近日，中國科學院上海光學精密機械研究所高端光電裝備部激光智能制造研發中心楊上陸研究員團隊，在汽車用鑄鋁與超高強鋼異質合金的高強度鉚-焊連接技術領域取得新突破。繼2021年創新發明“主動誘導鋁飛濺激勵緊固件穿刺技術”后，團隊于近兩年進一步開發了新型緊固件結構，成功實現了高速排鋁、緊固件穿刺與焊接過程的協同控制，并深入揭示了排鋁與穿刺機理。新的研究成果以“Microstructural evolution and thermomechanical coupling mechanisms during aluminum-steel joint formation using active-expulsion assisted resistance spot welding”為題，發表于Journal of Materials Processing Technology。
 

　　采用一體化壓鑄鋁合金與超高強鋼制造混合車身，可同時滿足輕量化與安全性的要求，已成為當前汽車制造的主流趨勢。然而，鋁與鋼之間的物理和化學性能差異巨大，導致傳統焊接時極易在鋁/鋼界面形成脆性相，難以滿足接頭性能需求。此外使用機械連接方法也面臨挑戰：壓鑄鋁延伸率低，超高強鋼的強度和硬度高，使得緊固件難以有效穿刺鋼體并與低延伸率鋁材形成可靠接頭。
 

　　針對上述挑戰，本研究基于團隊開發的“主動誘導鋁飛濺激勵緊固件穿刺技術”，以功能需求和焊點成型特性為導向，創新設計和發明了一種新型緊固件結構(具體焊接裝置及工藝示意圖見圖1)，最終形成高強度焊點。結合高速攝影與顯微分析技術，深入研究了高電流飛濺脈沖在排鋁與穿刺過程中的作用機制。結果表明：瞬時輸入的飛濺脈沖選擇性地熔化焊點區域的鋁合金，在熔融鋁自身膨脹與電極壓力的協同作用下，促成了液態鋁的受控高速排出。這種主動誘導界面鋁材快速排出的方式，使電極得以驅動緊固件高速穿透鋁層，與鋼工件建立無殘留鋁的潔凈接觸界面。該排鋁與穿刺策略，為在緊固件與鋼之間形成免受脆性相危害的連接奠定了關鍵基礎，從而實現了鑄鋁/超高強鋼異種金屬的高強度連接。本工作為鋁/鋼等異質材料連接提供了一種創新工藝與方法，具有重要的工業應用價值。
 

圖1 焊接設備和工藝：(a)焊接裝備；(b)焊接工藝。
 

　　圖2 .高速攝影拍攝的緊固件軸部穿刺鋁板過程：(a-c)和(d-f)分別顯示了第一和第二飛濺脈沖作用下的焊接點表面形貌；(g-i)和(j-l)分別展示了與第一和第二飛濺脈沖作用下的焊接點橫截面形貌。
 

　　圖3 液態鋁排出、軸部穿透動力學及焊縫形成的多階段成型機制示意圖：(a)雙向壓縮作用下的鋁定向排出；(b)軸端部與弧形鋼表面的漸進接觸過程；(c)軸部與鋼的界面特征；(d)軸部與鋼接觸區域的界面熔化；(e)熔融鋁與軸側表面之間的冶金反應；(f)最終焊縫形態及其熱傳遞路徑。