铝钢异种金属焊接研究现状

陈大林

(兰州石化职业技术学院 机械工程学院，甘肃 兰州730060)

随着经济社会的发展，石油消耗与日俱增，引发全球温室效应、臭氧层破坏、酸雨现象等。“绿色环保，节能减排”无疑已经成为我国经济发展的新方向。汽车轻量化，降低燃油消耗无疑是汽车制造商急需解决的难题[1]。铝及其合金具有密度小、比强度高、能显著降低结构的重量，而钢铁合金具有强度高，塑韧性较好、价格便宜、可加工性好的特性，广泛应用于机械加工制造。因此，采用“铝+钢”复合结构可以充分发挥铝钢各自优势，提高结构强度，减轻结构质量，是实现汽车轻量化的有效途径之一[2-5]。

因两金属在热导率、线膨胀系数相差较大(表1)，焊接过程中极易产生温度不均和膨胀不一致，导致焊后接头存在较大的残余应力，极易产生焊接裂纹等缺陷；钢的熔点1538 ℃，铝的熔点660 ℃，较大的熔点差使铝钢焊接时当铝完全熔化时钢很可能仍处于固态，加上铝钢的密度差为2.9倍，焊缝难以有效熔合、且存在成分不均匀现象；由(图1)Fe-Al二元相图可知，铁铝几乎不互溶(在 225 ～ 600 ℃，铁在铝中的固溶极限为0.01%-0.022%)，在焊接熔池冷却过程中随着铁的含量增加，会形成 Fe2Al7、FeAl3、Fe2Al5、FeAl2、FeAl等一系列脆硬的金属化合物，严重影响焊接接头力学性能。

表1 铝/钢的物理参数

图1 Fe-Al二元相图

近几年来，国内外研究者对铝钢焊接问题的研究几乎涉及焊接各个领域，根据焊接外加能量种类不同和工艺特点差异，可将铝钢焊接分为熔钎焊、压焊和钎焊。本文重点研究论述熔钎焊、压焊和钎焊方法在铝钢异种金属焊接中研究现状，归纳分析不同焊接方法方法的特点及应用，为后续铝钢焊接研究提供理论参考。

1 熔钎焊

熔钎焊是将焊接热源置于低熔点母材(铝)侧使其熔化，高熔点(钢)母材侧不熔化，并依靠低熔点母材的熔化形成液态熔池，铺展润湿高熔点母材并形成原子间的结合，进而实现两母材的有效连接。根据使用的热源种类不同，可分为： CMT熔钎焊、MIG熔钎焊、TIG熔钎焊、激光熔钎焊、激光-电弧复合熔钎焊、电子束熔钎焊等。

CMT(冷金属过渡)焊是由Fronius公司开发的一种新型焊接技术。其原理为在熔滴短路过渡时，借助于焊丝迅速回抽使熔滴过渡熔池中的焊接技术。与传统的电弧焊相比，CMT焊具有焊接热输入较小、焊缝成型好、无飞溅及焊后变形小等优点。因此，被广泛应用于钢铝异种金属薄板焊接[6-8]。Lin[9]等采用ER4043型焊丝对6061铝合金(2mm)和低碳钢(0.7mm)进行 CMT焊接试验。结果表明：焊缝外观成型良好，但熔融铝侧存在部分气孔和未熔合等焊接缺陷，降低了接头力学性能。曹睿等[10]采用CMT熔钎焊对铝合金与镀锌钢薄板搭接件进行了焊接，利用正交试验方法分析焊接工艺参数、镀锌层厚度以及焊丝成分对焊缝外观成形和力学性能的影响。研究发现Si和Zn较好促进熔化的铝液在钢板表面润湿铺展，在理想的工艺参数下，可得到良好的焊接接头。邵峰等[11]选用ER4303焊丝为填充金属，利用CMT熔钎焊将6061铝合金与304不锈钢进行焊接试验，研究不同焊接速度对接头界面金属化合物层的物相组成及其抗拉强度影响．结果表明：合理焊接工艺参数能够得到组织良好均匀焊缝，且当焊接速度为420mm/min时，焊缝表面成型最好；接头界面形成一定厚度的铝钢化合物层，主要成分为FeAl3和 Fe2Al5；接头的抗拉强度为40MPa，焊接接头断口呈脆性断裂。

传统熔焊方法具有焊接效率高、操作灵活，应用广泛等特点，对于铝钢异种金属选用熔焊很难得到可靠性高的焊接接头。异种金属焊接时，可通过控制焊接热输入和电弧位置，实现低熔点金属的熔焊和高熔点金属的钎焊，从而实现异种金属的焊接。宋洋等[12]在不同工艺参数下采用Al-12wt%Si药芯焊丝进行纯铝与304不锈钢TIG熔钎焊试验。结果表明：当焊接电流为50A，焊接速度为1mm/s时，实现纯铝与304不锈钢有效连接，接头抗拉强度为92MPa，为铝母材强度的73%。李杰等[13]采用MIG焊对5052铝合金与Q235镀锌钢板进行熔钎焊试验。焊接工艺参数如下：焊接材料分别为 Al-5wt.%Si、Al-5wt.%Mg铝合金焊丝，Ar为保护气，流量为 15 L/min，焊接速度0.8m/min，焊接电流为60 A。实验表明，焊缝中Si元素能减小铝/钢界面反应层Fe2Al5金属化合物的厚度，且改变界面反应层Fe2Al5和FeAl3的形态分布；Fe2Al5金属化合物中Si元素富集明显，焊缝金属中的少量Si元素与Al、Fe原子形成三元Al-Fe-Si金属化合物。

激光焊接具有焊接速度快、能量密度高、热输入小、焊接变形小、可焊金属范围广、与其他焊接方法兼容性强等优点。Dharmendra等[14]采用Nd∶YAG激光器对6016铝合金与DP600镀锌钢进行激光熔钎焊试验，以锌基Zn-15%Al作为钎料，获得良好熔钎焊接头，钎料送进速度明显影响接头强度，合理的钎料送进速度和金属间化合物层厚度决定焊接接头力学性能。张冬云等[15]采用板条二氧化碳激光器对1 mm厚的DC06钢板与2mm厚60612T6铝合金进行搭接接头熔钎焊试验，当焊接能量密度为2.16×106W/cm2、送丝速度6m/min 、焊接速度2 m/min的低能量密度焊接时，得得的接头最大剪切力为2.99 kN，若能量密度为 2.95×106W/cm2、送丝速度9 m/min、焊接速度3 m/min的高能量密度焊接时，获得的接头最大剪切力为2.18kN，为低能量密度的72.9%。

激光-电弧复合焊是综合激光、电弧各自优势而发展的一种新型焊接技术，具有焊接效率高，装配要求低，焊接质量高等优点，在汽车轻量化领域有着广泛的应用前景。马骁[16]采用激光-MIG电弧复合焊方法对6061铝合金和超高强钢进行熔钎焊试验，结果表明：Cu层的加入可抑制Fe-Al金属间化合物的生长，Cu原子代替Fe-Al金属间化合物中的部分Fe原子，降低了Fe-Al金属化合物的脆性，比未填加Cu的焊接接头抗拉强度提高了约110%；加入Ni层也可抑制Fe-Al金属间化合物的生长，但Ni对硬脆金属间化合物无明显改善，添加Ni与未加Ni的焊接接头抗拉强度提高15%左右。

图2 激光-MIG复合焊对接示意图

2 压焊

压焊是采用加压方式使所焊材料发生塑性变形达到原子间结合的连接，属于固相焊。压焊最明显的特征：焊接热输入低，焊接变形小，焊接材料很少熔化或不熔化，因此，对减少Fe-Al金属化合物的生成十分有利。常用压焊方法有搅拌摩擦焊、扩散焊、电阻点焊、爆炸焊等。

搅拌摩擦焊属于固相焊的一种，通过调节焊接速度、搅拌头转速、摩擦时间可有效控制焊接热输入，进而能有效控制铝钢金属化合物的厚度，以便获得高质量焊接接头。T．Watanabe等[17]采用FSW对A5083铝合金/SS400中碳钢进行连接，通过分析在对接接头中观察到少量FeAl与FeAl3金属化合物，焊接接头抗拉强度为铝母材强度的86%，同时指出过厚的金属化合物严重制约接头的力学性能。Lan Shuhuai等[18]研究FSW工艺参数对6061铝合金/TRIP780钢对接接头反应层金属化合物分布的影响，研究表明：较高的转速、较小偏置量促进金属化合物层增厚，原因：较高的转速使界面温度上升，从而使合金元素扩散能力增强，为金属化合物的形核与长大提供条件；较小的偏置量促使更多的钢屑进入搅拌区，更多的 Fe 原子能够参与冶金反应。而界面处金属化合物随着焊接速度的增大而减少。因此，通过调整工艺参数控制界面处焊接热输入，可获得高质量焊接接头。

扩散焊是在加热-加压共同作用下实现的一种连接方式，尤其适用于异种金属材料的焊接。刘敏等[19]采用真空扩散焊对1LD10铝与0Cr20Ni24Si4Ti不锈钢进行真空扩散连接。当焊接温度为540 ℃，焊接压力12MPa及合适的保温时间，能够实现两种材料有效连接，结合界面 Fe、Al、Cu等元素的扩散均匀，焊合率>95%；端口撕裂在铝侧，抗剪强度80～100MPa。张传慧[20]采用焊接温度490 ℃～540 ℃，保温时间为100min，焊接压力5MPa对7075铝合金和不锈钢进行真空扩散焊。结果发现：扩散层厚度随着焊接温度升高而增加，当温度550 ℃时扩散层出现焊接裂纹；在7075铝合金与不锈钢钢界面处生成Fe2Al5和 Fe4Al13金属间化合物；随焊接温度增加接头抗剪强度先增加后减小，最大值为54MPa。

电阻点焊是加热-加压联合作用的焊接过程，具有大电流、短时间、加压状态下施焊的特点。因其效率高，成本低而被广泛应用于汽车、电子、航空等重要工业领域。在电阻点焊焊接钢铝异种金属的研究中，焊接参数对焊接质量的影响是往往成为研究的重点内容。徐峥[21]以6008-T66铝合金与H220YD钢板进行电阻点焊试验，研究焊接时间对焊接接头显微组织和力学性能的影响，并分析了焊接时间的作用机理。研究表明，当焊接时间从50 ms增大至400 ms过程中，接头中6008-T66铝合金侧的压痕深度缓慢增加，而熔核直径逐渐增大，焊缝中心处的金属间化合物的厚度也随之增大接头的拉剪强度随着焊接时间的增加先增加后减小，在焊接时间为300ms时取得最大值。张昌青等[22]采用铝硅钎料对纯铝板1060与SGCC镀锌钢板进行电阻点钎焊搭接试验。试验采用正交优化分析焊接电流、焊接时间和电极压力3个工艺参数对接头质量的影响。研究发现：铝硅钎料对母材润湿良好，焊后焊缝接头界面处产生有双层结构且厚度不等的金属间化合物，厚度小于10μm；当焊接电流为7.8kA时，接头抗剪载荷约为4.72kN达到最大值；与电阻点焊相比，在同一工艺参数下，电阻点钎焊接头的抗拉剪载荷更高；接头断裂大部分发生在靠近铝板侧热影响区处而不在焊点处，证明电阻点钎焊接头质量良好，但由于铝侧界面局部存在“未焊合”缺陷，焊缝界面会产生拉应力作用下易产生裂纹。

黄杏利等[23,24]用爆炸焊分别以1060纯铝、1060纯铝/钛板TA1作为中间过渡层对5083 铝合金板和CCS-B船用钢板进行爆炸焊接试验。研究表明：采用爆炸焊无论是以1060纯铝还是1060纯铝/钛板TA1作为中间过渡层制备出的复合板质量较好，结合率均达到100%；力学性能均满足使用要求；接头界面有塑性变形产生，无明显的金属间化合物生成。

3 钎焊

钎焊通过加热使固态钎料熔化润湿母材，液态钎料利用毛细作用填充接头间隙实现连接，是一种钎料熔化而母材不熔化的焊接方法。具有操作方便、设备简单、生产率高、焊接应力变小、适用范围广泛等优点，尤其适用于板板大面积之间的面连接[25]。在铝钢异种钎焊中，可通过控制钎料成分、调整钎焊工艺参数来控制Fe-Al金属间化合物的厚度，从而得到良好的钎焊接头。

杨金龙[26]自配Zn-xAl钎料配合自制改进型CsF-RbF-AlF3钎剂，实现6061铝合金与304不锈钢火焰钎焊连接。研究表明：采用火焰钎焊，Zn-xAl钎料配合改进型CsF-RbF-AlF3钎剂，在6061铝合金和304不锈钢表面润湿、铺展性能较好；接头界面金属间化合物主要是 Fe4Al13， 随着钎料中Al元素含量增多，界面先后出现富锌相、Fe-Al金属间化合物；随着Zn-xAl钎料中Al元素含量增加，钎焊接头抗剪强度先增加后下降，Al元素为15%时，接头抗剪强度达到最大值130MPa。王继明[27]采用真空钎焊选用Al-7Si-20Cu钎料无钎剂条件下对1060铝合金与Q235钢进行连接实验，研究表明: 在 570℃温度下保温5 min 时，Q235钢表面镀Ni后改善钢侧界面的显微组织，Ni层的存在可抑制Fe-Al金属间化合物的生成，钢侧界面生成Ni2Al3与NiAl3金属化合物层，接头力学性能明显提高；随着钎焊保温时间延长，Ni2Al3层逐渐变薄，而NiAl3层变厚，接头的剪切强度略有提高；进一步提高钎焊时间，则Ni层消失，再次出现 Fe- Al金属间化合物层，接头抗剪强度下降。王国伟[28]采用金属离子注入技术在不锈钢表面制备铝层作为过渡层，并采用AlSi钎料对注铝后的不锈钢与工业纯铝进行炉中钎焊。研究表明：不锈钢的表面注入铝离子后，钎料的润湿性得以明显改善，注入剂量、注入电压升高可明显提高钎料润湿性。铝注入剂量和注入电压的越大，金属化合物层厚度越薄，接头抗剪强度则越高。但钎焊温度的提高和保温时间的延长,会导致金属化合物层越厚，接头抗剪强度越低。

4 展望

近年来，随着国内外学者对铝钢异种金属焊接研究不断推进，铝钢异种金属焊接技术日趋成熟，所涉及到的焊接方法较为广泛。在实际应用过程中，可根据各自焊接方法的特点，扬长避短，“享用”好现有的研究成果。

同时，建议今后铝钢异种金属焊接性研究中，控制焊缝金属的化学成分是重中之重，它从本质上决定焊缝金属化合物种类、厚度，焊缝耐蚀性、力学性能等。也是实现母材“等强匹配”最根本的措施之一。焊接时，严格控制钢铝金属间化合物层厚度可有效改善其焊接性，其主要措施有调整工艺参数和方法，严格限制焊接热输入，保证金属化合物厚度不超标；选择合适焊接材料，考虑添加与钢铝两种元素互溶性和化学亲和力较好的元素作为即中间过渡层或表面改性层，从而降低铝钢本身强度梯度差，更好的实现两种材料的连接。