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(cè)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)的科研人員綜述報(bào)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(shí)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(guò)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(diǎn)闡述了通過(guò)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(shí)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(yùn)用，并展望了未來(lái)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(duì)比

圖4(a)焊接裝置；(b)激光深熔焊原理；(c)激光偏移0.3mm時(shí)Al/Fe接頭界面的EBSD相圖；(d1~i1)焊接速度0.6-1.2m/min時(shí)對(duì)接接頭界面IMC層微觀結(jié)構(gòu)；(d2~i2)激光偏移0.3-0.7mm時(shí)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(wú)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(cè)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(chǎng)輔助激光-MIG復(fù)合焊實(shí)驗(yàn)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(wú)磁場(chǎng)時(shí)熔池截面溫度曲線；(e)磁場(chǎng)下熔池流體流速

圖13(a~d)晶粒/亞晶結(jié)構(gòu)的模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比；(e~h)胞晶向枝晶的演化過(guò)程

鋁/鋼異種材料激光焊接是汽車輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，但二者物性差異導(dǎo)致的脆性IMCs會(huì)損害接頭性能?，F(xiàn)有研究通過(guò)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(shí)間以調(diào)整IMCs厚度、成分與分布特征；

2.合金化設(shè)計(jì)：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(wú)法完全消除IMCs。未來(lái)研究應(yīng)聚焦以下方向： 

1.高熵合金中間層開(kāi)發(fā)：通過(guò)多組元協(xié)同效應(yīng)抑制Fe-Al IMCs，結(jié)合高通量實(shí)驗(yàn)篩選最優(yōu)成分；

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

3.原子尺度界面設(shè)計(jì)：采用分子動(dòng)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(shì)實(shí)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(cè)能力；

6.工程服役性能研究：開(kāi)展實(shí)際工況下接頭長(zhǎng)期性能評(píng)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