文 献 综 述

Al/不锈钢激光焊接T型接头组织与力学性能研究

1.课题研究的意义及背景

随着现代科技的发展，材料的合理利用越来越受到人们的重视。在许多场合下，采用一种材料来制造整个零件是不合理的，因此许多工业部门广泛采用了异种金属结构件。这种异种金属焊接性的研究已成为焊接工作者的热门课题。而其中铝与钢的焊接是一个难度较大的课题，因而受到国外研究工作者的极大关注。

异种金属连接结构能够充分发挥两种材料各自的性能优势,适用于对轻量化及耐蚀性要求较高的场合,在轨道交通、航空航天、车辆制造等工业领域具有良好的应用前景［2］。当代汽车行业中，汽车轻量化已经成为节能减排、加大燃油经济性的有效措施，铝密度小，可以减轻车体的总重量，钢/铝异种金属焊接结构是实现汽车轻量化的有效方式之一。因此寻求一种高效优质的焊接方法来实现不锈钢－铝合金异种金属的连接是研究的热点。铝一钢结构件可使钢的高热强性、硬度、耐磨性与铝合金的低密度、高导热性、耐蚀性相结合充分发挥各种金属的优越性，可得到相当大的经济效益。

以 T 型接头为代表的薄壁轻量化夹芯式激光焊接结构，由上下面板和夹芯加强肋板通过激光焊接而成，具有比强度高、比刚度大等优点，结合了激光深熔焊热输入小、过程易精确控制、焊接速度快等优点，在航空航天、船舶、高速列车工业中获得了广泛应用 [1]。但由于铝和钢的熔点相差太悬殊 , 线膨胀系数、导热性和热容量相差太大，使在焊接过程中应力较大,易产生裂纹。由于钢与铝的熔点（钢为1530℃，铝为660℃）相差较大，所以当铝完全熔化为液态时钢常仍处于固态，使得铝表面对激光吸收率发生变化，导致激光焊接过程的不稳定；钢和铝的密度（钢为7.87g/cm³，铝为2.69g/cm³）相差很大，当钢完全熔化时，液态铝浮于钢液上，在冷却结晶后焊缝成分不均匀，容易产生成分偏析；母材铝容易形成难熔的氧化膜并进入熔池表面，高温将加速熔池表面氧化膜的累积，从而阻碍液态金属的结合，易使焊缝产生夹渣，降低力学性能。另一方面这两种金属相互作用时，容易形成不可逆的Al-Fe金属间化合物，使其焊接性存在较大的困难。由于激光焊接热能量密度高，钢与铝的热导率、线膨胀系数相差大，焊接时易引起较大热应力；在钢与铝焊接过程中，产生各种金属间化合物脆性相，降低焊缝的塑性和韧性，尤其是在热应力作用下，接头处极易产生热裂纹；以上问题可以归纳为：材料对激光吸收时激光反射率随温度和材料种类不同而各异，材料受热熔化时材料热物性能随温度变化的差异，激光焊接过程的不稳定性，凝固时焊缝区域金属间化合物的形成和生长，焊接接头缺陷的形成和残余应力、变形的产生。本课题针对Al/不锈钢T型接头，采用激光焊接方法,，重点关注铝与钢的焊接性问题，以满足实际的工程需求[3]。

2.激光焊接的基本原理与应用

2.1激光焊接的原理

激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于10⁴～10⁵ W/cm²为热传导焊接，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于10⁵～10⁷ W/cm²时，金属表面受热作用下凹成”孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、功率和频率等参数使工件熔化形成特定的熔池[4]。
　　激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，能量转换机制是通过小孔完成。在高功率密度激光的照射下，材料蒸发形成小孔，这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光能量，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。[5]在光束照射下的壁体材料连续蒸发产生高温蒸汽，孔壁外液体流动形成的壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持动态平衡。光束不断进入小孔，小孔始终处于流动的稳定状态，围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进而向前移动，熔融金属填充小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成[6] 。

2.2激光焊接优点

激光焊接具有很多优点：

（1）激光焊接可以将热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，而且因热传导所导致的变形也很低；

（2）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑；

（3）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当的距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥作用；

（4）工件可放置在封闭的空间内，激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型或间隔相近的部件。

（5）另外激光焊接可焊材质的种类范围很大，可以相互接合各种异质材料，并且易于以自动化进行高速焊接，也可以数位或电脑控制[7]；

（6）用激光焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接容易有回熔的困扰，而且激光焊接不受磁场所影响，能精确地对准焊件。

2.3激光焊接发展与应用

经过研究发现，直到上个世纪九十年代末，激光技术在我国才逐渐的开展并且和传统的焊接技术进行融合。在国内对于激光焊接技术方面，最开始进行研究的只局限在一些焊接研究所，在近些年，我国的社会经济的不断地发展，科学技术水平不断地提高，我国激光的焊接技术不断地吸收国外的先进技术，也在不断的探索，力求激光焊接技术能有新的突破。

激光焊接技术在国外的发展远远早于我国，经过多年的发展，国外的技术不断地走向完善并且不断地成熟。在上个世纪的八十年代美国、日本等国家在研究的方面逐渐的走向了成熟，在传统的焊接技术中运用现代激光技术，很多的行业都可以看到激光焊接技术的身影，例如，航空航天技术、汽车行业和电子行业等等，在越来越多的行业中激光焊接的技术得到了更加广泛的研究，更加的规范化，在许多的国家建立了相关的规范标准，随着环境的不断地变化和不断地发展，对于西方的发达国家不仅仅满足于中小型的制造业的激光焊接技术，主要将激光焊接技术，扩展到大型和超大型的生产制造当中，有效的提升激光焊接的效果和质量等级[8]。

激光焊接机技术广泛被应运在汽车、轮船、飞机、高铁等高精制造领域，给人们的生活质量带来了重大提升，更是引领家电行业进入了精工时代。特别是在大众汽车创造的42米无缝焊接技术，大大提高了车身整体性和稳定性之后，家电领头企业海尔集团隆重推出首款采用激光无缝焊接技术生产的洗衣机，该家电为人民珍视了科技的进步，先进的激光技术可以为人民的生活带来巨大的改变。随着洗衣机全球品牌地位的不断巩固，其对行业的引领开始全面展现，然而有激光焊接机技术的支持，也将对家电行业有一个更深的改革。此外，还了解到，中德造船业合作研发的”高功率激光焊接机技术”，保证了轮船的安全性，进一步加强了船身结构；在航空领域，激光无缝焊接技术也已广泛 应用于飞机发动机的制造上，同时，铝合金机身的激光无缝焊接技术可以取代铆钉，从而减轻了20%的机身重量；我国的高铁轨道也引进了激光无缝焊接技术，在提高安全性能同时，也大大降低了噪音，为旅客带来安静舒心的乘车环境。

3. Al/不锈钢焊接工艺国内外研究现状及分析

铝及铝合金比强度高，能有效降低部件的重量；钢是一种最普遍、最常用的黑色金属，在制造业中的地位至今无法撼动。目前，铝/钢复合结构在航空航天、汽车、轮船等行业得到了广泛应用，能够通过降低结构重量来提高燃油效率、延续航程、控制污染。因此，研究人员曾尝试利用多种方法进行铝和钢的焊接：如摩擦焊、扩散焊、电阻点焊、磁脉冲焊及超声波焊等固相连接技术，虽然焊接变形小，但焊接效率较低、加工柔性差、应用范围较窄；如炉中钎焊、真空钎焊、过渡层钎焊、CMT等钎焊方法，虽然焊件整体应力变形小，但接头强度较低，耐热能力差；如TIG、MIG等熔焊方法，缺点是焊缝夹渣、接头热应力大。以上焊接方法中，熔焊由于接头力学性能可靠、生产成本相对较低，广泛应用于铝钢焊接的实际生产过程。

针对铝及铝合金与钢异种金属焊接，国内外有许多学者从事过相关研究工作，几乎涵盖了所有焊接方法，主要有钎焊、熔钎焊、扩散焊、激光焊等。

3./ 3.1 Al/不锈钢异种材料钎焊

钎焊是最适于异种材料连接的方法，几乎可以连接所有的异种材料组合，包括异种金属、异种非金属、金属与陶瓷、金属与化合物、金属与复合材料等。由于母材在钎焊过程中并不发生熔化，因此大大降低异种金属之间形成金属间化合物的可能性，有效提高了异种金属连接的综合性能。随着异种材料连接结构的应用前景不断扩大，其连接技术也会越来越受到重视。钎焊技术是目前异种材料连接的最重要的方法之一。熔钎焊、电子束钎焊、激光钎焊和活性软钎焊等都是近年发展起来的新方法，在异种材料的连接方面还处于研究阶段。在新技术不断发展的今天，适用于异种材料组合的连接技术越来越多，新技术的不断发展为异种材料的连接提供着新的技术保障。钎焊技术的发展越来越趋向于精密控制和数值分析，各种新型仪器和分析方法的发展也推动了钎焊技术的研究。要取得国内先进钎焊技术的进展，应该加大基础理论的机理性研究, 同时提高试验分析方法的精度。

目前关于铝/钢的异种熔钎焊的研究主要有TIG熔钎焊、MIG熔钎焊、激光熔钎焊等工艺方法。TIG熔钎焊具有设备成本低、易操作、对焊接热输入可控、对焊件尺寸形状适应性高等优点，是目前熔钎焊重要的热源之一。MIG熔钎焊是利用旁路耦合电弧实现对熔滴过度所需要的力及加热熔池所需要的热进行解耦的多弧MIG焊方法。

3.2 Al/不锈钢异种材料扩散焊

扩散焊接是指相互接触的材料表面，在温度和压力的作用下相互靠近，局部发生塑性变形，原子间产生相互扩散，在界面处形成新的扩散层，从而实现可靠连接。扩散焊分为固相扩散焊和液相扩散焊（瞬时液相扩散焊,TLP焊接）。瞬间扩散连接是在一种材料的连接方法，即在被连接母材中间加入中间层，加热使中间层与部分母材熔化并重新凝固而形成连接的过程。它的特点是连接过程中中间层熔化成液相，固液之间互相扩散经过一系列复杂过程而形成接头。为避免AL/钢扩散焊接过程中产生的金属间化合物恶化接头性能，应添加中间层来阻止铝铁之间的相互扩散及产生金属间化合物。中间层通常有两类：1、熔点低于母材且成分与母材接近，添加了少量能降低熔点的元素。2、能与母材发生共晶反应形成低熔点合金。瞬间液相连接形成的接头性能优异，而且适合连接特殊材料，如单晶材料、先进陶瓷、金属基复合材料等。但由于中间层的选择较少，，所以应用受到较大限制。

3.3 Al/不锈钢异种材料激光焊接

激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小、可焊材料范围广、与其他焊接方法兼容性强等优点。此外，在异种合金的焊接中，激光焊可有效地降低熔池内由于优先溶解与物理、化学性能差异引起的偏析等问题的发生；并且由于激光焊接的能量密度高，焊接过程中焊接速度快、加热时间短，可有效抑制金属间化合物的形核与生长。但是，钢/铝异种激光焊接过程复杂，包含金属材料对激光的吸收、能量与动量的传递与转换、光致等离子体对激光的散射与吸收、熔池形成及演化、匙孔效应以及熔池凝固等物理过程，在这些物理过程中所涉及的一些问题都将直接影响接头力学性能。虽然铝钢激光焊件已经应用于汽车车身制造等方面，但上述问题仍大大影响了钢铝复合接头进一步的发展应用。因此，对铝/钢异种合金激光焊接的突出问题进行详细讨论研究具有重要的意义。

近年来，国内外学者对铝钢异种金属激光焊接问题进行了一系列的研究，为了提高接头力学性能，重点研究了界面处金属间化合物、焊接过程稳定性、接头缺陷和残余应力、变形等问题上，并已取得了一定的成果。针对铝钢激光焊接的关键问题，重点介绍国内外在这一研究领域的主要研究进展。

（1）金属间化合物

由于铝钢异种金属激光焊接界面处极易生成Fe-Al等金属脆性相，严重影响接头的力学性能，限制了铝/钢复合结构的应用范围。所以，对接头金属间化合物的研究是铝/钢激光焊接研究的重点之一。通过添加中间元素可有效控制铝/钢接头金属间化合物层的厚度，包括了添加焊丝、母材表面电镀以及加入中间层等方法[11]。

（2）焊接过程稳定性

激光焊接过程的不稳定性并不是由于焊接工艺参数波动而引起的偶然现象，而是激光焊接过程普遍存在的现象，并且在钢铝的激光焊接过程中较为明显[12]。铝钢异种的激光焊接过程中，由于材料热物性的参数的差异，对接时熔池偏熔严重，导致匙孔不稳定，降低接头力学性能。此外，在激光深熔焊中，材料剧烈汽化，高温蒸汽产生的膨胀压力将液态 金属排开形成小孔。在此过程中常伴有强烈金属汽化和等离子体产生，过量的金属蒸汽和等离子体将削弱母材对激光能量的吸收，汽化随之减弱，导致金属汽化和等离子体产生的减弱[13]；反而又提高了材料表面对激光的吸收，金属蒸汽和等离子体随之又增加，如此反复，将导致焊接过程不稳定。此外，焊接工艺参数和焊接夹具等对铝钢激光焊稳定性也存在一定影响。因此，焊接过程稳定性也是铝钢异种金属激光焊的重要问题。通过优化坡口、光斑形状、激光入射方式及采用辅助电流等措施可以改善界面温度分布，抑制光致等离子的产生，降低偏熔，提高焊接稳定性[14]。

（3）接头缺陷

铝/钢异种合金激光焊缝处易出现凹坑、飞溅、未焊透、气孔、夹杂、咬边、疏松和裂纹等缺陷，其中气孔和裂纹对接头力学性能影响较大[15]。气孔产生的类型很多，有Al₂O₃氧化膜中吸附水分和油脂产生的氢气孔、低沸点合金元素（如锌、镁）气化产生的气孔、匙孔周期性地形成与闭合将保护气体卷入熔池产生的气孔等，且成因较为复杂[16]。而裂纹主要是由于铝/钢热物理性能差异和界面处金属间化合物的产生导致的结晶裂纹和液化裂纹。通过严格的焊前清理烘干以及优化焊接工艺可以消除或减少气孔[17]。通过优化焊接工艺参数、控制焊缝熔宽和熔深、减少金属间化合物含量等方法，可抑制铝/钢激光焊接接头裂纹的产生和生长[18]。

（4）铝/钢焊接接头型式

焊接接头的主要基本形式有四种：对接接头、T型接头、角接接头和搭接接头。对接接头是将两块钢板的边缘相对配置，并使其表面成一直线而结合的接头。这种接头能承受较大的静力和震动载荷，所以是焊接结构中最常用的接头形式。搭接接头是将两块钢板相叠，而在相叠端的边缘采用塞焊、开槽焊进行焊接的接头形式。这种接头的强度较低，只能用于不太重要的焊接构件中。针对铝合金与钢异种金属搭接接头连接强度低的难点，常采用光纤激光器对铝合金与钢搭接接头进行激光焊接试验研究。焊接时激光光束直接照射钢表面，钢熔化成液态嵌入铝一侧，从而实现钢/铝连接，采用钢上铝下的搭接方式，既能更好的实现钢/铝焊接，又能有效控制晶间化合物的含量和分布，大大提高焊接接头的力学性能。T型接头是两个构件相互垂直或倾斜成一定角度而形成的焊接接头。这种接头焊接操作时比较困难，整个接头承受载荷的能力，特别是承受震动载荷的能力比较差。由于结构件组成的复杂多样性，这种接头在焊接结构中也是较为常见的形式之一。铝/钢T型接头激光焊接过程中最常见的几个问题就是变形、气孔、裂纹和焊缝成形的困难。不采用拘束和接头优化的情况下，底板很容易出现两侧的向上翘起弯曲，若采用单侧依次双面焊接，立派容易出现弯曲变形及向焊缝一侧倾斜，为了工艺的易于执行和操作方便，T 型接头激光焊接一般都是激光光束与底板成一定倾角，这样在焊接过程中，熔池溶液受力情况和水平面的焊缝比较更容易形成小孔的塌陷闭合，并且也很不利于小孔气体的上浮排除，并且采用填充粉末比采用填充焊丝的工艺更加柔性化，得到了焊缝成形良好，焊接过程稳定的T型接头，易于实现高强铝/钢T型接头激光焊接产业化的推广。

4.课题研究内容

综上所述，对于异种金属材料焊接而言激光焊接技术优点显著，国内外研究学者对于铝钢异种激光焊接问题的研究已取得一定的进展，特别是在接头金属间化合物、焊接过程稳定性以及接头缺陷等关键问题上取得了许多成果。但铝/钢的激光焊也存在一些缺陷，铝钢激光焊接仍存在一些问题亟待解决：第一、目前用于控制金属间化合物形核和生长的方法一般都是定性或半定量的方法（如简单地添加焊料、电镀层、中间层和控制热输入等），这些方法都难以获得理想的金属间化合物层厚度，提高接头性能。因此，需寻找更多半定量或定量方法以控制接头金属间化合物的生成。第二、系统地对铝/钢激光焊金属间化合物的形核和生长过程以及铝在钢表面润湿铺展动力学的研究，将有助于提升铝/钢激光焊接头实际应用价值。

本课题针对Al/不锈钢T型接头这种特殊的接头型式，提出采用激光焊接方法，分析铝/钢异质接头激光焊接冶金问题及其力学性能，重点研究铝/钢异质接头界面微观组织及其对拉伸强度的影响。

5.参考文献

[1]杨橄生，卢庆华，于治水，郭崇，诸振涛 高强钢激光穿透焊接T型接头成形与性能分析 (上海工程技术大学 材料工程学院,上海 201620)

[2]朱宗涛，万占东，薛珺予 不锈钢/铝合金异种金属激光熔钎焊工艺研究 (西南交通大学材料科学与工程学院,成都 610031)

[3] 吴军，李亮，牛龙江 铝一钢激光焊接性研究 （ 武汉汽车工业大学 430072）

[4] 许文涛，李彬坡，于平坤 激光焊接的工作原理及其主要工艺参数

[5]张冬云，牛振，祁俊峰等. 5083船用铝合金激光焊接不稳定性研究（［J］．焊接，2007 (5)：42-46．）

[6]陈武柱，张旭东，任家烈 激光焊接时焊接模式转变规律及焊接过程稳定性的研究（［J］．中国激光，1996，23 (7)：567-661）

[7]刘继常，李力钧 激光复合焊接的探讨（ [J]．焊接技术，2002，31 (4)：6-8．）

[8]王涛，周惦武，张屹 钢－铝激光焊接的关键技术与未来趋势展望（［J］．材料导报，2011，25（12）：106－109． ）

[9]杨阳 铝与钢的异种材料激光焊接（［D］.长春理工大学，2011．）

[10]程东海，胡文斌，陈益平 铝钢异种材料激光焊接接头力学性能研究（［C］．第十六次全国焊接学术会议论文摘要集，2011．）

[11]潘峰，崔丽，钱伟，贺定勇，魏世忠 双光束激光深熔焊接钢/ 铝异种合金

（北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124）

[12] Giuseppe Casalino, Paola Leo, Michelangelo Mortello , Patrizia Perulli and Alessandra Varone Effects of Laser Offset and Hybrid Welding on Microstructure and IMC in Fe#8211;Al Dissimilar Welding

[13]郭庆 不锈钢板激光焊接接头组织与性能 （中国民用航空学院 机电工程学院）

[14]苏颜丽 不锈钢激光焊接接头的力学性能 （哈尔滨理工大学150080)

[15]叶庆丰，王少刚，赵雅萱，陈源，赵礼 超薄不锈钢激光焊接头的微观组织与力学性能（南京航空航天大学 材料科学与技术学院， 江苏 南京 210016 ）

[16] A. Hasanniah, M. Movahedi Welding of Al-Mg aluminum alloy to aluminum clad steel sheet using pulsed gas tungsten arc process

[17] 李竹洁，吕俊霞，邹江林，张建超，吴世凯 氮气保护不锈钢激光焊接接头组织及力学性能 （ 北京工业大学激光工程研究院 北京100124)

[18] 郭晓军，李铸国，孟威，许超 低合金高强钢激光穿透焊接头性能研究

（上海交通大学 材料科学与工程学院 上海市激光制造与材料改性重点实验室， 上海 200240）

[19] 徐锋 S355钢/6005A铝合金异种金属瞬间液相扩散连接研究 （ 吉林大学）