近日，上海工程技術(shù)大學(xué)楊瑾副教授（第一作者兼共同通訊作者）團(tuán)隊(duì)及其合作者在材料領(lǐng)域國(guó)際知名期刊《Journal of Materials Processing Technology》上發(fā)表了題為“Laser techniques for dissimilar joining of aluminum alloys to steels: A critical review”長(zhǎng)篇綜述。葡萄牙新里斯本大學(xué)J. P. Oliveira副教授為該論文的共同通訊作者。

本文系統(tǒng)概述了鋁/鋼異種金屬激光連接工藝，介紹了激光連接的數(shù)值模擬方法，詳細(xì)討論了焊接缺陷、接頭形貌、金屬間化合物和界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)接頭機(jī)械性能的影響，并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望分析。

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

國(guó)家“雙碳”目標(biāo)下，減少碳排放、降低能源消耗等需求日益迫切，運(yùn)載工具結(jié)構(gòu)件的輕量化是實(shí)現(xiàn)上述需求的重要途徑之一。出于安全及成本考慮，鋼構(gòu)件難以被完全取代，采用諸如鋁合金等輕質(zhì)合金部分替代鋼是切實(shí)可行的技術(shù)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(dǎo)致鋁/鋼焊接頭出現(xiàn)開裂和過早失效等問題。激光焊接技術(shù)作為一種靈活、可靠、高效的新型連接工藝，目前已廣泛應(yīng)用于汽車、高鐵、船舶和軍工等先進(jìn)制造領(lǐng)域。因其焊接熱輸入低、能量集中可控，接頭熱影響區(qū)窄、焊后變形小、殘余應(yīng)力低，適合于鋁/鋼具有大差異性質(zhì)材料的連接。值得一提的是，摩擦焊技術(shù)具有更低的焊接熱輸入，從接頭機(jī)械性能角度考慮更優(yōu)于激光焊，但后者加工柔性更優(yōu)、空間可達(dá)更高、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性更廣。此外，激光焊接過程通過添加焊接材料，可以實(shí)現(xiàn)Fe-Al IMCs種類、形貌和分布較為精準(zhǔn)的調(diào)控，將進(jìn)一步拓寬激光焊接技術(shù)在諸如鋁/鋼等異種金屬連接領(lǐng)域的適用范圍，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。前期文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，WOS檢索系統(tǒng)中鋁/鋼異質(zhì)連接的相關(guān)文獻(xiàn)超過700篇；為此，亟需對(duì)以上文獻(xiàn)進(jìn)行分類梳理、總結(jié)歸納、全面分析以及展望評(píng)述。

圍繞激光連接技術(shù)，本文從激光深熔焊、激光熔釬焊、激光復(fù)合焊三方面系統(tǒng)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(duì)鋁/鋼異種材料界面反應(yīng)產(chǎn)物和接頭機(jī)械性能的影響，系統(tǒng)介紹了輔助能場(chǎng)（電弧、攪拌和輥壓等）對(duì)鋁/鋼激光焊接頭的影響規(guī)律，簡(jiǎn)要評(píng)述了基于增材制造的異質(zhì)材料連接新工藝。文章還介紹了異種焊接的常用數(shù)值分析方法：宏觀尺度上模擬溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)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(chǎng)法、元胞自動(dòng)機(jī)法和蒙特卡洛法；此外，還介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)算法在性能預(yù)測(cè)方面的一些嘗試。文章重點(diǎn)討論了焊接缺陷、接頭形貌、金屬間化合物和界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)鋁/鋼連接接頭機(jī)械性能的影響規(guī)律；最后，作者對(duì)鋁/鋼異種金屬激光連接技術(shù)提出了展望評(píng)述。

圖1 激光焊接的典型焊接模式：(a)熱導(dǎo)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(shè)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(wú)過程控制）

圖4 雙束激光及其相對(duì)于槽中心的位置示意圖

圖5 傳導(dǎo)模式激光點(diǎn)焊示意圖

圖6 通過激光在鋼表面上加工的各類織構(gòu)

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(fù)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(jié)果（注:β表示深沖設(shè)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(jìn)速度與熱輸入的關(guān)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(jié)構(gòu)

圖16 激光過程中的多尺度多物理場(chǎng)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(shù)衰減法

圖18 鉤狀I(lǐng)MCs的形成示意圖

圖19 熔池微觀組織演化模擬(上)；焊縫區(qū)組織對(duì)比：(a)模擬結(jié)果，(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(下)

圖20 針對(duì)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(zhǎng)度關(guān)于單位長(zhǎng)度能量的函數(shù)關(guān)系

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

圖24 線性能量密度與IMCs厚度關(guān)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(shù)的總結(jié)與展望