《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

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。

近期学术会议推荐

欢迎留言，分享观点。点亮❤