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上海工程技術大學《JMPT》長篇綜述：鋁/鋼異質材料激光連接技術！

2021-12-13 16:17:01 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

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。