鋁/鋼異種金屬熔釬焊方法研究現(xiàn)狀

李 杰 ，黃健康 ，靳全勝

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空材料工程學(xué)院，陜西 西安710089；2.蘭州理工大學(xué)有色金屬合金及加工教育部重點實驗室，甘肅蘭州730050）

0 前言

近年來，能源問題和汽車尾氣排放引起的環(huán)境問題受到人們的廣泛關(guān)注，汽車輕量化成為汽車工業(yè)節(jié)能減排的重要方法之一[1]，車身制造中所用的大量鋼已被輕金屬、塑料等代替[2]。目前，部分汽車結(jié)構(gòu)件制造已用鋁代替了鋼，鋁與鋼異種金屬焊接復(fù)合結(jié)構(gòu)在汽車制造中得到較為普遍的應(yīng)用。

鋁/鋼的熱物理性能和化學(xué)性能相差較大，兩者之間較大的熔點差異使得焊接時低熔點鋁發(fā)生熔化，而高熔點鋼處于固體狀態(tài)幾乎不熔化；熱膨脹系數(shù)的顯著差異會使焊接接頭中產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，影響接頭的機(jī)械性能；鋁鐵化學(xué)相容性較差，在焊接熱源作用下鋁鐵原子反應(yīng)極易生成大量鋁鐵金屬間化合物，導(dǎo)致接頭性能變脆；此外，兩者的導(dǎo)熱性能、腐蝕性能也存在明顯差異。因此，一些學(xué)者提出選用固相焊方法焊接鋁/鋼異種金屬，如擴(kuò)散焊、爆炸焊、摩擦焊和攪拌摩擦焊等[3-5]。這些焊接方法雖然能夠獲得各項性能優(yōu)良的鋁/鋼焊接接頭，但實際生產(chǎn)中受工件形狀尺寸的限制，這些方法很難實現(xiàn)。目前，在鋁/鋼等異種金屬焊接中廣泛采用熔釬焊方法。熔釬焊過程中，在焊接熱源作用下，低熔點的金屬和填充材料發(fā)生熔化，即為熔焊過程；高熔點金屬幾乎不發(fā)生熔化，屬釬焊過程，整個接頭實質(zhì)上是一個熔釬焊焊接接頭。相對于純?nèi)酆腹に?，熔釬焊可以有效地限制異種金屬之間的大量混合，從而避免大量生成界面反應(yīng)層金屬間化合物[6]。本研究重點論述了各類熔釬焊方法在鋁/鋼異種金屬焊接中的應(yīng)用，并探析不同熔釬焊方法的特點，為今后鋁/鋼異種金屬焊接的研究和實際工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 鋁/鋼異種金屬電弧熔釬焊研究現(xiàn)狀

電弧焊是發(fā)展相對成熟、成本較低、在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為普遍的焊接工藝。因此，用電弧熔釬焊方法實現(xiàn)鋁/鋼異種金屬的連接成為鋁/鋼焊接研究熱點之一。鋁/鋼電弧熔釬焊實質(zhì)是利用液態(tài)鋁在固態(tài)鋼表面的浸潤與鋪展，通過鋁鐵原子相互擴(kuò)散及冶金反應(yīng)結(jié)合在一起。采用電弧熔釬焊方法進(jìn)行鋁/鋼異種金屬焊接時，要求嚴(yán)格、準(zhǔn)確控制焊接熱輸入。

TIG焊是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的電弧焊方法之一，具有電弧燃燒穩(wěn)定、熱輸入量小、焊接參數(shù)易調(diào)節(jié)等優(yōu)點，且在異種金屬熔釬焊連接中焊接成本較低，是鋁/鋼熔釬焊的有效工藝方法之一。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的林三寶[7]研究了TIG熔釬焊鋁合金/不銹鋼異種金屬時液態(tài)金屬在坡口表面的鋪展行為和界面微觀組織，熔化的填充金屬一部分鋪展到不銹鋼坡口背面，另一部分沿著焊接坡口從下向上鋪展，形成一個成形美觀的焊接接頭，其對接接頭的平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到120 MPa。大連理工大學(xué)的董紅剛等人[8]采用TIG熔釬焊方法連接5A02鋁合金和Q235B碳鋼，焊接示意如圖1所示，試驗中以Zn基藥芯焊絲作為填充金屬，送絲速度300 mm/min，焊接速度60 mm/min，焊接電流40 A。結(jié)果表明，在鋁/鋼連接界面處生成一層約15 μm的金屬間化合物，其焊接接頭的拉伸強(qiáng)度達(dá)到111 MPa。

圖1 鋁/鋼異種金屬TIG熔釬焊示意

TIG焊由于鎢極對電弧熱的承載能力有限，焊接電流不易太大，相對于MIG焊而言焊接效率較低。MIG焊在提供電弧熱的同時還可以提供填充材料，既能在小電流下焊接，也能在大電流下焊接，熔化的填充金屬提高了對接頭裝配質(zhì)量的適應(yīng)性，為鋁/鋼異種金屬高速熔釬焊的實現(xiàn)提供了一種新思路。因此，如何利用MIG焊方法實現(xiàn)鋁/鋼異種金屬高效熔釬焊引起了大量學(xué)者的關(guān)注。山東大學(xué)李亞江等人[9]以Al-5Si焊絲為填充金屬，研究用GMAW焊進(jìn)行Q235鋼和5A02鋁合金熔釬焊的可行性，分析接頭區(qū)顯微組織和缺陷。研究表明，采用GMAW熔釬焊可以實現(xiàn)鋁/鋼的良好連接，金屬間化合物厚度限制在約5 μm，但是當(dāng)焊接工藝參數(shù)不當(dāng)時，接頭中會出現(xiàn)氣孔、未釬透及裂紋等缺陷。山東大學(xué)秦國梁等人[10]采用數(shù)字化脈沖MIG焊機(jī)，以4043鋁合金絲作為填充金屬，進(jìn)行6013鋁合金與T4鍍鋅鋼板的熔釬焊。研究表明，隨著焊接熱輸入的增大，焊接接頭抗拉強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)熱輸入為850 J/cm時，強(qiáng)度達(dá)到229 MPa，拉伸斷裂發(fā)生在鋁熱影響區(qū)，斷口表現(xiàn)為塑性斷裂；當(dāng)焊接熱輸入量較小時焊接接頭在熔釬焊界面發(fā)生斷裂，屬脆性斷裂。

MIG熔釬焊盡管沒有鎢極燒損問題，可以實現(xiàn)大電流高速焊接，但鋁/鋼異種金屬焊接在界面層易形成脆性金屬間化合物。MIG熔釬焊鋁/鋼時，其熔滴過渡方式多為短路過渡，容易產(chǎn)生飛濺，僅適宜于薄板焊接。對普通MIG焊而言，受外界因素影響其電弧穩(wěn)定性較差，且在高速焊接時焊縫成形差，易產(chǎn)生咬邊、駝峰焊道等缺陷。這些因素造成鋁/鋼MIG熔釬焊接頭焊接質(zhì)量穩(wěn)定性較差，因此如何保證電弧的穩(wěn)定燃燒成為鋁/鋼MIG電弧熔釬焊的一個關(guān)鍵問題。

由奧地利FRONIUS公司提出的冷金屬過渡（CMT）焊接方法是一種低熱輸入電弧焊方法，其原理是在熔滴短路過渡時利用焊絲迅速回抽產(chǎn)生的力使熔滴過渡到熔池中，短路電流很小，焊接過程穩(wěn)定。該方法焊接過程中熔化焊絲和母材所需的電弧熱和使熔滴發(fā)生過渡的力分別采用不同途徑根據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，其焊接參數(shù)調(diào)節(jié)更加靈活，更容易實現(xiàn)鋁/鋼異種金屬電弧熔釬焊的良好焊接。大連理工大學(xué)的董紅剛等人[11]以ER4043鋁合金焊絲為填充金屬，用CMT焊接技術(shù)進(jìn)行汽車用鋁合金和鍍鋅鋼異種金屬的搭接焊，獲得了機(jī)械性能優(yōu)異的焊接接頭，其接頭最大抗拉強(qiáng)度是189 MPa，為鋁母材強(qiáng)度的89%。

旁路電弧的雙電極GMAW方法（DE-GMAW）是2007年美國肯塔基大學(xué)的張裕明教授[12]提出的又一種新型低熱輸入電弧焊方法，基本原理如圖2所示。該方法本質(zhì)上不同于普通多弧焊方法，焊接總電流（熔化焊絲的電流Itotal）由流進(jìn)母材的電流（Imain）和流過GTAW焊槍的電流（Ibypass）構(gòu)成，焊接電流滿足Itotal=Imain+Ibypass?；驹硎窃诤附z與工件之間的GMAW電弧中并入一個TIG電弧，通過調(diào)節(jié)TIG電弧電流大小，改變流入母材的電流，實現(xiàn)焊接過程中熱輸入的精確控制。蘭州理工大學(xué)石玗等人[13]對此進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，并在此基礎(chǔ)上提出用旁路耦合電弧MIG熔釬焊方法進(jìn)行鋁/鋼異種金屬焊接，最終獲得了成形良好、性能優(yōu)異的鋁/鋼焊接接頭。石玗等人還對比分析了脈沖旁路耦合電弧MIG焊和CMT兩種熔釬焊方法獲得的焊縫成形、接頭強(qiáng)度和連接界面處的金屬間化合物。研究表明，兩種電弧熔釬焊均可實現(xiàn)焊接熱輸入的精確控制，獲得拉伸性能良好的焊接接頭。脈沖旁路耦合電弧熔釬焊相對于CMT熔釬焊其焊接設(shè)備成本較低[14]，但CMT熔釬焊的焊接穩(wěn)定性更高。

圖2 旁路電弧的雙電極GMAW方法原理

2 鋁/鋼異種金屬高能束熔釬焊研究現(xiàn)狀

在TIG、MIG焊過程中，由于很難精確地控制其焊接熱量，在電弧熱作用下，鋁/鋼焊接接頭界面層中會形成大量脆性鋁鐵金屬間化合物，降低接頭的力學(xué)性能。激光焊是目前應(yīng)用最廣泛的高能束焊接方法之一，該方法可以精確、方便地控制焊接過程中的熱輸入和加熱區(qū)域，能夠有效控制焊接接頭釬焊界面上鋁鐵原子的反應(yīng)，實現(xiàn)鋁/鋼異種金屬激光熔釬焊。M.J.Zhang[15]等人采用激光深熔釬焊方法實現(xiàn)了鍍鋅鋼板和鋁合金的對接焊，焊接過程中采用流量16 L/min的氬氣為保護(hù)氣體，激光功率2.6kW、離焦量+5mm，焊接速度1m/min，送絲速度2.22m/min。最終獲得性能良好的焊接接頭，接頭的最大抗拉強(qiáng)度達(dá)162 MPa且斷裂出現(xiàn)在鋁熱影響區(qū)[15]。英國Sonia Meco等人[16]還研究了鋁/鋼異種金屬激光熔釬焊過程中激光參數(shù)對界面反應(yīng)層金屬間化合物形成的影響，采用8 kW纖維激光實現(xiàn)了2 mm厚鋼板和6 mm鋁合金的搭接焊。焊接過程中通過改變激光束離焦量精確控制焊接熱輸入，使鋼不發(fā)生熔化，僅鋁發(fā)生熔化。研究表明，焊接接頭的機(jī)械性能與接頭界面層金屬間化合物厚度并非簡單的對應(yīng)關(guān)系，其性能還取決于液態(tài)鋁在鋼表面的浸潤鋪展情況，當(dāng)能量密度為3.77 kW/cm2時，液態(tài)鋁在鋼表面的浸潤鋪展性良好且接頭中未生成過量金屬間化合物，此時接頭性能最好。南昌大學(xué)的李玉龍等人采用YAG激光焊實現(xiàn)了316L不銹鋼與6061鋁合金的熔釬焊，試驗優(yōu)化了不銹鋼和鋁合金異種金屬激光焊焊接工藝參數(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)焊接電流為100A、激光頻率12Hz、脈寬4.5ms，焊接速度0.17m/min時，焊接接頭的抗拉剪強(qiáng)度達(dá)到最大值98.86 MPa[17]。

鋁/鋼異種金屬激光熔釬焊的焊接熱輸入量即激光能量密度的調(diào)節(jié)一方面是通過調(diào)節(jié)激光光斑直徑實現(xiàn)，若要減小焊接熱輸入、提高焊接速度，就需要減小光斑直徑，這就要求提高工件的裝配精度，增加焊接裝配成本；另一方面若在大光斑條件下達(dá)到所需功率密度，需要大功率激光器，增加了焊接設(shè)備成本，激光焊接設(shè)備的一次性投入成本很高。此外，鋁合金對激光具有較高反射率，在鋁/鋼熔釬焊焊接過程中鋁合金、鋁填充金屬對激光吸收率較低。這些缺點使鋁/鋼異種金屬激光熔釬焊在實際應(yīng)用中受到一定限制。

電子束焊是一種精密的焊接方法，具有焊接能量密度大、焊縫深寬比大、焊接變形小、焊接速度快、參數(shù)調(diào)節(jié)靈活及焊接過程穩(wěn)定等特點，在航空航天、飛機(jī)制造等行業(yè)的焊接中具有廣闊的應(yīng)用前景。為此，一些學(xué)者進(jìn)行了鋁/鋼異種金屬電子束熔釬焊研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)張秉剛等人[18]用電子束熔釬焊進(jìn)行2 mm厚鋁合金/鋼的對接焊，分析鋁/鋼焊接接頭不同區(qū)域組織形態(tài)和結(jié)構(gòu)，提出焊接接頭中金屬間化合物的分布、形態(tài)及數(shù)量對鋁/鋼電子束熔釬焊接頭性能有很大影響。德國漢諾威大學(xué)的Bacha等人在大氣環(huán)境中采用電子束熔釬焊進(jìn)行含硅EN AW-6016鋁合金與熱軋雙相鍍鋅鋼板DPW600+Z以及含鎂的AW-5182鋁合金與熱軋雙相鍍鋅鋼板DPW600+Z的焊接。結(jié)果表明，兩類焊接接頭界面層金屬間化合物厚度差異很大，AW-6016與鍍鋅鋼板接頭，金屬間化合物層厚度約為5～8 μm；AW-5182鋁合金與鍍鋅鋼板接頭的金屬間化合物層厚度超過10 μm。拉伸測試時，第一種焊接接頭斷裂于鋁熱影響區(qū)，第二種接頭斷裂于焊接區(qū)域，這可能與兩種焊接接頭金屬間化合物層厚度的較大差異相關(guān)[19]。相對于激光焊，電子束焊設(shè)備一次性投入成本更高，焊接過程中對裝配間隙要求更加嚴(yán)格，因此，該焊接方法極少用于鋁/鋼異種金屬熔釬焊中。

3 鋁/鋼異種金屬復(fù)合熱源熔釬焊研究現(xiàn)狀

針對單純激光焊熱源集中、液態(tài)金屬浸潤與鋪展差，鋁材料對激光吸收率低，薄板對接焊困難等問題，學(xué)者們提出用激光+電弧復(fù)合熱源進(jìn)行鋁/鋼熔釬焊。激光+電弧復(fù)合焊是近十年來發(fā)展較快的高效焊接方法之一，它集中了電弧焊和激光焊優(yōu)點，具有焊接速度快、焊縫成形好、焊接過程穩(wěn)定、焊接熱輸入控制準(zhǔn)確以及接頭機(jī)械性能優(yōu)等特點，在異種材料焊接中得到了較廣泛的應(yīng)用。激光+電弧復(fù)合熱源的研究主要包括激光+MIG復(fù)合熱源、激光+TIG復(fù)合熱源和激光+TIG輔助熱源。

西南交通大學(xué)的Zhu Z等人采用ER4043鋁合金焊絲、用激光+MIG復(fù)合熔釬焊方法進(jìn)行了AA6061鋁合金和304不銹鋼的對接焊。研究結(jié)果表明，當(dāng)以Al-Si-Mg合金作為中間過渡層時，熔釬焊界面生成的金屬間化合物由鄰近不銹鋼的Fe2Al5和鄰近焊縫的Fe4Al13組成，厚度約為3.7 μm，焊接接頭的拉伸強(qiáng)度達(dá)到149 MPa，對接接頭的斷裂發(fā)生在鋁/不銹鋼的熔釬焊界面[20]?；贑MT短路過渡時焊接電流小、飛濺少、焊接過程穩(wěn)定的優(yōu)點，華中科技大學(xué)M.Gao等人[21]提出用激光+CMT復(fù)合熱源進(jìn)行鋁/鋼異種金屬的熔釬焊，激光+CMT復(fù)合焊示意如圖3所示。采用該方法有利于獲得一個更加穩(wěn)定、熱輸入更低的鋁/鋼異種金屬焊接過程。試驗中采用激光+CMT復(fù)合熱源焊接鋁合金/不銹鋼，研究焊接接頭的界面性能和斷裂行為，拉伸試驗表明焊接接頭斷裂于界面金屬間化合物層，拉伸強(qiáng)度約為165 MPa[21]。

圖3 激光+CMT復(fù)合焊示意

北京科技大學(xué)的陳樹海等人提出了一種激光+TIG復(fù)合熱源新方法，并探索采用該復(fù)合焊進(jìn)行鋁/鋼熔釬焊的可行性及焊接工藝對接頭特性的影響。采用該方法進(jìn)行鋁/鋼異種金屬對接接頭的熔釬焊，當(dāng)激光功率為3 kW、TIG焊接電流為30 A時，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到了最大的83.6 MPa，約為鋁母材強(qiáng)度的40%。鋼/鋁焊縫釬接面是焊接接頭的薄弱區(qū)，拉伸試驗時斷裂在該釬接面上。由于焊接過程中坡口不同位置的加熱溫度差異，界面反應(yīng)層金屬間化合物厚度分布不均勻，坡口頂端和底部金屬間化合物較厚，中間部位最薄[22]。在該復(fù)合焊中，TIG電弧與激光為一個耦合熱源，如圖4所示，焊接時在激光熱和電弧熱的共同作用下形成了一個熔池，前置TIG電弧一方面可解決單純激光焊時裝配間隙要求高的問題，另一方面可改善鋁母材及鋁合金絲對激光的吸收率，同時提高焊接效率。激光+TIG復(fù)合熔釬焊適用于鋁/鋼高速熔釬焊，但可能會增加對母材的焊接熱輸入，較難控制金屬間化合物的生成。

圖4 激光+TIG復(fù)合焊示意

蘭州理工大學(xué)樊丁等人提出用電弧輔助激光進(jìn)行鋁/鋼異種金屬熔釬焊，原理如圖5所示，焊接過程中激光熱源在前，小功率TIG熱源在后，兩個熱源是相對獨立的體系。結(jié)果表明，與單純激光焊相比，電弧輔助激光焊改變了焊接溫度場的分布，改善了液態(tài)鋁在鋼側(cè)的浸潤鋪展，其接頭最大抗拉強(qiáng)度可達(dá)163 MPa，約為鋁母材抗拉強(qiáng)度的74%，是純激光焊接頭強(qiáng)度的1.3倍[23]。該焊接方法中TIG電弧電流較小，對母材的熱輸入量不大，在焊接過程中作為輔助熱源，重點起改善液態(tài)鋁在鋼表面及接頭間隙中浸潤和鋪展的作用。

圖5 TIG電流輔助激光焊示意

4 結(jié)論

鋁/鋼異種金屬連接技術(shù)中，鋁/鋼熔釬焊技術(shù)因其高效、應(yīng)用范圍廣的特點得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通電弧鋁/鋼熔釬焊存在不易精確控制焊接熱輸入的問題，新型低熱輸入CMT焊、脈沖旁路耦合電弧焊可以實現(xiàn)焊接熱輸入的精確控制，獲得性能良好的鋁/鋼熔釬焊焊接接頭。高能束焊接激光焊、電子束焊參數(shù)調(diào)節(jié)靈活，能夠嚴(yán)格控制母材熱輸入量且焊接過程穩(wěn)定，但裝配精度要求較高、設(shè)備一次投入高，應(yīng)用范圍受到一定限制。激光+電弧復(fù)合焊、電弧輔助激光焊集合了電弧焊和激光焊的優(yōu)勢，在鋁/鋼異種金屬熔釬焊中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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