鋁鋼異種金屬焊接研究現狀

陳大林

(蘭州石化職業技術學院 機械工程學院，甘肅 蘭州730060)

隨著經濟社會的發展，石油消耗與日俱增，引發全球溫室效應、臭氧層破壞、酸雨現象等?！熬G色環保，節能減排”無疑已經成為我國經濟發展的新方向。汽車輕量化，降低燃油消耗無疑是汽車制造商急需解決的難題[1]。鋁及其合金具有密度小、比強度高、能顯著降低結構的重量，而鋼鐵合金具有強度高，塑韌性較好、價格便宜、可加工性好的特性，廣泛應用于機械加工制造。因此，采用“鋁+鋼”復合結構可以充分發揮鋁鋼各自優勢，提高結構強度，減輕結構質量，是實現汽車輕量化的有效途徑之一[2-5]。

因兩金屬在熱導率、線膨脹系數相差較大(表1)，焊接過程中極易產生溫度不均和膨脹不一致，導致焊后接頭存在較大的殘余應力，極易產生焊接裂紋等缺陷；鋼的熔點1538 ℃，鋁的熔點660 ℃，較大的熔點差使鋁鋼焊接時當鋁完全熔化時鋼很可能仍處于固態，加上鋁鋼的密度差為2.9倍，焊縫難以有效熔合、且存在成分不均勻現象；由(圖1)Fe-Al二元相圖可知，鐵鋁幾乎不互溶(在 225 ～ 600 ℃，鐵在鋁中的固溶極限為0.01%-0.022%)，在焊接熔池冷卻過程中隨著鐵的含量增加，會形成 Fe2Al7、FeAl3、Fe2Al5、FeAl2、FeAl等一系列脆硬的金屬化合物，嚴重影響焊接接頭力學性能。

表1 鋁/鋼的物理參數

圖1 Fe-Al二元相圖

近幾年來，國內外研究者對鋁鋼焊接問題的研究幾乎涉及焊接各個領域，根據焊接外加能量種類不同和工藝特點差異，可將鋁鋼焊接分為熔釬焊、壓焊和釬焊。本文重點研究論述熔釬焊、壓焊和釬焊方法在鋁鋼異種金屬焊接中研究現狀，歸納分析不同焊接方法方法的特點及應用，為后續鋁鋼焊接研究提供理論參考。

1 熔釬焊

熔釬焊是將焊接熱源置于低熔點母材(鋁)側使其熔化，高熔點(鋼)母材側不熔化，并依靠低熔點母材的熔化形成液態熔池，鋪展潤濕高熔點母材并形成原子間的結合，進而實現兩母材的有效連接。根據使用的熱源種類不同，可分為： CMT熔釬焊、MIG熔釬焊、TIG熔釬焊、激光熔釬焊、激光-電弧復合熔釬焊、電子束熔釬焊等。

CMT(冷金屬過渡)焊是由Fronius公司開發的一種新型焊接技術。其原理為在熔滴短路過渡時，借助于焊絲迅速回抽使熔滴過渡熔池中的焊接技術。與傳統的電弧焊相比，CMT焊具有焊接熱輸入較小、焊縫成型好、無飛濺及焊后變形小等優點。因此，被廣泛應用于鋼鋁異種金屬薄板焊接[6-8]。Lin[9]等采用ER4043型焊絲對6061鋁合金(2mm)和低碳鋼(0.7mm)進行 CMT焊接試驗。結果表明：焊縫外觀成型良好，但熔融鋁側存在部分氣孔和未熔合等焊接缺陷，降低了接頭力學性能。曹睿等[10]采用CMT熔釬焊對鋁合金與鍍鋅鋼薄板搭接件進行了焊接，利用正交試驗方法分析焊接工藝參數、鍍鋅層厚度以及焊絲成分對焊縫外觀成形和力學性能的影響。研究發現Si和Zn較好促進熔化的鋁液在鋼板表面潤濕鋪展，在理想的工藝參數下，可得到良好的焊接接頭。邵峰等[11]選用ER4303焊絲為填充金屬，利用CMT熔釬焊將6061鋁合金與304不銹鋼進行焊接試驗，研究不同焊接速度對接頭界面金屬化合物層的物相組成及其抗拉強度影響．結果表明：合理焊接工藝參數能夠得到組織良好均勻焊縫，且當焊接速度為420mm/min時，焊縫表面成型最好；接頭界面形成一定厚度的鋁鋼化合物層，主要成分為FeAl3和 Fe2Al5；接頭的抗拉強度為40MPa，焊接接頭斷口呈脆性斷裂。

傳統熔焊方法具有焊接效率高、操作靈活，應用廣泛等特點，對于鋁鋼異種金屬選用熔焊很難得到可靠性高的焊接接頭。異種金屬焊接時，可通過控制焊接熱輸入和電弧位置，實現低熔點金屬的熔焊和高熔點金屬的釬焊，從而實現異種金屬的焊接。宋洋等[12]在不同工藝參數下采用Al-12wt%Si藥芯焊絲進行純鋁與304不銹鋼TIG熔釬焊試驗。結果表明：當焊接電流為50A，焊接速度為1mm/s時，實現純鋁與304不銹鋼有效連接，接頭抗拉強度為92MPa，為鋁母材強度的73%。李杰等[13]采用MIG焊對5052鋁合金與Q235鍍鋅鋼板進行熔釬焊試驗。焊接工藝參數如下：焊接材料分別為 Al-5wt.%Si、Al-5wt.%Mg鋁合金焊絲，Ar為保護氣，流量為 15 L/min，焊接速度0.8m/min，焊接電流為60 A。實驗表明，焊縫中Si元素能減小鋁/鋼界面反應層Fe2Al5金屬化合物的厚度，且改變界面反應層Fe2Al5和FeAl3的形態分布；Fe2Al5金屬化合物中Si元素富集明顯，焊縫金屬中的少量Si元素與Al、Fe原子形成三元Al-Fe-Si金屬化合物。

激光焊接具有焊接速度快、能量密度高、熱輸入小、焊接變形小、可焊金屬范圍廣、與其他焊接方法兼容性強等優點。Dharmendra等[14]采用Nd∶YAG激光器對6016鋁合金與DP600鍍鋅鋼進行激光熔釬焊試驗，以鋅基Zn-15%Al作為釬料，獲得良好熔釬焊接頭，釬料送進速度明顯影響接頭強度，合理的釬料送進速度和金屬間化合物層厚度決定焊接接頭力學性能。張冬云等[15]采用板條二氧化碳激光器對1 mm厚的DC06鋼板與2mm厚60612T6鋁合金進行搭接接頭熔釬焊試驗，當焊接能量密度為2.16×106W/cm2、送絲速度6m/min 、焊接速度2 m/min的低能量密度焊接時，得得的接頭最大剪切力為2.99 kN，若能量密度為 2.95×106W/cm2、送絲速度9 m/min、焊接速度3 m/min的高能量密度焊接時，獲得的接頭最大剪切力為2.18kN，為低能量密度的72.9%。

激光-電弧復合焊是綜合激光、電弧各自優勢而發展的一種新型焊接技術，具有焊接效率高，裝配要求低，焊接質量高等優點，在汽車輕量化領域有著廣泛的應用前景。馬驍[16]采用激光-MIG電弧復合焊方法對6061鋁合金和超高強鋼進行熔釬焊試驗，結果表明：Cu層的加入可抑制Fe-Al金屬間化合物的生長，Cu原子代替Fe-Al金屬間化合物中的部分Fe原子，降低了Fe-Al金屬化合物的脆性，比未填加Cu的焊接接頭抗拉強度提高了約110%；加入Ni層也可抑制Fe-Al金屬間化合物的生長，但Ni對硬脆金屬間化合物無明顯改善，添加Ni與未加Ni的焊接接頭抗拉強度提高15%左右。

圖2 激光-MIG復合焊對接示意圖

2 壓焊

壓焊是采用加壓方式使所焊材料發生塑性變形達到原子間結合的連接，屬于固相焊。壓焊最明顯的特征：焊接熱輸入低，焊接變形小，焊接材料很少熔化或不熔化，因此，對減少Fe-Al金屬化合物的生成十分有利。常用壓焊方法有攪拌摩擦焊、擴散焊、電阻點焊、爆炸焊等。

攪拌摩擦焊屬于固相焊的一種，通過調節焊接速度、攪拌頭轉速、摩擦時間可有效控制焊接熱輸入，進而能有效控制鋁鋼金屬化合物的厚度，以便獲得高質量焊接接頭。T．Watanabe等[17]采用FSW對A5083鋁合金/SS400中碳鋼進行連接，通過分析在對接接頭中觀察到少量FeAl與FeAl3金屬化合物，焊接接頭抗拉強度為鋁母材強度的86%，同時指出過厚的金屬化合物嚴重制約接頭的力學性能。Lan Shuhuai等[18]研究FSW工藝參數對6061鋁合金/TRIP780鋼對接接頭反應層金屬化合物分布的影響，研究表明：較高的轉速、較小偏置量促進金屬化合物層增厚，原因：較高的轉速使界面溫度上升，從而使合金元素擴散能力增強，為金屬化合物的形核與長大提供條件；較小的偏置量促使更多的鋼屑進入攪拌區，更多的 Fe 原子能夠參與冶金反應。而界面處金屬化合物隨著焊接速度的增大而減少。因此，通過調整工藝參數控制界面處焊接熱輸入，可獲得高質量焊接接頭。

擴散焊是在加熱-加壓共同作用下實現的一種連接方式，尤其適用于異種金屬材料的焊接。劉敏等[19]采用真空擴散焊對1LD10鋁與0Cr20Ni24Si4Ti不銹鋼進行真空擴散連接。當焊接溫度為540 ℃，焊接壓力12MPa及合適的保溫時間，能夠實現兩種材料有效連接，結合界面 Fe、Al、Cu等元素的擴散均勻，焊合率>95%；端口撕裂在鋁側，抗剪強度80～100MPa。張傳慧[20]采用焊接溫度490 ℃～540 ℃，保溫時間為100min，焊接壓力5MPa對7075鋁合金和不銹鋼進行真空擴散焊。結果發現：擴散層厚度隨著焊接溫度升高而增加，當溫度550 ℃時擴散層出現焊接裂紋；在7075鋁合金與不銹鋼鋼界面處生成Fe2Al5和 Fe4Al13金屬間化合物；隨焊接溫度增加接頭抗剪強度先增加后減小，最大值為54MPa。

電阻點焊是加熱-加壓聯合作用的焊接過程，具有大電流、短時間、加壓狀態下施焊的特點。因其效率高，成本低而被廣泛應用于汽車、電子、航空等重要工業領域。在電阻點焊焊接鋼鋁異種金屬的研究中，焊接參數對焊接質量的影響是往往成為研究的重點內容。徐崢[21]以6008-T66鋁合金與H220YD鋼板進行電阻點焊試驗，研究焊接時間對焊接接頭顯微組織和力學性能的影響，并分析了焊接時間的作用機理。研究表明，當焊接時間從50 ms增大至400 ms過程中，接頭中6008-T66鋁合金側的壓痕深度緩慢增加，而熔核直徑逐漸增大，焊縫中心處的金屬間化合物的厚度也隨之增大接頭的拉剪強度隨著焊接時間的增加先增加后減小，在焊接時間為300ms時取得最大值。張昌青等[22]采用鋁硅釬料對純鋁板1060與SGCC鍍鋅鋼板進行電阻點釬焊搭接試驗。試驗采用正交優化分析焊接電流、焊接時間和電極壓力3個工藝參數對接頭質量的影響。研究發現：鋁硅釬料對母材潤濕良好，焊后焊縫接頭界面處產生有雙層結構且厚度不等的金屬間化合物，厚度小于10μm；當焊接電流為7.8kA時，接頭抗剪載荷約為4.72kN達到最大值；與電阻點焊相比，在同一工藝參數下，電阻點釬焊接頭的抗拉剪載荷更高；接頭斷裂大部分發生在靠近鋁板側熱影響區處而不在焊點處，證明電阻點釬焊接頭質量良好，但由于鋁側界面局部存在“未焊合”缺陷，焊縫界面會產生拉應力作用下易產生裂紋。

黃杏利等[23,24]用爆炸焊分別以1060純鋁、1060純鋁/鈦板TA1作為中間過渡層對5083 鋁合金板和CCS-B船用鋼板進行爆炸焊接試驗。研究表明：采用爆炸焊無論是以1060純鋁還是1060純鋁/鈦板TA1作為中間過渡層制備出的復合板質量較好，結合率均達到100%；力學性能均滿足使用要求；接頭界面有塑性變形產生，無明顯的金屬間化合物生成。

3 釬焊

釬焊通過加熱使固態釬料熔化潤濕母材，液態釬料利用毛細作用填充接頭間隙實現連接，是一種釬料熔化而母材不熔化的焊接方法。具有操作方便、設備簡單、生產率高、焊接應力變小、適用范圍廣泛等優點，尤其適用于板板大面積之間的面連接[25]。在鋁鋼異種釬焊中，可通過控制釬料成分、調整釬焊工藝參數來控制Fe-Al金屬間化合物的厚度，從而得到良好的釬焊接頭。

楊金龍[26]自配Zn-xAl釬料配合自制改進型CsF-RbF-AlF3釬劑，實現6061鋁合金與304不銹鋼火焰釬焊連接。研究表明：采用火焰釬焊，Zn-xAl釬料配合改進型CsF-RbF-AlF3釬劑，在6061鋁合金和304不銹鋼表面潤濕、鋪展性能較好；接頭界面金屬間化合物主要是 Fe4Al13， 隨著釬料中Al元素含量增多，界面先后出現富鋅相、Fe-Al金屬間化合物；隨著Zn-xAl釬料中Al元素含量增加，釬焊接頭抗剪強度先增加后下降，Al元素為15%時，接頭抗剪強度達到最大值130MPa。王繼明[27]采用真空釬焊選用Al-7Si-20Cu釬料無釬劑條件下對1060鋁合金與Q235鋼進行連接實驗，研究表明: 在 570℃溫度下保溫5 min 時，Q235鋼表面鍍Ni后改善鋼側界面的顯微組織，Ni層的存在可抑制Fe-Al金屬間化合物的生成，鋼側界面生成Ni2Al3與NiAl3金屬化合物層，接頭力學性能明顯提高；隨著釬焊保溫時間延長，Ni2Al3層逐漸變薄，而NiAl3層變厚，接頭的剪切強度略有提高；進一步提高釬焊時間，則Ni層消失，再次出現 Fe- Al金屬間化合物層，接頭抗剪強度下降。王國偉[28]采用金屬離子注入技術在不銹鋼表面制備鋁層作為過渡層，并采用AlSi釬料對注鋁后的不銹鋼與工業純鋁進行爐中釬焊。研究表明：不銹鋼的表面注入鋁離子后，釬料的潤濕性得以明顯改善，注入劑量、注入電壓升高可明顯提高釬料潤濕性。鋁注入劑量和注入電壓的越大，金屬化合物層厚度越薄，接頭抗剪強度則越高。但釬焊溫度的提高和保溫時間的延長,會導致金屬化合物層越厚，接頭抗剪強度越低。

4 展望

近年來，隨著國內外學者對鋁鋼異種金屬焊接研究不斷推進，鋁鋼異種金屬焊接技術日趨成熟，所涉及到的焊接方法較為廣泛。在實際應用過程中，可根據各自焊接方法的特點，揚長避短，“享用”好現有的研究成果。

同時，建議今后鋁鋼異種金屬焊接性研究中，控制焊縫金屬的化學成分是重中之重，它從本質上決定焊縫金屬化合物種類、厚度，焊縫耐蝕性、力學性能等。也是實現母材“等強匹配”最根本的措施之一。焊接時，嚴格控制鋼鋁金屬間化合物層厚度可有效改善其焊接性，其主要措施有調整工藝參數和方法，嚴格限制焊接熱輸入，保證金屬化合物厚度不超標；選擇合適焊接材料，考慮添加與鋼鋁兩種元素互溶性和化學親和力較好的元素作為即中間過渡層或表面改性層，從而降低鋁鋼本身強度梯度差，更好的實現兩種材料的連接。