長三角G60雷射聯盟導讀
據悉，
成果摘要：
鋁（Al）和鋼的結合（連接配接或者焊接）在汽車工業中是一種很有前途的解決方案，可以減輕汽車車身結構的重量和油耗。由于鐵和鋁之間容易形成金屬間化合物（IMCs），這給鋁/鋼的異種焊接帶來了重大挑戰。本文綜述了Fe/Al IMCs的形成和生長機制。本文綜述了鋁/鋼異種焊接的各種焊接方法，包括攪拌摩擦焊、雷射焊和電阻點焊的研究進展。并重點介紹了同每種方法相關的連接配接機制、層間材料、微觀結構和力學性能。還綜述了工藝參數、幾何形狀、填充材料成分、接頭類型、夾層或塗層成分、帶蓋闆的RSW和外部能量場對接頭微觀結構和力學性能的影響。此外，系統總結了各種焊接工藝下鋁/鋼界面的溫度控制範圍。并對鋁/鋼異種焊接的進一步研究方向提出了幾點建議。
背景介紹：
在過去的幾十年裡面，全球制造業面臨兩大挑戰：能源短缺和環境危機。這些問題已被公認為是影響該領域發展的關鍵因素。考慮到先進汽車發展的前提，關注環境保護應該是首要關注的問題。是以，一個重要的政策就是減輕汽車的重量。如果汽車的重量減少10%，其燃油效率可以提高6%至8%。低重量不僅可以減少燃料消耗，還可以減少二氧化碳排放和空氣污染。如今，為了減少乘用車的二氧化碳排放，其平均燃油經濟性目标和産量已成為大多數國家面臨的主要挑戰。圖1顯示了2015-2025年期間不同國家乘用車燃油經濟性目标的不同趨勢。其中，中國2020年的平均二氧化碳排放目标為116 g/km，比2015年下降了30%。
圖1 2015-2025年期間不同國家乘用車燃油經濟性目标的不同趨勢
最近，汽車行業已經開始探索使用輕質材料來實作上述目标。汽車輕量化材料可分為三類：（i）輕合金（鋁（Al）合金、鎂（Mg）合金和（Ti）合金等）；（ii）先進高強度鋼（AHSS）；（iii）複合材料。輕質材料廣泛用于車輛結構部件，包括儀表闆、保險杠、發動機、車身外殼、車輪、懸架系統、制動器、轉向系統、電池、座椅、變速箱等（圖2）。
圖2 用于汽車中的不同部件的代表性的輕質材料。
圖2-1 鋁合金和鎂合金在汽車上應用的時刻表
圖2-2 汽車不同部件使用的輕質材料的情況
圖2-3 汽車白車身上主要哦材料的分布及其占比
鋁合金已成為汽車結構部件中應用最廣泛的輕質材料。鋁合金逐漸取代傳統的鋼鐵材料，成為汽車工業中占主導地位的輕質材料之一。然而，它們的成本很高，大約是鋼的兩倍。此外，考慮到安全和成本因素，在結構應用中幾乎不可能完全取代鋼。
鋼作為汽車工業的主要結構材料，可以提供優異的機械性能，以較低的成本滿足強度要求。高強度鋼通常用于汽車車身結構，這不僅是因為它是一種廉價的材料，而且它具有優異的機械加工性和卓越的沖擊吸收能力。一般來說，各種鋼的強度和延展性之間存在固有的權衡[16]。在選擇車身結構的材料時，重要的是要考慮各種因素，如原材料、生産、維護和成本。滿足輕質材料需求的最有效方法是将鋁合金和鋼相結合。是以，在多材料設計中內建不同金屬正成為一種流行的方法，它提供了理想的和獨特的材料特性。
鋼與鋁合金連接配接時存在的主要問題
輕質多材料政策是近年來建造低重量汽車的一種很有前途的方法。特别是，鋁和鋼的結合正成為實作輕質、安全、剛性和成本效益高的汽車結構的一種有前途的方法。各種連接配接技術已經成功地用于連接配接鋁合金和鋼。為了提高傳統連接配接方法（如鉚接和粘合）的接頭強度，可以使用各種替代焊接方法，如固态焊接、熔焊或混合焊接。
然而，由于這兩種金屬的熱實體性質存在顯著差異，鋁合金與鋼的異種焊接仍然是一個非常重要的挑戰。表1列出了Al和Fe的實體性質。鋁和鋼之間還存在顯著差異，如熔點和熱膨脹系數，導緻它們的冶金相容性較差。此外，Al具有高活性并且易于産生緻密的Al2O3氧化物膜。Al2O3具有高熔點（2050°C），這可能會降低接頭強度。
表1 Al和Fe之間實體性能的比較
圖3顯示了Fe—Al平衡相圖。在凝固過程中，形成了各種金屬間化合物，即Fe3Al、FeAl2、FeAl、FeAl3和Fe2Al5。富鋁IMCs比富鐵IMCs形成更少的塑性和韌性接頭。是以，必須避免和抑制IMCs在不同材料界面的過度形成和生長。
圖3 Fe-Al二進制相圖
這篇綜述的重點是使用各種焊接方法将鋁合金連接配接到鋼上。鋁合金和鋼在焊接過程中的低固溶性導緻焊縫冶金相容性差，而熱實體性能的巨大差異帶來了更大的挑戰。焊接過程中通常會産生熱裂紋、氣孔和其他缺陷。此外，在鋁合金和鋼的焊接過程中，形成硬且脆性的Fe-Al IMC會顯著降低焊接接頭的力學性能。是以，控制IMCs的形成和生長，減少焊接缺陷已成為鋁與鋼焊接的一個重要研究領域。
以前關于鋁合金與鋼的異種連接配接的綜述文章隻提供了簡短而不充分的分析。此外，在鋁合金與鋼的異種焊接中，缺乏對界面溫度控制的重視，這影響了IMC層的生長。本文對攪拌摩擦焊（FSW）、雷射焊（LW）和電阻點焊（RSW）用于鋁合金與鋼異種材料焊接的機理進行了深入的綜述。
本文主要總結了FSW、LW和RSW用于連接配接鋁合金和鋼的進展（圖4）。以下部分将全面回顧通過上述焊接方法獲得的優點、工藝、機理以及相應的接頭微觀結構和強度。
圖4 鋁/鋼的FSW、LW、RSW和其他焊接方法概述。
金屬間化合物的形成
在Fe-Al相圖中（圖3），可以看到會形成兩類IMCs：富Fe相（Fe3Al和FeAl）和富Al相（Fe2Al5、FeAl2和FeAl3）。IMC形成的類型取決于焊接過程中的局部溫度和材料成分。具有較低吉布斯自由能（ΔG）的相更有可能在焊接凝固過程中形成。各種Fe單鍵Al IMCs的吉布斯自由能順序如下：
表2列出了Fe單鍵Al IMCs的晶格結構和熔點。在1150°C的共晶溫度下，反應可以表示如下：
表2 不同Fe—Al IMCs的晶格結構和熔點
此外，由于Fe原子和Al原子的互相擴散反應，可以形成FeAl相。例如，Pan等人就在Al/鋼的RSW焊接接頭的Fe2Al5晶粒邊界處觀察到FeAl相。
對于鋁合金與鋼的異種焊接，抑制IMC的生長是一個關鍵的技術問題，如果不控制其生長和長大，過多的IMC會影響接頭的機械性能。減少Fe-Al-IMC層的厚度可以提高接頭的整體性能。然而，一些研究表明，薄層的IMC層可以通過確定強的結合強度來有效抑制界面失效。是以，了解IMC的形成機制對于提高接頭的性能至關重要。
鋁/鋼焊接過程中的擴散時間和化學成分是影響IMC形成的兩個主要因素。Fe-Al IMCs形成機制的示意圖如下圖5所示。這大緻可以分為四個階段：（i）Al原子和Fe原子向界面擴散，并且互相擴散速率較慢（圖5（a））；（ii）界面處的這種擴散速率變快，Fe原子在Al基體中達到飽和濃度。此時，Fe4Al13 IMC開始成核。由于Fe2Al5的擴散速率高于其他Fe-Al IMCs，是以會形成不連續的Fe2Al5 IMCs（圖5（b））；（iii）随着界面焊接能量的增加，不連續的Fe2Al5晶粒表現出快速生長，并最終熔合形成連續結構。由于Fe2Al5晶體結構中存在空位，Fe2Al6晶粒沿Al/鋼界面垂直生長，形成粗柱狀晶體（圖5（c））；（iv）在焊接過程的最後階段之後，針狀Fe4Al13 IMCs在固化後出現在Fe2Al5層附近（圖5（d））。
圖 5 Fe-Al IMCs在不同階段的形成的機制：（a）第1階段，（b）第2階段，（c）第3階段，（d）第4階段。
近年來，研究了鋁合金與鋼焊接過程中的力學性能、微觀組織演變、形貌和IMC厚度。就IMC硬度而言，與FeAl3相比，Fe2Al5 IMC表現出更高的硬度。此外，對于Fe2Al5，作為主要的Fe-Al IMC産物，用于RSW的Fe2Al5 IMC的生長方向為[001]，垂直于界面。在焊接界面形成的IMC形态可分為兩種類型（圖6）。第一個IMC是靠近鋼側的舌狀IMC，而第二個是靠近Al側的針狀IMC。
圖6.焊接界面處形成的IMC形貌：（a）背散射電子（BSE）圖像和（b）電子背散射衍射（EBSD）圖像
然而，過多的IMC層生長會惡化接頭的品質和性能。不同類型的IMC在硬度和韌性方面各不相同。通常，在鋁/鋼的焊接過程中，會形成各種Fe-Al金屬間化合物相，如Fe3Al、FeAl2、Fe2Al5、FeAl和FeAl3。富鋁IMCs是最常見的相，盡管一些富鐵IMCs（FeAl和Fe3Al）也值得高度關注。
IMC形成不足或形成量過多均可能對焊接接頭有害。是以，當焊接不同材料時，IMC層的厚度需要控制在可接受的範圍内。當預測厚度超過臨界值時，可以通過各種方法來實作厚度控制，例如工藝參數的優化和中間過渡層的添加。
圖7 在不同溫度下 of Fe-Al IMCs的ΔG
圖8 不同組合類型的不同FSW：（a）對接焊縫，（b）搭接焊縫。
圖9 鋁-鋼的FFSW工藝在不同階段的說明：（a）FFSW初始階段，（b）FFSW焊接階段，（c）FFSW保持階段和（d）FFSW縮回階段。
圖10.不同階段的鋁-鋼RFW工藝圖解[76]：（a）初始階段，（b）焊接階段和（c）镦粗階段。
圖11 不同焊接組合形式中中鋁/鋼界面的IMC分布：（a）搭接組合焊接和（b）對接組合焊接。
雷射焊接
被稱為雷射焊接（LW）的熔焊過程如圖15所示。它具有能量密度高、焊接速度快、熱輸入低的顯著優點，有利于異種材料的連接配接。
圖12 雷射焊接工藝的示意圖
與固态焊接方法相比，鋁與鋼的LW工藝具有熱輸入低、熱變形小、IMC層厚度薄、接頭品質好的優點。然而，由于焊接缺陷和反射率的存在，采用雷射焊接時的挑戰依然存在。
在鋁/鋼LW過程中，觀察到兩種不同的焊接模式：雷射深熔焊接模式和雷射束傳導焊接模式。當寬度與深度之比>1時，發生熱傳導焊接模式。另一方面，當寬度與深度之比明顯低于1時，就會形成鎖孔或深熔焊接。
研究人員對鋁/鋼異種材料的接頭結構、連接配接機理、接頭失效模式、新技術和IMC的形成規律進行了專門的研究。雷射鎖孔焊接通常采用搭接接頭。此外，在這種焊接過程中最常見的問題是飛濺、元素損失和凝固開裂。為了解決這些問題，合理選擇填料對于提高接頭性能至關重要。鋁/鋼LW的标準程式如下（見圖13）：
1.在第一階段，焊絲在雷射照射的作用下熔化成液滴，這些液滴沉積在鋼表面上（圖第13（a））；
2.在第二階段，熔化過程在Al基體金屬的邊緣開始，導緻Zn-Al合金的液化，該合金随後與液态Al基金屬結合。結果，形成了熔池（圖13（b））；
3.在第三階段，Fe和Al之間存在互相擴散（圖第13（c））；
4.在第四階段形成過飽和固溶體，通過擴散反應将其轉移到IMC中（圖13（d））。
圖13 鋁-鋼LW工藝示意圖：（a）第一階段，（b）第二階段，（c）第三階段，（d）第四階段。
與傳統的LW方法相比，雷射釺焊是一種更有效的焊接方法。該技術允許對熱輸入進行精确控制，并有效抑制IMC的生長。是以，基于其焊接特性，雷射偏移用于調節鋁/鋼焊接的能量。圖14顯示了鋁/鋼雷射偏置焊接機構的示意圖。當雷射束作用在鋼表面時，鋼從表面到界面發生熔化，形成金屬蒸汽和小孔（圖第14（a））。鑰匙孔持續吸收雷射能量，導緻溫度升高和鋁基金屬熔化。與Al相比，熔池含有更高品質的熔融鋼，導緻Al和Fe元素的擴散，随後形成冶金結合。化學元素的擴散如圖14（b）所示。
圖14 鋁/鋼的雷射偏置焊接機制示意圖：（A）雷射照射和（b）元素擴散。
雷射功率和焊接速度對鋁/鋼LWed接頭的組織和性能有顯著影響。是以，選擇合理的鋁/鋼LW工藝參數是非常關鍵的。據報道，雷射功率會影響擴散行為和界面微觀結構。當Al和Al-Si塗層鋼在較低的雷射功率下進行雷射搭接焊時，在Al/鋼界面處形成的IMC為Fe2Al7Si（圖15（a））。随着雷射功率的增加，界面溫度逐漸升高。當界面溫度超過Fe2Al7Si的熔點時，隻有針狀的FeAl3 IMCs在界面處形成（圖第15（b）段）。随着Fe原子的進一步擴散，Fe2Al5相開始形成（圖第15（c）段）。當雷射功率高時，在界面處形成Fe2Al5和FexZnx IMCs（圖第15（d）段）。
圖15 不同雷射功率下鋼/鋁界面的擴散行為和微觀組織演變：（a）1500W；（b） 1700 W；（c） 1900 W和（d）2100 W。
已經對旋轉雷射對焊接接頭微觀結構演變和性能的影響進行了研究。研究結果表明，鋁與鋼的旋轉雷射釺焊可以獲得比傳統雷射釺焊更高的接頭強度，這主要是由于旋轉雷射釺焊接頭的能量密度較低，導緻IMC層厚度較薄，接頭品質提高。
關于熱輸入因子，Jin等人研究了IMC的類型在不同雷射功率下保持不變，如圖16所示。在雷射功率為1500W的情況下，Fe2Al5-xZnx和FeZn10被确認為反應層。研究表明，雷射偏置距離、雷射功率和焊接速度等關鍵因素可以提高鋁/鋼對接接頭的強度。結果表明，随着雷射功率、焊接速度和散焦距離的改變，接頭強度先增大後減小，如圖16所示。
圖16 1500–1900 W雷射功率範圍内雷射鋁/鋼接頭的界面微觀結構：: (a) 1500 W, (b) 1700 W and (c) 1900 W。
雷射-電弧複合焊接（LAHW）技術具有良好的焊接能力和深穿透能力，是以在許多焊接領域得到了廣泛應用。然而，與單次深穿透LW類似，鍵槽處于波動狀态，并且鍵槽周期性地坍塌，導緻氣泡的形成，最終在焊接接頭中産生孔隙缺陷。同時還有研究人員還進行了外部磁場以抑制單次雷射焊接中的孔隙率。
目前，研究人員對磁輔助雷射束焊接表現出了極大的興趣。圖17為外磁場作用下鋁合金雷射-MIG複合焊示意圖。
圖17 在外磁場輔助作用下雷射-金屬-惰性氣體（MIG）複合焊原理圖
圖18 RSW工藝示意圖
圖19 鋁/鋼RSWed接頭的外觀和力學性能
圖20 聯鎖電極的宏觀形态
圖21 鋁/鋼RSWed接頭上氧化膜的斷裂機制[161]：（a）氧化鋁合金和鋼的RSWed接口和（b）未氧化鋁合金與鋼的RSWed接口。
圖22 不同電極組合下界面中心的溫度變化和Fe2Al5層厚度的生長過程
結論
由于對汽車輕量化的需求不斷增加，鋁合金與鋼的異種焊接是一個關鍵問題。由于界面處存在IMC，這對鋁/鋼的異種焊接提出了重大挑戰。在總結和回顧鋁合金與鋼異種焊接的基礎上，總結出以下結論和未來的發展趨勢：
- 在鋁/鋼焊接界面處形成IMCs是不可避免的。優化工藝參數，使用優化的FSW工具，選擇填充材料和接頭類型，添加中間層，帶蓋闆的RSW和外部能量場的應用，可以有效地控制IMC層的厚度，提高鋁/鋼焊接接頭的力學性能。
- 控制鋁/鋼界面的溫度是抑制IMC層過度生長的一項創新措施。對于鋁與鋼的FSW，界面溫度應控制在250–500°C。對于鋁和鋼的LW，當使用鋅-鋁填料時，界面溫度應控制在1052–1270°C；當使用Al-Si填充時，界面溫度應控制在860–1032°C。對于鋁和鋼的RSW，應控制RSW過程的中間階段，這是Fe2Al5 IMC生長最快的階段。
- 發現使用HEAs、Cu、V和Ni/Cu等中間過渡層可以抑制Fe-Al IMCs的形成，提高LWed接頭的品質。在不同材料的RSW過程中，Zn、HEA、AlSi12、Als-Mg、AlCu28、Al和Al2O3、Ni+Al2O3的使用也限制了Fe-Al IMCs的形成。
- 複合焊接方法的發展包括将多種連接配接技術相結合，以減少單個技術的弱點并提高複合焊接接頭的性能。新的複合焊接技術，如電阻元件焊接、電阻鉚接、攪拌摩擦鉚接和雷射鉚接，需要進一步研究其工藝特性。鉚釘的設計、電極的選擇、工藝參數和溫度分布值得通過實驗和有限元方法進行探索。
- 鋁/鋼接頭IMC層的生長與界面溫度有關。減小IMC層的厚度有利于提高接頭的力學性能。然而，對鋁/鋼界面的精确溫度控制缺乏系統的研究。開發用于預測溫度分布的有限元法，這将對優化工藝參數有價值。
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