹了機器學習算法在性能預測方面的一些嘗試。文章重點討論了焊接缺陷、接頭形貌、金屬間化合物和界面結合強度對鋁/鋼連接接頭機械性能的影響規律；最后，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制的設置示意圖；(b)激光匙孔焊鋁/鋼接頭的截面圖（左，有過程控制；右，無過程控制）
圖4 雙束激光及其相對于槽中心的位置示意圖
圖5 傳導模式激光點焊示意圖
圖6 通過激光在鋼表面上加工的各類織構
圖7 (a)激光熔釬焊焊縫示意圖；(b)焊縫截面處的焊接缺陷；(c)界面微觀組織
圖8 使用純鋁焊絲、鋁硅焊絲和鋅鋁焊絲的激光熔釬焊鋁/鋼接頭：(a-c)截面圖；(d-f)界面SEM圖像
圖9 激光在鋁/鋼激光電弧復合焊中的作用
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/鋁圓坯的深沖結果（注:β表示深沖設置中的拉伸比）
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熱輸入的關系
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制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DPG、APG和ADG工藝接頭的縱斷面；(d-f)分別為DPG、APG和ADG工藝接頭的橫截面
圖22 接頭形貌（接頭深度與寬度）和裂紋長度關于單位長度能量的函數關系
圖23 在鋁/鋼異種接頭中，接頭力學性能與IMCs層厚度函數示意圖
圖24 線性能量密度與IMCs厚度關系
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展望
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