异种金属（不锈钢- 铝合金）激光焊接界面金属间化合物控制策略

一、引言

随着现代工业的快速发展，对材料性能的要求日益多样化。不锈钢具有高强度、良好的耐腐蚀性和高温性能；铝合金则以其低密度、高比强度和良好的加工性能著称。将不锈钢与铝合金进行焊接，能够实现两种材料优势互补，在航空航天、汽车制造、轨道交通等领域展现出巨大的应用潜力。然而，由于不锈钢和铝合金在物理化学性质上存在显著差异，如熔点、热膨胀系数、导热率以及晶体结构等，在激光焊接过程中，焊接界面极易形成金属间化合物（Intermetallic Compounds，IMCs）。这些 IMCs 通常具有高硬度、低韧性和脆性，严重降低焊接接头的力学性能，成为制约不锈钢 - 铝合金激光焊接广泛应用的关键问题。因此，深入研究激光焊接界面 IMCs 的控制策略，对于提高焊接接头质量和性能，推动不锈钢 - 铝合金焊接结构在各领域的应用具有重要的现实意义。

二、不锈钢 - 铝合金激光焊接界面金属间化合物的形成机制

2.1 冶金反应过程

在激光焊接过程中，高能激光束使不锈钢和铝合金迅速熔化，形成熔池。由于两种金属的原子具有不同的化学活性和扩散能力，在熔池凝固过程中，原子会发生相互扩散。铝原子相对活泼，更容易向不锈钢一侧扩散，而铁原子也会向铝合金一侧扩散。当扩散达到一定程度时，在焊接界面就会发生一系列复杂的冶金反应，形成多种类型的金属间化合物。

2.2 影响因素

• 温度：温度是影响 IMCs 形成的关键因素之一。较高的焊接温度会加快原子的扩散速度，促进冶金反应的进行，从而导致 IMCs 的生长速度加快，厚度增加。

• 焊接时间：焊接时间也是影响 IMCs 生长的重要因素。在高温下，原子的扩散需要一定的时间来完成冶金反应。随着焊接时间的延长，原子扩散更加充分，IMCs 的生长也会更加明显。

• 合金元素：不锈钢和铝合金中的合金元素对 IMCs 的形成和生长具有重要影响。例如，不锈钢中的铬（Cr）、镍（Ni）等元素可以提高其耐腐蚀性和强度，但也可能影响铁原子与铝原子之间的扩散和反应。铝合金中的硅（Si）、镁（Mg）等元素则可以改善铝合金的铸造性能和机械性能，同时也会对 IMCs 的形成产生影响。

三、金属间化合物对焊接接头性能的影响

3.1 力学性能

• 强度与硬度：IMCs 通常具有较高的硬度和强度，但同时也具有极低的韧性。当焊接接头中形成大量 IMCs 时，接头的整体硬度会显著提高，这在一定程度上可能会影响接头的后续加工性能。

• 疲劳性能：焊接接头的疲劳性能是衡量其在交变载荷下可靠性的重要指标。IMCs 的存在会破坏焊接接头的组织结构均匀性，在 IMCs 与基体金属的界面处容易产生应力集中。

3.2 耐腐蚀性

IMCs 的化学成分和晶体结构与不锈钢和铝合金基体不同，其电化学性质也存在差异。在腐蚀环境中，IMCs 与基体金属之间容易形成微电池，引发电偶腐蚀。IMCs 的耐腐蚀性往往较差，容易被腐蚀介质侵蚀，导致焊接接头的腐蚀速率加快，降低焊接结构的耐腐蚀性能。

四、控制策略

4.1 焊接工艺参数优化

• 激光功率：合理调整激光功率可以有效控制焊接过程中的热输入。较低的激光功率可以减少焊接界面的温度，降低原子的扩散速率，从而抑制 IMCs的形成。但激光功率过低可能导致焊接不充分，出现未熔合等缺陷。因此，需要通过试验和模拟，确定在保证焊接质量的前提下，能够有效控制 IMCs 形成的最佳激光功率范围。

• 焊接速度：提高焊接速度可以缩短焊接时间，减少原子扩散和冶金反应的时间，从而抑制 IMCs 的生长。同时，较快的焊接速度还可以使焊接过程中的热影响区减小，降低对基体金属性能的影响。然而，焊接速度过快可能会导致焊缝成型不良，出现气孔、咬边等缺陷。因此，需要在保证焊缝质量的前提下，选择合适的焊接速度。

4.2 添加中间层

• 金属中间层：在不锈钢和铝合金之间添加合适的金属中间层是一种有效的控制 IMCs 形成的方法。金属中间层可以选择与不锈钢和铝合金都具有良好相容性的材料，如铜（Cu）、镍（Ni）等。中间层的作用主要有两个方面：一是作为过渡层，减缓原子的扩散速度，降低冶金反应的剧烈程度；二是通过中间层与不锈钢和铝合金之间的冶金反应，形成相对韧性较好的界面结构，减少脆性 IMCs 的形成。

• 复合材料中间层：除了金属中间层外，复合材料中间层也逐渐受到关注。

复合材料中间层通常由多种材料组成，具有独特的性能和结构。例如，采用金属基复合材料作为中间层，其中的增强相可以阻碍原子的扩散，进一步抑制IMCs 的生长。

4.3 复合焊接技术

• 激光 - 电弧复合焊接：激光 - 电弧复合焊接结合了激光焊接和电弧焊接的优点，能够更有效地控制焊接过程中的热输入和熔池行为。在激光 - 电弧复合焊接中，激光束提供高能热源，使焊件迅速熔化形成小孔，电弧则在小孔周围提供辅助热源，增加熔池的宽度和深度。通过合理调节激光和电弧的能量比例以及两者之间的相互作用，可以优化焊接过程中的温度场和流场分布，减少IMCs 的形成。

• 激光辅助搅拌摩擦焊接：激光辅助搅拌摩擦焊接是将激光预热与搅拌摩擦焊接相结合的一种新型焊接技术。在焊接过程中，先利用激光对焊件进行预热，降低焊件的硬度和变形抗力，然后通过搅拌头的旋转和移动，使焊件在塑性状态下实现连接。激光预热可以减小搅拌摩擦焊接过程中的摩擦力和扭矩，降低焊接温度，从而抑制IMCs 的形成。

五、结论

不锈钢 - 铝合金激光焊接在现代工业中具有广阔的应用前景，但焊接界面金属间化合物的形成严重影响了焊接接头的性能。通过深入研究 IMCs 的形成机制，明确了温度、焊接时间、合金元素等因素对其形成的影响规律。IMCs 的存在对焊接接头的力学性能和耐腐蚀性产生了不利影响，降低了焊接结构的可靠性和使用寿命。为了有效控制 IMCs 的形成，提高焊接接头的性能，本文提出了一系列控制策略，包括焊接工艺参数优化、添加中间层、复合焊接技术以及微观组织调控等。这些策略各有特点和优势，在实际应用中可以根据具体的焊接要求和条件进行选择和组合。通过合理运用这些控制策略，有望实现不锈钢 - 铝合金激光焊接接头质量和性能的显著提升，推动其在航空航天、汽车制造、轨道交通等领域的广泛应用。未来，随着材料科学、焊接技术和计算机模拟技术的不断发展，不锈钢 - 铝合金激光焊接界面金属间化合物的控制研究将不断深入，为异种金属焊接技术的发展提供更坚实的理论基础和技术支持。

参考文献

[1] 李华 , 王伟 , 等 . 不锈钢 - 铝合金激光焊接接头组织与性能研究 [J]. 焊接学报 , 2023, 44(5): 15 - 20.

[2] 赵强, 孙明, 等. 激光 - 电弧复合焊接不锈钢 - 铝合金接头性能及组织分析 [J]. 中国激光 , 2023, 50(12): 1202006.