激光焊接机的动力电池异种焊接研究（二）

钢-铝

铝和钢激光焊接的主要问题是脆性金属之间形成键。这些金属间化合物的存在会降低延展性并影响疲劳性能。可以看出，高铁金属间化合物的硬度远低于高铝金属间化合物的硬度。最佳的发热、焊池几何形状调整、冷却速率和凝固参数可防止形成最有害的金属间化合物并提高焊缝强度。

高激光功率具有不利影响，并导致更多的飞溅和金属间化合物的形成。由于这些金属之间形成了材料，在焊缝金属和焊缝/铝界面中观察到裂纹扩展。脉冲持续时间的延长具有类似的效果，因为增加的热量产生导致大量金属间化合物的形成。另一方面，将脉冲持续时间降低到临界水平以下会导致聚变失败。由于金属间化合物浓度低、表面质量高且连续界面中没有可见的缺陷，高焊接速度还会导致界面处缺乏界面，并降低强焊缝工艺参数的最佳结合强度值层。其中包括1430W的峰值功率、5ms的脉冲持续时间和4mm/s的焊接速度。

FeAl3和Fe2Al5等金属间相的形成并不是影响焊缝强度和韧性的唯一因素，尤其是当焊缝厚度小于10 µm时。收缩和附着力差会降低连接强度。还必须考虑焊缝的整体几何形状。钢/焊缝的长度与机械强度成正比。 Indhu 等人。使用高功率脉冲二极管激光器将 3mm 厚的 AA6061 铝合金熔化成 2.5mm 厚的 DP600 两相钢。他们报告了在焊接区形成了富铝金属间化合物，包括 Fe2Al5 和 FeAl3。 4 kW 激光功率、5 mm/s 扫描速度、10 ms 脉冲持续时间以降低金属间化合物的厚度。在这种情况下，观察到最大金属对金属厚度为 7 µm，最小厚度为 1.03 µm。

焊缝的强度随着金属之间的结合厚度的减小而增加。他们声称更高的焊接速度和更导电的背板可以减少金属间化合物层的厚度，从而提高焊接强度。他们使用了三种不同的枕头；钛、中碳钢 (S45C) 和铜。铜基块由于其较高的导电性而具有更好的性能，由于其更快的凝固速度可防止金属间化合物的形成。

与铝背板相比，铜背板焊缝具有更薄的金属间化合物，从而提高了机械性能。杨等人。比较了连续和脉冲双光束 YAG 激光器与单光束。连续波加热材料并形成熔池，而脉动波将熔体带入熔池。使用这种方法，金属之间的结合层的厚度减少到小于 10 µm。同时，减少了孔隙或空隙的形成，从而允许更深的渗透。此外，脉冲波会产生根状结构，从而增加焊缝的强度。双光束激光焊接样品的剪切强度达到128 MPa，而单光束激光焊接的样品剪切强度为71 MPa。杨等人。试图使用外部磁场改善钢/铝焊缝的微观结构和性能。显示富含铝的Fe2Al5、FeAl3、Al192.4Fe46.22和少量富含铁的FeAl和Fe3Al。添加磁场可以改变铁金属间化合物的含量，提高结合强度，降低热裂敏感性。

腐蚀导致的接头强度降低是铝和钢接头的一个已知问题。 Vloka 等人研究了 AA6016 钢和热浸镀锌激光垫片 (DX56D + Z) 的耐腐蚀性。他们使用加速盐雾腐蚀测试和微电子测量。两项测试都表明，垫圈区域最容易受到腐蚀。降解程度取决于相邻金属的阴极行为。由于强阴极行为，金属间铁化合物的存在会增加腐蚀。 Takehisa 等人 [86] 通过在空气、蒸馏水和盐水中进行浸泡试验，研究了低碳钢和 AA1100 激光焊接的电偶腐蚀。结果表明，盐水中的电偶腐蚀比蒸馏水中的强。

将铝焊接到钢上的一种相对较新的方法是使用各种涂层和夹层来控制金属间键的形成，以提高机械性能。已发现过渡金属如Mn、Zr、Sn、Ni和Zn可以抑制Fe-Al冶金反应。最初，含有大量铝的金属间化合物Fe2Al5和FeAl3形成Fe2Al5Zn0.4，之后锌原子扩散到Fe-Al相中并取代Fe原子。 Che 等人研究了镍膜中间层在不锈钢 A5052 和 201 的激光焊接中的作用。在熔融区和铝之间有一个清晰可见的金属间化合物层，大约 20 µm 厚。金属间化合物层可分为两个独立的层：FeAl3和Al0.9Ni1.1。这表明镍膜改变了金属间化合物的组成。其他元素，例如铬和锰，作为溶解元素存在于金属间化合物中，可以产生有益的影响。

作者认为，由于铝在 α-Fe 中具有一定的溶解度，因此当将铝作为溶质添加到钢水中时，在熔化区不会观察到金属间化合物。铝的熔深对焊缝的力学性能有显着影响。最初，抗拉强度随着焊缝的熔深增加到 300 µm 而增加，但随着熔深的增加，由于形成了具有更高铝含量的更脆的金属间化合物，抗拉强度开始下降。样品表明，随着金属间化合物层显微硬度的降低，镍膜增加了抗拉强度。在另一项研究中，Chen 等人。铜层对 Q235 低碳钢和 5052 铝合金差分激光焊接的影响。 Fe-Al界面主要由α-Al共晶结构和金属化合物Al2Cu、FeAl、FeAl2组成，即Al-Cu、Fe2Al5和FeAl3。 Al-Cu界面主要由共晶相Al2Cu和亚稳态金属间化合物Al-Cu相组成。他们得出的结论是，添加中间铜层可以提高冶金性能，但 Al2Cu 金属间化合物的形成会对机械性能产生负面影响，需要进一步研究。他们还比较了单光束和双光束激光器的效果。已经发现，双光束激光器可以实现更好的工艺稳定性和更宽的焊缝宽度，从而提高抗拉强度。

周等人。比较了在 DC5D + ZF 镀锌钢和 6016 铝合金激光焊接中使用铅和铜垫片。铜和铅垫片增加了接头的抗拉强度和抗拉强度。然而，引线的抗拉强度为 73.51 MPa，键合伸长率为 2.37%，而铜的抗拉强度为 49.44 MPa，伸长率为 1.3%，优于铜垫片。可以注意到，由于得到的 FeSn 相类似于 Mg2Pb 并且比 FeAl 更稳定，因此最好的结果是使用 Sn (62.17 MPa)。杨等人。他们比较了纯铝、铝硅合金和锌铝合金之间的层数。硅设法阻止反应层的生长。通过减少反应层来提高断裂载荷。当金属填充锌和铝时，反应层的厚度增加到 38 µm。与纯铝相比，较低的显微硬度增加了断裂载荷。