鋁-鋼異種金屬薄板的點(diǎn)焊技術(shù)研究現(xiàn)狀

任江偉 ，陳捷獅 ，俞志平 ，楊尚磊 ，鄭永佳 ，周細(xì)應(yīng)

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海201620；2.上海鑫燕隆汽車(chē)裝備制造有限公司，上海201900）

0 前言

隨著全球各行業(yè)對(duì)環(huán)保要求的提高，輕量化成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的主流。鋁合金是目前汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的輕量化材料，如老款?yuàn)W迪A8、凱迪拉克CT6、特斯拉Model S等車(chē)型幾乎都采用了全鋁車(chē)身。但是鋁合金的特性使得全鋁車(chē)身不能完全滿(mǎn)足汽車(chē)日益高漲的安全性要求。因此，鋁-鋼混合結(jié)構(gòu)車(chē)身成為汽車(chē)行業(yè)的焦點(diǎn)。2004年寶馬公司推出采用鋁-鋼混合結(jié)構(gòu)的車(chē)身；2006年奧迪公司在TT跑車(chē)上應(yīng)用了鋁-鋼混合車(chē)身結(jié)構(gòu)[1]。對(duì)于白車(chē)身的制造，零部件多為薄板件，連接型式多為搭接，因此適用各種點(diǎn)焊方法。一般白車(chē)身上包含多達(dá)4 000～6 000個(gè)焊點(diǎn)，因此，焊點(diǎn)質(zhì)量的可靠性是汽車(chē)制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，許多點(diǎn)焊技術(shù)都用于鋁-鋼的連接，包括電阻點(diǎn)焊、攪拌摩擦點(diǎn)焊、超聲波點(diǎn)焊、釬焊、機(jī)械連接技術(shù)（自穿刺鉚接、無(wú)鉚釘鉚接、自攻螺紋連接等）等。釬焊能夠?qū)崿F(xiàn)異種金屬的連接，但效率低，工藝較難控制，對(duì)工件尺寸及外形也有特殊要求，不利于批量生產(chǎn)。機(jī)械連接技術(shù)對(duì)材料的適用性強(qiáng)，但是外觀(guān)質(zhì)量較差，未能實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合[2]。本研究主要分析電阻點(diǎn)焊、攪拌摩擦點(diǎn)焊和超聲點(diǎn)焊3種工藝方法制備的接頭的組織特征和力學(xué)性能。

1 鋁/鋼異種金屬的焊接性

Al和Fe的主要物理性能參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知，兩者之間的熔點(diǎn)相差太大，造成兩者難以同時(shí)熔化；兩者的密度差異導(dǎo)致熔池中的元素難以均勻分布，容易產(chǎn)生偏析和夾渣；兩者的導(dǎo)熱率和彈性模量差異導(dǎo)致焊接過(guò)程中及焊后的變形和殘余應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生裂紋。此外，根據(jù)Fe-Al二元合金相圖，Al與Fe之間會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并生成多種金屬間化合物，如 AlFe3、AlFe、Al2Fe、Al5Fe2和 Al3Fe等，會(huì)對(duì)鋁/鋼異種接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。

表1 Al和Fe的主要物理性能參數(shù)

2 鋁/鋼異種金屬的電阻點(diǎn)焊

電阻點(diǎn)焊（Resistance Spot Welding）是汽車(chē)制造行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的焊接技術(shù)[3]，具有接頭質(zhì)量高、輔助工序少、無(wú)需填充材料、生產(chǎn)效率高、易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。在鋁/鋼異種金屬電阻點(diǎn)焊過(guò)程中，由于鋁合金和鋼的共同熔化和反應(yīng)，極易形成金屬間化合物，因此如何控制金屬間化合物生成和長(zhǎng)大，從而降低其對(duì)接頭力學(xué)性能的影響，是目前的研究重點(diǎn)。

Sun Daqian等人進(jìn)行了1.0 mm厚16Mn鋼和1.5 mm厚6063-T6鋁合金的中頻電阻點(diǎn)焊，研究了電極和工藝規(guī)范對(duì)接頭強(qiáng)度的影響[4]。焊接采用了傳統(tǒng)的F型CuCr1Zr合金電極和優(yōu)化電極，其中鋼側(cè)為圓錐型電極，尖端直徑10 mm，鋁側(cè)為球形電極，電極直徑70 mm。研究結(jié)果顯示，鋁合金側(cè)的熔核由胞狀晶、胞狀樹(shù)枝晶和等軸晶的α-Al固溶體和細(xì)小的Mg2Si顆粒構(gòu)成。鋼/鋁界面區(qū)包含鋼側(cè)的舌狀Fe2Al5層和鋁側(cè)的針狀Fe4Al13層。采用F型電極時(shí)，熔核直徑、接頭拉剪強(qiáng)度均隨著焊接電流和焊接時(shí)間的增加而提高。熱輸入過(guò)大時(shí)，鋁合金側(cè)熱影響區(qū)的過(guò)時(shí)效軟化、化合物增加、鋁/鋼界面形成縮孔等原因?qū)е陆宇^強(qiáng)度降低。在采用F型電極和優(yōu)化的工藝規(guī)范條件下，接頭的最大拉剪載荷為2 534 N。采用優(yōu)化電極后，由于改善了焊點(diǎn)區(qū)的溫度分布，接頭強(qiáng)度和成形質(zhì)量得到顯著改善。在采用優(yōu)化電極和相應(yīng)優(yōu)化工藝規(guī)范的條件下，接頭的最大拉剪載荷可達(dá)3 623 N，較前者提高了約43%。

Qiu Ranfeng等人進(jìn)行了1.0 mm厚A5052鋁合金和低碳鋼的電阻點(diǎn)焊，焊接時(shí)在鋁合金側(cè)采用了鋼制工藝墊片，焊接時(shí)間0.2 s，電極壓力2 kN，焊接電流6～12 kA[5-6]。研究表明，焊點(diǎn)外圍區(qū)域形成了FeAl3相，反應(yīng)層的厚度總體較薄，化合物呈不連續(xù)狀態(tài)，且化合物層的厚度隨著焊接電流的增大而降低。在焊點(diǎn)中心形成了兩種化合物，近鋼側(cè)為Fe2Al5相，近鋁側(cè)為FeAl3相。焊點(diǎn)中心處的反應(yīng)層厚度大于焊點(diǎn)外圍的反應(yīng)層。在焊點(diǎn)內(nèi)部，越靠近焊點(diǎn)中心，反應(yīng)層厚度越大，鋼/Fe2Al5界面的不規(guī)則性降低，而Al/FeAl3界面的不規(guī)則性增大。在焊點(diǎn)斷裂過(guò)程中，在外圍區(qū)域時(shí)，裂紋沿鋁合金擴(kuò)展；而在焊點(diǎn)中，裂紋沿反應(yīng)層擴(kuò)展。當(dāng)反應(yīng)層厚度超過(guò)1.5 μm時(shí)，界面反應(yīng)層會(huì)導(dǎo)致電阻點(diǎn)焊接頭的十字拉伸強(qiáng)度降低。

Qiu Ranfeng等人還進(jìn)行了1.0 mm厚A5052鋁合金和冷軋鋼SPCC、奧氏體不銹鋼SUS304的電阻點(diǎn)焊，研究了界面反應(yīng)層的構(gòu)成對(duì)接頭力學(xué)性能的影響[7-8]。焊接時(shí)鋁合金側(cè)使用鋼墊片，焊接電流6～12 kA，焊接時(shí)間0.2 s，電極壓力1 715 N。研究表明，A5052/SPCC接頭中形成了由Fe2Al5和FeAl3構(gòu)成的、較厚的兩層狀反應(yīng)層，A5052/SUS304接頭中則形成了由Fe2Al5和FeAl3構(gòu)成的鋸齒狀反應(yīng)層。反應(yīng)層的厚度均隨焊接電流變化而變化，同時(shí)受材料組合和位置區(qū)域的影響。界面反應(yīng)層不影響A5052/SUS304接頭的拉剪強(qiáng)度，但會(huì)影響A5052/SPCC接頭的拉剪強(qiáng)度。而接頭的十字拉伸拉伸強(qiáng)度與不連續(xù)反應(yīng)層的比例有關(guān)。通過(guò)控制不連續(xù)反應(yīng)層的形成，可以獲得性能良好的點(diǎn)焊接頭。

由于鍍鋅鋼板在汽車(chē)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，鍍鋅鋼板與鋁合金的電阻點(diǎn)焊也受到了廣泛關(guān)注。Nannan Chen等人進(jìn)行了1.2 mm厚AA6022-T4鋁合金和2.0 mm厚熱浸鋅低碳鋼（HDG LCS）的中頻直流電阻點(diǎn)焊，研究接頭在拉剪狀態(tài)下的力學(xué)性能、斷裂模式和斷裂機(jī)制[9]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，形成了3種斷裂機(jī)制和斷裂模式：金屬間化合物層的半脆性或脆性斷裂導(dǎo)致界面斷裂；鋁合金熔核區(qū)的韌性斷裂導(dǎo)致厚度斷裂；鋁合金熱影響區(qū)的韌性斷裂導(dǎo)致紐扣拉斷。接頭的斷裂模式和力學(xué)性能主要依賴(lài)于金屬間化合物層、鋁熔核和鋁熱影響區(qū)的尺寸和性能，其中金屬間化合物層的厚度是最重要的影響因素。當(dāng)金屬間化合物層厚度小于3 μm時(shí)，形成紐扣拉斷或者厚度斷裂。鋁熔核尺寸或者鋼突起高度的增大有利于提高接頭的拉剪載荷，并促進(jìn)向紐扣拉斷的轉(zhuǎn)變。當(dāng)金屬間化合物層的厚度大于3 μm時(shí)，易形成界面斷裂，即使鋁熔核的尺寸和鋼突起的高度較大。高焊接電流、短焊接時(shí)間有利于鋁熔核的長(zhǎng)大，并使金屬間化合物層的厚度保持在較低水平，顯著提高接頭的力學(xué)性能。

Arghavani M.R.等人分別進(jìn)行了2 mm厚5052鋁合金與1 mm厚DC01鋼（PS-Al接頭）及1 mm厚鍍鋅低碳鋼（GS-Al接頭）的電阻點(diǎn)焊，研究鋅層對(duì)點(diǎn)焊接頭組織特征與力學(xué)性能的影響[10]。結(jié)果表明，與GS-Al接頭相比，PS-Al接頭中形成的熔核體積較大，這是由于鍍鋅鋼板與鋁合金間的接觸電阻較小，熔化鋅層消耗的熱量較低造成的。盡管PS-Al接頭中形成的熔核體積較大，但是由于熔化的鋅層被擠出到熔核外部邊緣，所以PS-Al接頭和GS-Al接頭中的熔核直徑基本相當(dāng)。此外，PS-Al接頭中，金屬間化合物層的厚度隨著焊接電流的增大而增加。而在GS-Al接頭中，當(dāng)焊接電流小于12 kA時(shí)，由于接頭界面處的產(chǎn)熱增加，金屬間化合物層的厚度隨著焊接電流的增大而增加。但是當(dāng)焊接電流大于12 kA時(shí)，隨著焊接電流的增大，金屬間化合物層的厚度反而減小。與PS-Al接頭相比，GS-Al接頭中形成的金屬間化合物層的厚度較薄。這與焊接過(guò)程中鋅層的蒸發(fā)及振動(dòng)有關(guān)。振動(dòng)導(dǎo)致接頭界面處金屬間化合物的破壞和分離。鋅層的存在導(dǎo)致兩個(gè)接頭的力學(xué)性能差異顯著。當(dāng)焊接電流小于12 kA時(shí)，GS-Al接頭形成不完全連接，接頭力學(xué)性能較低，GS-Al接頭的最大拉剪載荷低于PS-Al接頭。但是，當(dāng)焊接電流大于12 kA時(shí)，由于GS-Al接頭的拉伸應(yīng)力較低，接頭中金屬間化合物的厚度低于臨界值（小于5.5 μm），因此GS-Al接頭的斷裂載荷高于PS-Al接頭。

3 鋁/鋼異種金屬的攪拌摩擦點(diǎn)焊

攪拌摩擦點(diǎn)焊（Friction Stir Spot Welding）可以形成點(diǎn)焊的搭接接頭，其焊縫外觀(guān)與電阻點(diǎn)焊的類(lèi)似，因此在汽車(chē)制造行業(yè)引起很大關(guān)注。攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程所需熱輸入遠(yuǎn)低于電阻點(diǎn)焊，是連接鋁合金/鋼異種金屬的有效方法[11-12]。

S.Bozzi等人進(jìn)行了1.2 mm厚6016鋁合金和2 mm厚IF鋼鍍鋅板的攪拌摩擦點(diǎn)焊，研究旋轉(zhuǎn)速度、壓入深度與金屬間化合物層之間的關(guān)系[13]。結(jié)果表明，金屬間化合物層由長(zhǎng)度200 nm的橢圓形沉淀物纏結(jié)構(gòu)成。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度和壓入深度較大時(shí)，金屬間化合物層為FeAl2和Fe2Al5，其硬度分別為1 000 HV和1 100 HV。金屬間化合物層對(duì)于改善焊點(diǎn)強(qiáng)度有利，其厚度隨著旋轉(zhuǎn)速度和壓入深度的增大而增加。但是，當(dāng)金屬間化合物層太厚時(shí)，裂紋容易在該處萌生，并沿化合物層擴(kuò)展。

Joaquin M.Piccini等人進(jìn)行了2.0 mm AA6063-T6鋁合金和0.7 mm鍍鋅低碳鋼的攪拌摩擦點(diǎn)焊，研究攪拌針長(zhǎng)度及壓入深度對(duì)焊點(diǎn)特征和接頭性能的影響[14]。結(jié)果表明，鋁合金與鍍鋅鋼呈現(xiàn)鍛造結(jié)合的特征，而鋼未發(fā)生大的塑性變形。由于軸肩對(duì)接頭表面的熱機(jī)械作用，攪拌針長(zhǎng)度的縮短有利于改善鋁合金的鍛造和攪拌行為。Zn顆粒彌散分布在鋁合金中，在板間形成明顯的Al和Fe相互擴(kuò)散。攪拌摩擦點(diǎn)焊產(chǎn)生的熱和壓力促進(jìn)了Al和鋼之間的擴(kuò)散連接。當(dāng)攪拌針長(zhǎng)度縮短，壓入深度增加時(shí)，有效結(jié)合長(zhǎng)度增加。當(dāng)壓入深度較淺時(shí)，焊點(diǎn)的斷裂為界面斷裂，斷裂載荷較低。隨著壓入深度的增加，斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌夏Ｊ?。?dāng)壓入深度較高時(shí)，焊點(diǎn)的斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓟嗄Ｊ健oaquín M.Piccini等人還進(jìn)行了1 mm厚AA5052鋁合金和0.65 mm厚低碳鋼的攪拌摩擦點(diǎn)焊，研究工具形貌對(duì)接頭組織性能的影響[15]。結(jié)果表明，工具形貌會(huì)改變金屬間化合物層的厚度、形貌和長(zhǎng)度。采用C型工具（攪拌針直徑9.6 mm，長(zhǎng)度0.4 mm）制造的焊點(diǎn)形成了最連續(xù)的、最厚（約5 μm）的金屬間化合物層，此條件下獲得的連接區(qū)域面積也最大。金屬間化合物厚度增加的主要原因是優(yōu)化的工具形貌導(dǎo)致熱輸入更高。C型工具在2 s停留時(shí)間下獲得了最優(yōu)的接頭斷裂載荷，剝離試驗(yàn)載荷約2600N，十字拉伸載荷約220 N。

Y.F.Sun等采用一種改進(jìn)的攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)（flat friction stir spot welding）進(jìn)行了1mm厚6061-T6鋁合金和低碳鋼的焊接[16]。該技術(shù)包括兩步：第一步，使用一種特別設(shè)計(jì)的背板，板表面設(shè)計(jì)圓形凹槽。由于金屬向凹槽流動(dòng)，會(huì)在焊點(diǎn)底部形成突起。第二步，采用無(wú)攪拌針的旋轉(zhuǎn)工具消除突起和孔。在傳統(tǒng)的攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程中，金屬的流動(dòng)通常與接頭界面平行，因此需要較高熱輸入幫助擴(kuò)散連接。而采用該改進(jìn)FSSW技術(shù)后，金屬的流動(dòng)與接頭界面不平行，能以較低的外加壓力和較低的旋轉(zhuǎn)速度實(shí)現(xiàn)兩板間的強(qiáng)力連接，降低熱輸入，從而降低金屬間化合物的形成。研究結(jié)果還證實(shí)，焊后的Al/Fe界面處未發(fā)現(xiàn)金屬間化合物層，但在Al/Fe界面附近形成了非晶結(jié)構(gòu)。這表明焊接時(shí)的溫度較低，界面組織的形成是強(qiáng)烈塑性變形過(guò)程中的機(jī)械合金化導(dǎo)致的。接頭的拉剪測(cè)試顯示，斷裂呈拉斷模式，最大拉剪載荷可達(dá)3 607 N。

Dong Honggang等進(jìn)行了1.0mm厚Novelist AC 170 PX鋁合金（PX-Al鋁合金）、1.5 mm厚Aleris Superlite 200 ST鋁合金（ST-Al鋁合金）和1.2 mm厚T06 Z熱浸鋅鋼板（GI）的再填充攪拌摩擦點(diǎn)焊（refilled friction stir spot welding），研究鋁/鋼接頭的微觀(guān)組織、力學(xué)性能和斷裂特征[17]。研究發(fā)現(xiàn)，在鋁/鋼界面鋁合金側(cè)形成了富Zn和富O區(qū)，在鋁合金側(cè)和鋼側(cè)的斷裂表面形成ZnO。這是由于Zn涂層被攪拌后向焊點(diǎn)邊緣擠壓，在焊點(diǎn)邊緣形成富Zn和富O區(qū)；中心區(qū)被擠壓的Zn被熱塑性鋁合金填充，從而形成其他富Zn和富O區(qū)。這表明鋁合金側(cè)的富Zn和富O界面層是整個(gè)接頭的最薄弱環(huán)節(jié)。壓入?yún)^(qū)界面處的金屬間化合物層的厚度僅0.68 μm。PX-Al/GI接頭的拉剪載荷為3 044 N，十字拉伸載荷為296 N。ST-Al/GI接頭的拉剪載荷為4 500 N，十字拉伸載荷為359 N。所有試樣在拉剪和十字拉伸過(guò)程中都斷裂于鋁/鋼界面處。在拉剪測(cè)試中，鋁/鋼異種接頭的斷裂主要是脆性斷裂，具有解理斷裂和晶間斷裂的特征。拉剪強(qiáng)度的提高是由于攪拌針壓入深度增加造成的，這降低了空洞和裂紋缺陷的形成，從而提高了接頭性能的一致性。

Aidan Reilly等對(duì)0.93 mm厚6111-T4鋁合金和1 mm厚DC04（無(wú)鋅層）、DX54Z（鍍鋅層）低碳鋼異種材料攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程中的金屬流動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究以及運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬，探討了工具表面特征、焊接規(guī)范和鋼板表面狀態(tài)對(duì)金屬流動(dòng)的影響[18]，其采用的攪拌頭中無(wú)攪拌針。研究結(jié)果表明，攪拌摩擦點(diǎn)焊中的金屬流動(dòng)主要以圓周運(yùn)動(dòng)為主，在工具表面增加凹槽有利于增加表面處向心方向的金屬流動(dòng)。在工具與材料初始接觸的前幾周旋轉(zhuǎn)過(guò)程中形成了兩者的粘結(jié)。為了與周?chē)撵o態(tài)材料協(xié)調(diào)，滑動(dòng)區(qū)朝向外部邊緣。在假設(shè)金屬流動(dòng)為純圓周運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)新的金屬流動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，并成功解釋了試驗(yàn)結(jié)果。

4 鋁/鋼異種金屬的超聲點(diǎn)焊

超聲點(diǎn)焊（ultrasonic spot welding）是一種高效的熱-機(jī)械連接技術(shù)，可以在1 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)異種金屬的有效連接，特別適合鋁合金與鋼的連接。

F.A.Mirza等人進(jìn)行了1.5 mm厚Al6061-T6鋁合金和AISI304不銹鋼、ASTM A36鋼的高能超聲點(diǎn)焊，研究了焊接能量對(duì)接頭組織性能的影響[19]。結(jié)果表明，在兩個(gè)異種金屬接頭中都形成了FeAl3相。此外，Al/AISI304接頭中還形成了Fe2Al5相，Al/A36接頭中形成了Fe3Al相。盡管是固態(tài)連接，且焊接時(shí)間很短，但是金屬間化合物層仍然隨著焊接能量或者焊接時(shí)間的增加而長(zhǎng)大，金屬間化合物的本征脆性降低了接頭的完整性。拉剪測(cè)試顯示，Al/AISI 304接頭的拉剪強(qiáng)度略高于Al/A36接頭，但是Al/AISI304接頭的斷裂能量遠(yuǎn)高于Al/A36接頭。斷口分析表明，當(dāng)焊接能量較低時(shí)，接頭的拉剪斷裂出現(xiàn)在Al/Fe界面處，焊接能量較高時(shí)，接頭的斷裂由鋁合金側(cè)熔核區(qū)邊緣萌生，并向垂直于熔核的厚度方向擴(kuò)展。

Farid Haddadi采用超聲點(diǎn)焊進(jìn)行了1.0 mm厚6111-T4鋁合金和熱浸鋅DX56-Z、合金化熱鍍鋅DX53-Z鋼的焊接，研究壓緊力和焊接時(shí)間對(duì)界面反應(yīng)的影響[20]。結(jié)果表明，在兩種接頭中，振動(dòng)剪切力和壓緊力導(dǎo)致液態(tài)相沿連接界面擠出，超聲點(diǎn)焊中的晶體缺陷也加速了富鋅液相的形成；焊接時(shí)間較短時(shí)，富鋅液相的凝固導(dǎo)致共晶組織形成，并隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)而粗化。當(dāng)焊接溫度達(dá)到最高值且鋁含量較高時(shí)，共晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)锳l-Zn枝晶組織并長(zhǎng)大。Al/DX56-Z接頭中，失效主要出現(xiàn)在接近鋼基體的厚度較大的Fe2Al(5-x)Znx（0＜x＜1）處。鋅層和鋼基體界面處的Fe2Al(5-x)Znx（0＜x＜1）抑制層隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)變得更加連續(xù)、均勻。該層組織的性能對(duì)接頭強(qiáng)度有顯著影響。Al/DX53-ZF接頭中，富鋅液相滲入鋼基體的高角度晶界導(dǎo)致晶界脆性，降低了接頭的力學(xué)性能，但是Fe3Zn10和Fe5Zn21相的脆性是Al/DX53-ZF接頭力學(xué)性能較差的主要原因。

Farid Haddadi等進(jìn)行了1 mm厚AA6111-T4鋁合金和不同鍍層低碳鋼的高能超聲點(diǎn)焊，研究鍍鋅層對(duì)焊點(diǎn)界面反應(yīng)和力學(xué)性能的影響[21]。研究采用無(wú)鍍層DC04、熱浸鋅DX56-Z、合金化熱鍍鋅DX53-ZF三種不同表面狀態(tài)的低碳鋼。結(jié)果表明，由于晶粒/亞晶粒尺寸的減小，熱機(jī)械影響區(qū)的沉淀析出速率更高，造成該區(qū)域的最高硬度比自然時(shí)效時(shí)高10～15 HV。鋁合金與DC04和DX56-Z鋼超聲點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能僅略低于相應(yīng)鋁合金接頭的強(qiáng)度（約低5%～10%)。鋁合金與無(wú)鍍層DC04焊接接頭的剪切強(qiáng)度最高可達(dá)3.0 kN，此時(shí)熔核呈拉斷模式，界面處形成的Al-Fe系金屬間化合物是導(dǎo)致接頭性能降低的原因。鋁合金與DX56-Z鋼焊接時(shí)最大載荷3.25 kN，斷裂功約5 kN/mm，鋅層中的Fe2Al(5-x)Znx（0＜x＜1）層會(huì)顯著影響斷裂模式。鋁合金與DX53-ZF的焊接接頭剪切強(qiáng)度僅2.6 kN，斷裂功為1.25 kN/mm。

Juan M.Munoz-Guijosa等人進(jìn)行了0.5 mm厚A6061-T4、A2017-T4 鋁合金和 SPCC、HTSS 鋼的超聲點(diǎn)焊，并優(yōu)化了工藝規(guī)范[22]。結(jié)果顯示，在4種接頭中，距離界面1mm以?xún)?nèi)的溫度均不超過(guò)135℃，A6061/SPCC、A6061/HTSS接頭的十字拉伸強(qiáng)度分別為281 N、460 N。A2017/SPCC、A2017/HTSS接頭的十字拉伸強(qiáng)度分別為343 N、437 N。異種材料接頭的十字拉伸載荷接近鋁合金中裂紋擴(kuò)展的載荷。在異種材料接頭中未產(chǎn)生金屬間化合物層。裂紋并非萌生于界面處，而是在鋁合金母材中。輸入能量、連接時(shí)間和初始?jí)毫κ怯绊懡宇^性能的主要因素。當(dāng)連接時(shí)間小于優(yōu)化值時(shí)，由于沒(méi)有充分形成微帶，接頭呈現(xiàn)部分拉斷/界面斷裂的混合模式；當(dāng)連接時(shí)間高于優(yōu)化值時(shí)，由于對(duì)已形成微帶的破壞，接頭呈現(xiàn)部分拉斷的斷裂模式。初始?jí)毫τ绊懡佑|區(qū)面積，從而影響最終界面尺寸和接頭強(qiáng)度。當(dāng)初始?jí)毫σ欢〞r(shí)，鋼板的屈服強(qiáng)度決定接觸面積的尺寸。

Farid Haddadi等進(jìn)行了1.0 mm厚6111-T4鋁合金和DC04鋼的高能超聲點(diǎn)焊，研究金屬間化合物的長(zhǎng)大行為[23]。研究發(fā)現(xiàn)，鋁/鋼超聲點(diǎn)焊接頭的強(qiáng)度可達(dá)3.0 kN，焊點(diǎn)呈拉斷模式。當(dāng)焊接能量較高時(shí)，由于脆性金屬間化合物的形成，焊點(diǎn)斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑鏀嗔选Ｔ诤附釉缙陔A段，形成了微帶。隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，由于相互擴(kuò)散，金屬間化合物孤島在微帶處形核。金屬間化合物孤島的快速長(zhǎng)大是由相互擴(kuò)散機(jī)制控制的，并逐漸形成連續(xù)的層。當(dāng)化合物層形成后，層的擴(kuò)散機(jī)制控制導(dǎo)致化合物的長(zhǎng)大。由于形成焓為負(fù)，在焊接早期形成的是FeAl3相。由于具有更高的動(dòng)力學(xué)長(zhǎng)大速率，當(dāng)焊接時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，反應(yīng)層大部分為Fe2Al5相。在高能超聲點(diǎn)焊過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生高濃度空位、位錯(cuò)、細(xì)晶結(jié)構(gòu)或者亞結(jié)構(gòu)，這些都會(huì)加速相互擴(kuò)散，從而加速金屬間化合物的形成，降低接頭力學(xué)性能。

5 展望

基于目前對(duì)汽車(chē)輕量化和安全性的要求，由鋁合金和鋼構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)是車(chē)身制造的較好選擇。但是鋁和鋼的焊接性較差，形成具有良好使用性能的接頭是焊接行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。深入研究在不同焊接工藝條件下金屬間化合物的形成和長(zhǎng)大機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬間化合物形核、長(zhǎng)大、形態(tài)和分布的調(diào)控，改善鋁/鋼異種金屬接頭的性能是鋁/鋼異種金屬焊接未來(lái)的發(fā)展方向。