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《Materials Characterization》:激光功率调控铝/钢激光熔钎焊接头界面组织与性能研究

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在航空航天、新能源汽车、海洋船舶等装备制造领域轻量化发展的趋势下,铝/钢复合构件因充分发挥铝合金轻质耐腐蚀与钢材高强度、低成本的双重优势而受到广泛关注。但铝与钢热物理性能、冶金相容性差异巨大,传统焊接工艺极易在界面生成较厚的硬脆Fe‑Al金属间化合物(IMCs),造成接头强度低、疲劳性能差,制约构件实际服役可靠性。

激光熔钎焊凭借热输入精准可控的优势,可以实现铝侧填充金属熔化、抑制钢母材大量熔化,是铝/钢异种金属连接极具潜力的工艺。激光功率作为决定热输入的核心参数,直接调控界面润湿行为、金属间化合物的种类、厚度与形貌。目前已有研究多聚焦接头静态拉伸性能,但对于不同激光功率下界面IMCs的生成顺序、生长机制,以及功率对疲劳服役性能的影响规律仍缺少系统分析。

近日,由上海工程技术大学杨瑾教授、南昌航空大学陈玉华教授、郑敏副教授,葡萄牙新里斯本大学(NOVA University Lisbon)J.P. Oliveira教授,宁波震裕科技股份有限公司等多方产学研团队共同完成的研究论文《Influence of laser power on the microstructure and mechanical properties of aluminum-steel laser weld-brazing joints》,发表于材料领域期刊《Materials Characterization》(影响因子6.2),阐明了铝/钢激光熔钎焊中界面IMCs的演变和形成机制,为铝/钢异种金属连接工艺优化提供完整理论与工程支撑。


文章选用5052铝合金与低碳钢为母材,Al‑Si12焊丝作为填充材料,在1900‑2700 W范围内设置梯度激光功率开展铝/钢激光熔钎焊搭接试验。观察不同功率下焊缝宏观成形、润湿铺展状态;借助SEM、EDS表征界面微观组织,分析IMCs的物相类型、形貌及厚度变化;开展拉伸、显微硬度与疲劳测试,揭示激光功率对接头力学性能的影响;结合Miedema、Toop热力学模型,计算Fe‑Al‑Si三元体系吉布斯自由能、元素化学势,阐明原子扩散驱动力与界面金属间化合物的析出演化机理,确定兼顾静态强度与疲劳性能的最优工艺区间,为铝/钢激光熔钎焊的参数优化提供理论支撑。


图1 铝/钢激光熔钎焊工艺示意图


图2 1200 K时Fe-Al-Si体系的热力学计算结果:(a)吉布斯自由能,(b-d)分别为Fe、Al、Si元素的化学势


图3 铝/钢接头在典型功率条件下的断裂表面形貌及界面断裂横截面的SEM和EDS元素分布图


图 4 铝/钢接头钎焊界面的微硬度分布:(a)不同激光功率条件下接头界面的微硬度分布;(b) 2300W激光功率下接头的微硬度曲线


图 5 中高激光功率(2300-2700 W)下接头界面金属间化合物生成过程示意图

【研究结论】

1.焊缝成形与润湿特性:在1900‑2700 W实验功率范围内均可获得无气孔、裂纹等缺陷的铝/钢激光熔钎焊接头。随激光功率增大,接触角减小,钎焊铺展宽度增加,填充金属对钢表面的润湿铺展能力得到改善。

2.界面金属间化合物演变规律:激光功率决定界面脆性金属间化合物物相组成。低功率(1900 W、2100 W)时界面仅生成单一τ₅‑Al₇.₂Fe₁.₈Si相;中、高功率下(2300~2700 W)形成θ‑Fe(Al,Si)₃+τ₅‑Al₇.₂Fe₁.₈Si双相IMC层;IMC层厚度随功率升高不断增大,最高达4.5 μm。

3.力学性能与断裂行为:接头单位长度断裂载荷随激光功率升高呈先上升后下降的变化趋势,2300 W时取得峰值241.8 N/mm,对应IMCs厚度约2 μm,为性能最优区间。拉伸与疲劳载荷下接头均沿脆性IMC界面发生脆性断裂;中等功率下薄且均匀的IMC层可降低应力集中,接头疲劳性能显著优于高功率条件。界面硬度随IMC层增厚而升高。

4.界面相形成热力学机制:τ₅‑Al₇.₂Fe₁.₈Si因吉布斯自由能更低优先形核析出;热输入进一步提升后,Fe原子扩散穿过τ₅相层发生二次反应,生成θ‑Fe(Al,Si)₃相。Fe、Al、Si原子扩散行为和体系吉布斯自由能共同决定界面IMC的析出顺序与生长过程。

本文来自“材料科学与工程”公众号,感谢论文作者团队支持。

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