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！

2021-12-13 16:17:01 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

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。