鋁鋼異種金屬焊接研究現(xiàn)狀

陳大林

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 蘭州730060)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，石油消耗與日俱增，引發(fā)全球溫室效應(yīng)、臭氧層破壞、酸雨現(xiàn)象等?！熬G色環(huán)保，節(jié)能減排”無(wú)疑已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新方向。汽車輕量化，降低燃油消耗無(wú)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(qiáng)度高、能顯著降低結(jié)構(gòu)的重量，而鋼鐵合金具有強(qiáng)度高，塑韌性較好、價(jià)格便宜、可加工性好的特性，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工制造。因此，采用“鋁+鋼”復(fù)合結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮鋁鋼各自優(yōu)勢(shì)，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一[2-5]。

因兩金屬在熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)相差較大(表1)，焊接過(guò)程中極易產(chǎn)生溫度不均和膨脹不一致，導(dǎo)致焊后接頭存在較大的殘余應(yīng)力，極易產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷；鋼的熔點(diǎn)1538 ℃，鋁的熔點(diǎn)660 ℃，較大的熔點(diǎn)差使鋁鋼焊接時(shí)當(dāng)鋁完全熔化時(shí)鋼很可能仍處于固態(tài)，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(xiàn)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(guò)程中隨著鐵的含量增加，會(huì)形成 Fe2Al7、FeAl3、Fe2Al5、FeAl2、FeAl等一系列脆硬的金屬化合物，嚴(yán)重影響焊接接頭力學(xué)性能。

表1 鋁/鋼的物理參數(shù)

圖1 Fe-Al二元相圖

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)鋁鋼焊接問(wèn)題的研究幾乎涉及焊接各個(gè)領(lǐng)域，根據(jù)焊接外加能量種類不同和工藝特點(diǎn)差異，可將鋁鋼焊接分為熔釬焊、壓焊和釬焊。本文重點(diǎn)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(xiàn)狀，歸納分析不同焊接方法方法的特點(diǎn)及應(yīng)用，為后續(xù)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(diǎn)母材(鋁)側(cè)使其熔化，高熔點(diǎn)(鋼)母材側(cè)不熔化，并依靠低熔點(diǎn)母材的熔化形成液態(tài)熔池，鋪展?jié)櫇窀呷埸c(diǎn)母材并形成原子間的結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩母材的有效連接。根據(jù)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(fù)合熔釬焊、電子束熔釬焊等。

CMT(冷金屬過(guò)渡)焊是由Fronius公司開發(fā)的一種新型焊接技術(shù)。其原理為在熔滴短路過(guò)渡時(shí)，借助于焊絲迅速回抽使熔滴過(guò)渡熔池中的焊接技術(shù)。與傳統(tǒng)的電弧焊相比，CMT焊具有焊接熱輸入較小、焊縫成型好、無(wú)飛濺及焊后變形小等優(yōu)點(diǎn)。因此，被廣泛應(yīng)用于鋼鋁異種金屬薄板焊接[6-8]。Lin[9]等采用ER4043型焊絲對(duì)6061鋁合金(2mm)和低碳鋼(0.7mm)進(jìn)行 CMT焊接試驗(yàn)。結(jié)果表明：焊縫外觀成型良好，但熔融鋁側(cè)存在部分氣孔和未熔合等焊接缺陷，降低了接頭力學(xué)性能。曹睿等[10]采用CMT熔釬焊對(duì)鋁合金與鍍鋅鋼薄板搭接件進(jìn)行了焊接，利用正交試驗(yàn)方法分析焊接工藝參數(shù)、鍍鋅層厚度以及焊絲成分對(duì)焊縫外觀成形和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)Si和Zn較好促進(jìn)熔化的鋁液在鋼板表面潤(rùn)濕鋪展，在理想的工藝參數(shù)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(jìn)行焊接試驗(yàn)，研究不同焊接速度對(duì)接頭界面金屬化合物層的物相組成及其抗拉強(qiáng)度影響．結(jié)果表明：合理焊接工藝參數(shù)能夠得到組織良好均勻焊縫，且當(dāng)焊接速度為420mm/min時(shí)，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(qiáng)度為40MPa，焊接接頭斷口呈脆性斷裂。

傳統(tǒng)熔焊方法具有焊接效率高、操作靈活，應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，對(duì)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(shí)，可通過(guò)控制焊接熱輸入和電弧位置，實(shí)現(xiàn)低熔點(diǎn)金屬的熔焊和高熔點(diǎn)金屬的釬焊，從而實(shí)現(xiàn)異種金屬的焊接。宋洋等[12]在不同工藝參數(shù)下采用Al-12wt%Si藥芯焊絲進(jìn)行純鋁與304不銹鋼TIG熔釬焊試驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)焊接電流為50A，焊接速度為1mm/s時(shí)，實(shí)現(xiàn)純鋁與304不銹鋼有效連接，接頭抗拉強(qiáng)度為92MPa，為鋁母材強(qiáng)度的73%。李杰等[13]采用MIG焊對(duì)5052鋁合金與Q235鍍鋅鋼板進(jìn)行熔釬焊試驗(yàn)。焊接工藝參數(shù)如下：焊接材料分別為 Al-5wt.%Si、Al-5wt.%Mg鋁合金焊絲，Ar為保護(hù)氣，流量為 15 L/min，焊接速度0.8m/min，焊接電流為60 A。實(shí)驗(yàn)表明，焊縫中Si元素能減小鋁/鋼界面反應(yīng)層Fe2Al5金屬化合物的厚度，且改變界面反應(yīng)層Fe2Al5和FeAl3的形態(tài)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。Dharmendra等[14]采用Nd∶YAG激光器對(duì)6016鋁合金與DP600鍍鋅鋼進(jìn)行激光熔釬焊試驗(yàn)，以鋅基Zn-15%Al作為釬料，獲得良好熔釬焊接頭，釬料送進(jìn)速度明顯影響接頭強(qiáng)度，合理的釬料送進(jìn)速度和金屬間化合物層厚度決定焊接接頭力學(xué)性能。張冬云等[15]采用板條二氧化碳激光器對(duì)1 mm厚的DC06鋼板與2mm厚60612T6鋁合金進(jìn)行搭接接頭熔釬焊試驗(yàn)，當(dāng)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(shí)，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(shí)，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(fù)合焊是綜合激光、電弧各自優(yōu)勢(shì)而發(fā)展的一種新型焊接技術(shù)，具有焊接效率高，裝配要求低，焊接質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在汽車輕量化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。馬驍[16]采用激光-MIG電弧復(fù)合焊方法對(duì)6061鋁合金和超高強(qiáng)鋼進(jìn)行熔釬焊試驗(yàn)，結(jié)果表明：Cu層的加入可抑制Fe-Al金屬間化合物的生長(zhǎng)，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(qiáng)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(zhǎng)，但Ni對(duì)硬脆金屬間化合物無(wú)明顯改善，添加Ni與未加Ni的焊接接頭抗拉強(qiáng)度提高15%左右。

圖2 激光-MIG復(fù)合焊對(duì)接示意圖

2 壓焊

壓焊是采用加壓方式使所焊材料發(fā)生塑性變形達(dá)到原子間結(jié)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(duì)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(kuò)散焊、電阻點(diǎn)焊、爆炸焊等。

攪拌摩擦焊屬于固相焊的一種，通過(guò)調(diào)節(jié)焊接速度、攪拌頭轉(zhuǎn)速、摩擦?xí)r間可有效控制焊接熱輸入，進(jìn)而能有效控制鋁鋼金屬化合物的厚度，以便獲得高質(zhì)量焊接接頭。T．Watanabe等[17]采用FSW對(duì)A5083鋁合金/SS400中碳鋼進(jìn)行連接，通過(guò)分析在對(duì)接接頭中觀察到少量FeAl與FeAl3金屬化合物，焊接接頭抗拉強(qiáng)度為鋁母材強(qiáng)度的86%，同時(shí)指出過(guò)厚的金屬化合物嚴(yán)重制約接頭的力學(xué)性能。Lan Shuhuai等[18]研究FSW工藝參數(shù)對(duì)6061鋁合金/TRIP780鋼對(duì)接接頭反應(yīng)層金屬化合物分布的影響，研究表明：較高的轉(zhuǎn)速、較小偏置量促進(jìn)金屬化合物層增厚，原因：較高的轉(zhuǎn)速使界面溫度上升，從而使合金元素?cái)U(kuò)散能力增強(qiáng)，為金屬化合物的形核與長(zhǎng)大提供條件；較小的偏置量促使更多的鋼屑進(jìn)入攪拌區(qū)，更多的 Fe 原子能夠參與冶金反應(yīng)。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(guò)調(diào)整工藝參數(shù)控制界面處焊接熱輸入，可獲得高質(zhì)量焊接接頭。

擴(kuò)散焊是在加熱-加壓共同作用下實(shí)現(xiàn)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(kuò)散焊對(duì)1LD10鋁與0Cr20Ni24Si4Ti不銹鋼進(jìn)行真空擴(kuò)散連接。當(dāng)焊接溫度為540 ℃，焊接壓力12MPa及合適的保溫時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種材料有效連接，結(jié)合界面 Fe、Al、Cu等元素的擴(kuò)散均勻，焊合率>95%；端口撕裂在鋁側(cè)，抗剪強(qiáng)度80～100MPa。張傳慧[20]采用焊接溫度490 ℃～540 ℃，保溫時(shí)間為100min，焊接壓力5MPa對(duì)7075鋁合金和不銹鋼進(jìn)行真空擴(kuò)散焊。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：擴(kuò)散層厚度隨著焊接溫度升高而增加，當(dāng)溫度550 ℃時(shí)擴(kuò)散層出現(xiàn)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(qiáng)度先增加后減小，最大值為54MPa。

電阻點(diǎn)焊是加熱-加壓聯(lián)合作用的焊接過(guò)程，具有大電流、短時(shí)間、加壓狀態(tài)下施焊的特點(diǎn)。因其效率高，成本低而被廣泛應(yīng)用于汽車、電子、航空等重要工業(yè)領(lǐng)域。在電阻點(diǎn)焊焊接鋼鋁異種金屬的研究中，焊接參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響是往往成為研究的重點(diǎn)內(nèi)容。徐崢[21]以6008-T66鋁合金與H220YD鋼板進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，研究焊接時(shí)間對(duì)焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響，并分析了焊接時(shí)間的作用機(jī)理。研究表明，當(dāng)焊接時(shí)間從50 ms增大至400 ms過(guò)程中，接頭中6008-T66鋁合金側(cè)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(qiáng)度隨著焊接時(shí)間的增加先增加后減小，在焊接時(shí)間為300ms時(shí)取得最大值。張昌青等[22]采用鋁硅釬料對(duì)純鋁板1060與SGCC鍍鋅鋼板進(jìn)行電阻點(diǎn)釬焊搭接試驗(yàn)。試驗(yàn)采用正交優(yōu)化分析焊接電流、焊接時(shí)間和電極壓力3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)接頭質(zhì)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)：鋁硅釬料對(duì)母材潤(rùn)濕良好，焊后焊縫接頭界面處產(chǎn)生有雙層結(jié)構(gòu)且厚度不等的金屬間化合物，厚度小于10μm；當(dāng)焊接電流為7.8kA時(shí)，接頭抗剪載荷約為4.72kN達(dá)到最大值；與電阻點(diǎn)焊相比，在同一工藝參數(shù)下，電阻點(diǎn)釬焊接頭的抗拉剪載荷更高；接頭斷裂大部分發(fā)生在靠近鋁板側(cè)熱影響區(qū)處而不在焊點(diǎn)處，證明電阻點(diǎn)釬焊接頭質(zhì)量良好，但由于鋁側(cè)界面局部存在“未焊合”缺陷，焊縫界面會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力作用下易產(chǎn)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(guò)渡層對(duì)5083 鋁合金板和CCS-B船用鋼板進(jìn)行爆炸焊接試驗(yàn)。研究表明：采用爆炸焊無(wú)論是以1060純鋁還是1060純鋁/鈦板TA1作為中間過(guò)渡層制備出的復(fù)合板質(zhì)量較好，結(jié)合率均達(dá)到100%；力學(xué)性能均滿足使用要求；接頭界面有塑性變形產(chǎn)生，無(wú)明顯的金屬間化合物生成。

3 釬焊

釬焊通過(guò)加熱使固態(tài)釬料熔化潤(rùn)濕母材，液態(tài)釬料利用毛細(xì)作用填充接頭間隙實(shí)現(xiàn)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(shè)備簡(jiǎn)單、生產(chǎn)率高、焊接應(yīng)力變小、適用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，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(guò)控制釬料成分、調(diào)整釬焊工藝參數(shù)來(lái)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(jìn)型CsF-RbF-AlF3釬劑，實(shí)現(xiàn)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(jìn)型CsF-RbF-AlF3釬劑，在6061鋁合金和304不銹鋼表面潤(rùn)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(xiàn)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(qiáng)度先增加后下降，Al元素為15%時(shí)，接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值130MPa。王繼明[27]采用真空釬焊選用Al-7Si-20Cu釬料無(wú)釬劑條件下對(duì)1060鋁合金與Q235鋼進(jìn)行連接實(shí)驗(yàn)，研究表明: 在 570℃溫度下保溫5 min 時(shí)，Q235鋼表面鍍Ni后改善鋼側(cè)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(cè)界面生成Ni2Al3與NiAl3金屬化合物層，接頭力學(xué)性能明顯提高；隨著釬焊保溫時(shí)間延長(zhǎng)，Ni2Al3層逐漸變薄，而NiAl3層變厚，接頭的剪切強(qiáng)度略有提高；進(jìn)一步提高釬焊時(shí)間，則Ni層消失，再次出現(xiàn) Fe- Al金屬間化合物層，接頭抗剪強(qiáng)度下降。王國(guó)偉[28]采用金屬離子注入技術(shù)在不銹鋼表面制備鋁層作為過(guò)渡層，并采用AlSi釬料對(duì)注鋁后的不銹鋼與工業(yè)純鋁進(jìn)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(rùn)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(rùn)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(qiáng)度則越高。但釬焊溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng),會(huì)導(dǎo)致金屬化合物層越厚，接頭抗剪強(qiáng)度越低。

4 展望

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋁鋼異種金屬焊接研究不斷推進(jìn)，鋁鋼異種金屬焊接技術(shù)日趨成熟，所涉及到的焊接方法較為廣泛。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可根據(jù)各自焊接方法的特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，“享用”好現(xiàn)有的研究成果。

同時(shí)，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(xué)成分是重中之重，它從本質(zhì)上決定焊縫金屬化合物種類、厚度，焊縫耐蝕性、力學(xué)性能等。也是實(shí)現(xiàn)母材“等強(qiáng)匹配”最根本的措施之一。焊接時(shí)，嚴(yán)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(diào)整工藝參數(shù)和方法，嚴(yán)格限制焊接熱輸入，保證金屬化合物厚度不超標(biāo)；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(xué)親和力較好的元素作為即中間過(guò)渡層或表面改性層，從而降低鋁鋼本身強(qiáng)度梯度差，更好的實(shí)現(xiàn)兩種材料的連接。