上海工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與上海市激光智能制造及質(zhì)量檢測專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺的科研人員綜述報道了鋁/鋼異種材料激光焊接及金屬間化合物控制研究進(jìn)展。相關(guān)論文以“Laser welding of aluminum/steel dissimilar metals and control of intermetallic compounds: a review”為題發(fā)表的《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。

在汽車輕量化背景下，鋁/鋼異種材料焊接是實現(xiàn)減重目標(biāo)的有效途徑。由于二者物理化學(xué)性質(zhì)差異顯著，焊接過程中易形成脆性金屬間化合物（IMCs），直接影響接頭力學(xué)性能。本文系統(tǒng)綜述了鋁/鋼激光焊接中IMCs的形成機(jī)制，重點闡述了通過熱輸入控制和填充材料添加在激光深熔焊與激光熔釬焊中抑制IMCs的最新研究進(jìn)展。同時探討了激光-電弧復(fù)合焊接（LAHW）、激光輔助攪拌摩擦焊（LAFSW）等先進(jìn)激光焊接技術(shù)的應(yīng)用，歸納了數(shù)值模擬技術(shù)在鋁/鋼激光焊接研究中的運用，并展望了未來研究方向。

圖1Fe-Al二元相圖

圖2Fe/Al IMCs演化機(jī)制

圖3界面中心IMCs的EBSD分析：(a)物相分布；(b)取向成像；(c)能帶對比

圖4(a)焊接裝置；(b)激光深熔焊原理；(c)激光偏移0.3mm時Al/Fe接頭界面的EBSD相圖；(d1~i1)焊接速度0.6-1.2m/min時對接接頭界面IMC層微觀結(jié)構(gòu)；(d2~i2)激光偏移0.3-0.7mm時界面IMC層演變

圖5(a)鋁鋼激光焊接示意圖；(b,c)接頭拉伸性能與顯微硬度；(d,e)未添加/添加Ni箔的斷口形貌

圖6(a)雙光束激光焊接原理；(b)焊接示意圖；(c)單光束激光焊搭接接頭形貌；(d)雙光束焊接接頭形貌

圖7(a)無Ni鍍層焊縫宏觀形貌；(b)5μm Ni鍍層焊縫；(c)10μm Ni鍍層焊縫；(d)接頭XRD分析 

圖8(a)鋁鋼激光熔釬焊示意圖；(b)焊縫-鋼界面觀測區(qū)；(c~e)純Al焊絲接頭微觀結(jié)構(gòu)；(f~h)Al5Si焊絲接頭；(i~k)Al12Si焊絲接頭

圖9富鋅區(qū)微觀組織與元素分布

圖10(a)脈沖激光-電弧復(fù)合焊接流程；(b)磁場輔助激光-MIG復(fù)合焊實驗裝置

圖11激光焊接熱源模型

圖12(a,b)雙光束焊接原理；(c)瞬態(tài)小孔模型；(d)有無磁場時熔池截面溫度曲線；(e)磁場下熔池流體流速

圖13(a~d)晶粒/亞晶結(jié)構(gòu)的模擬與實驗對比；(e~h)胞晶向枝晶的演化過程

鋁/鋼異種材料激光焊接是汽車輕量化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，但二者物性差異導(dǎo)致的脆性IMCs會損害接頭性能?，F(xiàn)有研究通過兩方面控制IMCs：

1.工藝調(diào)控：優(yōu)化焊接參數(shù)降低熱輸入，縮短界面反應(yīng)時間以調(diào)整IMCs厚度、成分與分布特征；

2.合金化設(shè)計：添加填充材料參與熔池冶金反應(yīng)，有效抑制Fe-Al相形成；

盡管上述方法一定程度提升了接頭強(qiáng)韌性，目前仍無法完全消除IMCs。未來研究應(yīng)聚焦以下方向： 

1.高熵合金中間層開發(fā)：通過多組元協(xié)同效應(yīng)抑制Fe-Al IMCs，結(jié)合高通量實驗篩選最優(yōu)成分；

2.智能實時調(diào)控系統(tǒng)：融合機(jī)器學(xué)習(xí)算法動態(tài)調(diào)整焊接速度、功率、光斑偏移量等參數(shù)，實現(xiàn)IMCs厚度精準(zhǔn)控制；

3.原子尺度界面設(shè)計：采用分子動力學(xué)模擬研究Fe/Al界面原子擴(kuò)散行為，構(gòu)建梯度納米結(jié)構(gòu)界面緩解應(yīng)力集中；

4.超快激光-電弧復(fù)合技術(shù)：利用飛秒/皮秒激光超短脈沖降低熱輸入，結(jié)合電弧深熔優(yōu)勢實現(xiàn)IMC層精確調(diào)控；

5.多尺度仿真分析：宏微觀模擬結(jié)合深化接頭形成機(jī)制認(rèn)知，提升缺陷預(yù)測能力；

6.工程服役性能研究：開展實際工況下接頭長期性能評估，保障焊接結(jié)構(gòu)安全可靠性。

論文鏈接：

Li, Q., Yang, S., Hu, B. et al. Laser welding of aluminum/steel dissimilar metals and control of intermetallic compounds: a review. Int J Adv Manuf Technol (2025).https://doi.org/10.1007/s00170-025-15425-x