铝钢异种金属焊接研究现状

铝钢异种金属焊接研究现状

刘阳杰

中国船级社实业公司深圳分公司 广东省深圳市 51807

摘要：随着经济和科技的快速发展，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。铝／钢异种金属焊接是制备铝／钢复合结构的关键加工制造工艺，常规的铆接、螺栓连接等机械连接方法虽然可以实现铝／钢的连接，但存在气密性差、减重效果差等缺点，因此难以满足航空航天等行业对铝／钢复合结构的要求，需要合适的焊接工艺实现铝／钢异种金属高强度、可靠连接。

关键词：铝／钢异种金属；旋转摩擦焊；焊接工艺

引言

铝和钢之间的焊接问题都是难点，但是铝及铝合金应用非常广泛，人们越来越关注铝与钢的连接问题。首先介绍了钢铝异种金属的焊接性问题，然后介绍了当前存在的集中焊接方式，各有利弊，有些焊接研究还不够深入，需要广大学者进一步努力，推动异种金属焊接技术的不断进步。

1铝／钢异种金属焊接性分析

铝与铁的物理性能差异较大，使得了铝／钢异种金属熔化焊接性很差：①铝的熔点和密度比钢低，这导致铝先比钢熔化，当钢熔化时，液态铝浮在钢表面，结晶后焊缝成分不均匀，难以获得高质量的接头；而且在焊接过程中，铝易氧化形成薄膜，使液态铝在钢表面的润湿能力降低，产生夹渣等缺陷，降低接头质量；②铝的热导率、线膨胀系数、弹性模量分别约为铁的３倍、２倍和０．３３倍，相差较大，会使接头严重变形，并在内部产生较大的残余应力，易产生裂纹。因此，铝／钢采用传统的熔化焊接时会产生大量脆硬的金属间化合物，难以获得优质的接头，但因铝／钢复合结构能够满足某些特定的使用要求，有着广泛的应用前景，引起了国内外研究者的广泛关注。摩擦焊作为一种固态连接工艺，热输入低，在异种材料连接方面有着其它焊接工艺难以取代的优势。近些年来，国内外学者针对铝／钢摩擦焊展开了较多的研究。

2铝／钢异种金属熔钎焊焊接

2.1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。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。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。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。

2.2电弧熔钎焊

电弧熔钎焊将电弧置于铝侧，低熔点铝合金熔化，钢不熔化，液态铝浸润固态钢表面浸润并铺展，铝／钢界面发生原子相互扩散、钢的少量溶解及冶金反应，实现铝／钢异种金属连接。焊接热输入对铝／钢接头组织及性能影响规律，发现钎焊界面厚度及硬度随热输入增大而增加，钎焊界面组织粗大，导致接头力学性能差。结果表明在合适的热输入条件下，接头强度能达到母材的８０％，断口表现为塑性断裂。

2.3电子束焊接

由于电子束焊接技术具有能量密度高，焊接速度快，焊接变形小，电子束易于控制，真空环境焊接等特点而成为焊接领域高度关注的研究热点。但是电子束直接对中焊接钢铝金属，焊接性极差。针对这一问题，研究人员通常采用电子束偏束焊接或在钢铝间增加异种材料的中间层等方法来改善焊接性。通过采用电子束偏钢侧焊接2.0mm厚纯铝1060及Q235钢发现，合适的偏束量范围内焊接比对中焊接可以获得更好的焊缝成型和更高的接头强度。360mm/min焊接速度，6~11mA焊接束流，4×10-2Pa真空度的条件下对防锈铝和不锈钢进行了焊接性研究。通过对比实验发现，相比于直接焊接而言，添加合适的中间层可提高接头强度，降低接头残余应力，改善脆性相分布情况。

2.4铝和钢的搅拌摩擦焊

使用此种方法对对铝合金和不锈钢进行焊接，实验证明：在低转速下焊缝温度增长不够，就会很容易在短时间内导致焊接接头烧坏。如果在高转速下，镁会因为温度较高而燃烧，结果就是得不到完美的接头。当焊头旋转速度为250rpm时，焊缝的抗拉强度较高，而且焊接头的形貌较好。在实验过程中，常常采用摩擦搅拌焊的方法，这是一种固相焊接的主要方法，在异种金属焊接中非常常见。摩擦搅拌焊接的方法具有很大的优点，例如：在焊接过程中能量的输出小，焊接使用的时间也比较短，焊接的温度也非常低，这样也不会造成焊接结构的变形，摩擦搅拌焊接的这些优点使得该种方法得到了很大的推广和应用。但是这种方法也有自身的缺点，在焊接的过程中采用搅拌摩擦焊，焊接的效率不高，工艺研究目前还不够完善，需要进一步研究努力。

2.5爆炸焊

爆炸焊是将待焊的两块基板平行对齐，控制好两基板间距离。利用放置在覆板上的炸药爆炸产生的巨大压力和极快的速度使两种材料的表面产生巨大的碰撞，从而产生一定程度的塑形变形而焊合在一起。所以爆炸焊接工艺能将低熔点低密度的铝合金与高熔点高密度的不锈钢实现分子间的连接。研究发现铝-钢爆炸焊后在钢侧形成了等轴状、随机取向的纳米晶组织。钢铝焊接界面容易形成脆性金属间化合物，爆炸焊接时也不例外。为了解决这一问题，研究者往往会在被焊两种金属中间加入异种金属。在5083铝合金和CCSB钢间加入CCSB中间层进行了爆炸焊接，结果显示焊接质量良好。加入纯铝中间层，实现了厚铝合金板和薄不锈钢板的爆炸焊接。

结语

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。

参考文献：

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