我国钢铝异种金属焊接概述

胡美些

（内蒙古机电职业技术学院，内蒙古 呼和浩特010070）

0 引言

随着经济快速发展，生态环境问题日益突出，特别是雾霾等大气污染，更是全社会关注的热点问题。作为我国主要大气污染源之一的交通运输业，提倡绿色、节能、环保势在必行。有研究表明[1]，汽车重量每减少100 kg，油耗和 CO2排放可分别减少 0.35 L/100 km和8.4 g/km。车身质量占整车质量的40%，所以如何减轻车身重量对于节能环保具有举足轻重的地位。车身轻量化途径一般有三种，包括应用轻量化材料，优化车身结构，选用先进成型技术，其中车身选用钢和铝合金材料，采用先进焊接方法连接是车身轻量化研究重点之一。但是由于钢铝异种金属的热物理性能和化学结晶性能相差较大，导致其焊接性极差。首先两种金属熔点不同，钢的熔点为1 500℃左右，铝的熔点为660℃，所以焊接加热过程中，熔化钢铝需要吸收的热量相差很大，进行熔化焊时将无法将两种金属均匀地熔合在一起，因为焊接施工时往往铝已熔化，而钢却难以熔化，造成二者难以有效熔合而无法实现焊接接头的牢固连接。

其次，两种金属的热导率和线膨胀系数也不同。在冷却过程中，由于热导率、线膨胀系数不同造成两种材料收缩程度不同，从而形成焊接残余应力，引起焊接变形甚至开裂等缺陷的产生。钢中的铁和铝几乎不互溶（在225～600℃，铁在铝中的固溶极限为0.01% ～0.022%），所以在焊接熔池冷却过程中会产生FeAl3，随着Fe含量的增加，还会形成 Fe2Al、Fe2Al7、Fe2Al5、FeAl2等一系列硬而脆的金属间化合物[2]（如图1所示），导致焊接接头塑韧性降低，甚至会引起焊接裂纹的产生。另外，二者密度也不同，铝的密度较小，为 2.7 × 103kg/m3，钢的密度较大，为 7.8×103kg/m3。所以在焊接熔池中质轻的铝液浮在质重的钢液上面，严重影响二者充分接触发生化学冶金反应的效果。

如何克服钢铝焊接技术瓶颈，更好利用铝合金质轻而钢材强度大的性能特点是钢铝异种金属焊接技术需要重点研究的对象。一般来说，改善焊接件焊接质量，无非是从外因和内因寻找突破口。外因就是如何采用合适的焊接方法及其焊接工艺参数来改变焊接过程进而改善焊接质量；内因就是如何通过添加其他合金元素进而改变化学成分来改善焊接金属的结晶性能，从而改善焊接质量，即采用焊缝金属合金化改善焊接质量。

图1 F e-A l二元合金相图[3]

1 焊接方法及焊接工艺参数的正确选择

由于钢铝焊接接头是由两种化学性能和物理性能都有很大差异的金属所组成，所以焊接时所选焊接方法和焊接工艺参数不同，焊接接头的性能会有很大的变化。所以探究适合钢铝异种金属的焊接方法以及相适应的焊接工艺参数就显得尤为重要。根据焊接过程中外加能量不同和工艺特点差异，可把焊接分为熔焊、压焊和钎焊。对于钢铝异种金属焊接，由于钢铝熔点相差太大，就目前的焊接方法而言，还没有哪一种焊接方法能够实现同时钢铝熔化而保证形成良好的焊接接头，所以钢铝常用的焊接方法主要是熔钎焊和压焊。

1.1 熔钎焊

熔钎焊是钢铝异种金属焊接中应用前景非常广阔的一种新型焊接方法。该方法是利用异种金属母材熔点的差异，在严格控制焊接热输入的前提下，使得钢母材端不熔化，仅依靠铝母材的熔化和在钢表面的铺展润湿实现钢的钎焊。即焊接的过程同时发生了铝的熔焊和钢的钎焊，故称为熔钎焊。根据使用热源的不同，熔钎焊常用的方法有CMT熔钎焊，TIG熔钎焊、MIG熔钎焊、激光熔钎焊、电子束熔钎焊等。

1.1.1 CMT熔钎焊

CMT是Cold Metal Transfer的缩写（冷金属过渡），该技术是由1997年福尼斯公司开发的无飞溅引弧技术上发展而来的。最终将该技术应用于焊接生产是在2002年该公司研发出CMT焊接系统之后。同传统的电弧焊接方法相比，CMT熔钎焊具有焊接热输入小，焊接过程无飞溅、焊缝成型优良等[4]优点而被广泛应用于钢铝异种金属焊接中。CMT熔钎焊主要有搭接焊和对接焊两种，通过优选焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度、焊接热输入等焊接参数，并选用合适的焊接母材可以获得力学性能优良的焊接接头。

江苏科技大学崔佃忠等人[5]采用CMT熔钎焊技术搭接焊接5052铝合金和Q235镀锌钢，当电流为66 A时搭接接头的最大拉剪强度为115.7 MPa。对接焊接5052铝合金和304不锈钢时，当电流为66 A，电压为 11.8 V，送丝速度为 65 mm/s，焊接速度为 6.5 mm/s，热输入为 119.8 J/mm 时获得了 111.64 MPa 的焊接接头抗拉强度。中北大学庞二元等[6]在研究5083铝合金和Q235镀锌钢板CMT搭接焊接时，发现采用ER4043铝硅焊丝得到的焊接接头性能比采用ER5083铝镁焊丝得到的焊接接头性能更优。上海工程大学谢超杰等[7]采用CMT熔钎焊技术焊接6061铝合金和Q235镀锌钢时，获得了抗拉强度为134 MPa的焊接接头。

北京工业大学的尹兰礼等[7]采用钨极氩弧焊和冷金属过渡焊焊接铝合金与低碳钢，通过对比二者的焊缝成型和接头强度，发现两种方法均可实现钢铝有效连接，但是冷金属过渡焊的焊缝成型相对较好且焊接接头拉剪强度值可达母材强度的85%。

1.1.2 TIG 熔钎焊

TIG熔钎焊即钨极氩弧熔钎焊，因其设备简单，成本较低，便捷高效等优点而在钢铝异种金属焊接中被采用。大连理工大学的宋洋等[8]采用添加AlSi2药芯焊丝的TIG熔钎焊实现了纯铝/不锈钢的连接，接头抗拉强度可达92 MPa，是母材抗拉强度的73%。

1.1.3 激光熔钎焊

由于激光束能量集中，加热速度快，加热范围小，热影响区窄，可精确控制焊接热输入，抑制钢铝钎焊界面处金属间化合物的形成或生长，因此在钢铝焊接上的研究和应用非常广泛。按激光吸收能量原理的不同，激光熔钎焊分为激光热导熔钎焊和激光深熔钎焊两类。衣玉兰等[9]通过研究AA6016铝合金/22MnB5硼钢激光熔钎焊工艺，发现喷砂处理镀铝22MnB5相比直接激光熔钎焊接22MnB5与AA6016铝合金更加容易。北京工业大学的张冬云等人[10]采用扩散板条二氧化碳激光器对接焊接厚度为1 mm的DC06钢板和厚度为2 mm的60612T6铝合金，当采用焊接参数为2.16×106W/cm2、焊接速度2 m/min、送丝速度6 m/min的低能量密度焊接时，获得的焊缝最大抗拉剪力为2.99 kN，而采用焊接参数为2.95×106W/cm2、焊接速度3 m/min、送丝速度 9 m/min的高能量密度焊接时，获得的焊缝最大抗拉剪力为2.18 kN，只有低能量密度的72.9%。北京工业大学的崔丽等[11]研究了在无任何填充材料的条件下采用光纤激光深熔焊对钢/铝进行搭接焊时焊接速度对接头特性的影响，研究表明当焊接速度从2.4 m/min增加到3.3 m/min，焊缝成形不断改善，且在焊接速度为3.0 ～ 3.3 m/min时，获得了良好的焊缝成形。且随着焊接速度的增加，Fe4Al13化合物数量明显减小，界面金属化合物Fe2Al5层的厚度也明显减薄。当焊接速度为3.0 m/min时，钢/铝搭接接头的机械抗力最高达137.1 N/mm。张家界航空工业职业技术学院宋新华等[12]采用激光深熔填丝钎焊6061铝合金和H220YD+ZF镀锌钢板，当激光功率为2 600 W，焊接速率为1 m/min，送丝速率为 2.22 m/min，离焦量为 5 mm，同轴Ar保护气流量为16 L/min时，获得了145 MPa的焊接接头平均抗拉强度。拉伸试样断裂属于韧窝断裂。

1.1.4 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。如，哈尔滨工业大学的王廷等[13]通过采用电子束偏钢侧焊接2.0 mm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。哈尔滨工业大学的倪家强等[14]在 55 kV加速电压，2 450 mA聚焦电流，360 mm/min焊接速度，6～11 mA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。

1.2 压焊

压焊属于固相焊接，相对于熔焊而言焊接热输入较小，焊接温升低，能够阻碍钢铝脆性金属化合物的生成或减小化合物厚度，提高焊接接头力学性能。用于钢铝焊接的压焊方法包括搅拌摩擦焊、电阻点焊、爆炸焊等。

1.2.1 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊属于低能量输入焊接方法，搅拌头高速旋转一方面可以清除铝表面的氧化膜，降低或减少铝氧化物的有害作用，另一方面可以缩短焊接时间，降低焊接区温升，在固态下实现钢铝的有效连接，所以焊前无需处理，焊接残余应力和焊接变形小，非常适合钢铝异种金属焊接。钢铝搅拌摩擦焊常用的接头形式有对接和搭接。无论是对接还是搭接，搅拌针是否进入钢表面和进入钢表面的距离大小都对焊接质量有很大的影响。另外，焊接速度、搅拌头转速、摩擦时间也决定了焊接热输入的大小，对焊接接头强度有至关重要的作用。

兰州理工大学的邓向斌等人[15]采用搅拌摩擦焊对变形铝合金6082和Q235钢进行对接焊接，在搅拌头转速为260 r/min、焊接速度为160 mm/min、搅拌针长度为1.6 mm的最优参数下获得了140 MPa的焊接接头抗拉强度。兰州工业学院龚成功等人[16]采用搅拌摩擦电焊方法搭接焊接6061-T6铝合金和DP600镀锌钢板，当搅拌头旋转速度为1 400 r/min，摩擦时间为6 s，搅拌针伸出长度为2.4 mm时获得了10.96 kN的焊接接头最大抗剪切强度。重庆理工大学罗磊[17]等采用搅拌摩擦焊对接焊接3 mm厚2024铝合金和Q235钢板，在压入量为0.4 mm，焊接速度为44 mm/min，转速为420 r/min的焊接工艺参数下，焊接接头获得了最大值为334 MPa的抗拉强度，为铝合金母材强度的74.2%。

1.2.2 电阻点焊

电阻点焊属于压焊的一种，是加热-加压联合作用的焊接过程，具有大电流、短时间、加压状态下施焊的特点。因其效率高，成本低而被广泛应用于汽车、电子、航空等重要工业领域。在电阻点焊焊接钢铝异种金属的研究中，焊接参数对焊接质量的影响是往往成为研究的重点内容[18]。

南昌航空大学陈益平等人[19]采用三相次级整流电阻点焊机搭接焊接LF6铝合金和DP600镀锌钢板，发现焊接参数如焊接时间（2～16cyc）、焊接电流（20 ～ 35 kA）以及电极压力（4.8 ～ 7.8 kN）等对焊接接头的拉剪强度均有比较明显的正向影响，并且在预压时间为20cyc，焊接时间为8cyc、焊接电流为30 kA，电极压力为6.8 kN时，焊接接头获得了6 476 N的最大剪切力。徐峥等[20]采用中频电阻点焊机实现了厚度为1.5 mm的6008-T66铝合金和厚度为1 mm的H220YD钢板的有效焊接，采用的焊接参数为焊接电流22 kA，焊接压力4 kN，焊接时间为50～400 ms。通过分析发现，当焊接时间为300ms时焊接接头的拉剪力最大。湖南大学的宋娟等[21]在研究中频电阻点焊6008-T66铝合金与H229YD钢时，发现随着电流增大，钢铝界面处的金属间化合物层厚度增加，且有晶粒粗化的趋势。接头拉剪力随着焊接电流增加呈先增加后降低的趋势，且焊接电流在22 kA时拉剪力达最大。

1.2.3 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。南车青岛四方机车车辆股份有限公司的王振中等[22]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。候发臣等[23]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。崔卫超等[24]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。

2 焊缝金属合金化

所谓焊缝金属合金化，就是通过焊接材料或母材在原有主合金元素的基础上添加少量甚或微量其他合金元素，通过合金的化学冶金过程形成固溶体或其他脆性较小的化合物，来抑制钢铝脆性化合物的生成或抑制其长大。

由前所述可知，钢铝互溶性很差，室温几乎为零，当含量超过溶解度时必然会生成金属化合物。而金属化合物的性能一般为硬而脆，任何可以抑制金属化合物的生成或抑制其长大甚至调节其形态的方法就成为控制焊接质量很关键的内容之一。目前钢铝异种金属焊接时焊缝金属合金化最常用的方法就是通过一些技术手段添加锰、锆、锌、铜、镍、银等元素来实现。合金元素可以添加在钎料中或者是焊丝中，也可以采用镀层钢，还可以以箔、带、粉等形式添加在两种母材的界面间。

焊缝金属合金化方法中，比较常用的是采用合金焊丝来实现添加合金元素改善焊接性的目的的方法。兰州理工大学的石玗等[25]采用直径1.2 mm的4043（Al-Si）铝合金焊丝进行镀锌钢板与5052铝合金搭接焊时，发现富集在金属间化合物的Si元素不但可以抑制金属间化合物Fe2Al5的生长，还可改善接头力学性能。Zn在不同的地方既可形成金属间化合物也可形成铝锌固溶体，由于固溶强化作用使得存在铝锌固溶体组织的区域显微硬度更高。西安航空职业技术学院的李杰等[26]采用MIG熔钎焊进行铝/镀锌钢的搭接焊，通过分别填充Al-Si和Al-Mg铝合金焊丝分析研究Si元素对MIG熔钎焊铝/钢焊接界面金属化合物的组成及形态的影响，结果显示和Mg相比，Si减缓了Al原子向钢侧的扩散速度，减少了Fe2Al5化合物的厚度，增加了Fe在熔融铝液中的溶解速率和溶解度形成了较厚的枝晶状FeAl3化合物。

为防止钢/铝界面产生脆性金属间化合物，通常会在钢表面镀薄薄一层与铝互溶的金属，如镍、铜、锌、银等，但是效果最好应用最为广泛的还是镀镍钢。比如长春理工大学的李言飞等[27]通过研究发现镀锌层在钢铝焊接冶金反应中充当了过渡层的作用，并且镀锌层还有效抑制了Fe-Al金属间化合物的生长，减小了其生成量。兰州理工大学周彦林等[28]进一步研究发现镀锌层在电阻点焊钢铝时不能起到改善铝-钢润湿性的作用但是可以通过蒸发带走热量而相对降低界面上的热输入，进而使界面上的铁-铝金属间化合物变薄而改善接头力学性能。哈尔滨工业大学的吕世雄等[29]在对0Cr18Ni9不锈钢和LF21铝合金进行高频感应钎焊时，采用预先通过热浸镀一层纯铝到不锈钢表面的方式来改善钢铝焊接性，结果显示镀层金属可以抑制钢中铁原子和钎料中铝、硅原子相互扩散，同时降低了钢/铝界面处脆性金属间化合物的含量，接头力学性能也随之提高。包头轻工职业技术学院的王继明等[30]采用真空钎焊研究了化学镀镍的Q235钢和1060铝合金的焊接性，结果显示镀镍层的存在明显阻隔了Fe、Al原子的扩散反应，钢侧界面的脆性金属间化合物厚度相对较薄，拉剪试样呈现脆断和韧断混合的断裂方式。南昌大学李玉龙等[31]研究认为，在进行不锈钢和铝合金激光焊接时，不锈钢表面化学镀铜形成的铜箔对钢铝熔池过渡起到桥梁作用，有效降低和减缓了钢铝界面处液态金属的温度梯度和热传递，而且铜箔对两侧的Fe、Al具有良好的亲和性和互溶性，作为媒介使得Fe、Al混合更充分，同时还有部分Cu固溶到Fe基体中，起到了固溶强化作用。

为了实现钢铝焊接接头合金化，也有科研工作者研究了在钢铝界面添加粉末并采用激光焊或者压焊的方法使添加金属粉末参与两种金属的冶金过程。比如湖南大学张丽娟等[32]采用激光焊搭接焊接厚度为1.4 mm的DC51D镀锌钢和1.2 mm厚的6061铝合金，同时把锰或锆粉末添加在钢和铝合金搭接时的重合部位，激光束垂直入射上表面。结果表明，添加锰可提高熔池流动性，利于钢铝界面结合，添加锆能细化焊缝金属，抑制铁铝金属间化合物的生成。长春理工大学的倪聪等[33]采用激光填粉熔钎焊焊接1.5 mm厚 5052铝合金与 0.7 mm厚 ST07Z车用钢板，填充粉末为直径70～110μm的纯铝粉。当采用激光功率为2.25 kW，保护气体流量为15 L/min，焊接速度为1 m/min，送粉量为4.53 g/min时，可获得178 MPa的最大接头抗拉强度。北京工业大学的马彪等[34]研究发现：钢铝焊接时填加粉末可减缓金属间化合物的生长速率，可阻碍Fe、Al原子间的接触，另有部分粉末原子与Fe或Al形成了固溶体，减少了Fe-Al金属间化合物的生成，改善了接头塑韧性。湖南大学的王涛等[35]在采用光纤激光焊接低碳钢和铝合金板时，发现预置的Si粉改善了熔池金属的流动性和铺展性，抑制了Fe-Al脆性相的生成。天水师范学院的李妍等[36]在进行激光熔钎焊接5A06铝合金和ST04Z镀锌钢时，研究了预置硅、镁粉末对钢铝焊接性的影响。分析发现添加Si元素可以增加液态铝基在钢侧的浸润性，同时导致了铝钢焊接接头处产生大量的气孔。添加镁元素导致激光反射严重，致使接头背面呈现未焊透状态。合适的粉末填加量可以提高铝对钢的润湿性，减少金属间化合物的生成，从而获得理想的接头强度。吉林大学的苏雷[37]选用1.5 mm厚的6061-T6铝合金板和1 mm厚的SUS301L不锈钢板进行电阻点焊时，向点焊熔核分别添加了不同量的Cu、Zn、Si、Ti或Ni粉，结果显示合适的合金元素添加量对点焊接头的拉剪力。

在钢铝界面以薄带状或片状形式加入第三种元素，可以有效抑制钢铝金属间化合物的形成。长春理工大学杨旭东等[38]研究发现在钢铝异种金属激光对接焊过程中铜箔中间层可以抑制铝元素向钢侧焊缝扩散。添加铜箔中间层还可避免Fe元素的局部富集，抑制Fe4Al13的产生。在采用爆炸焊接方法时，为了抑制界面处产生Fe-Al脆性化合物，可通过在钢、铝之间增加钛夹层或纯铝夹层来获得结合质量较好的复合板[39-42]。吉林大学的张月莹等[43]研究了钢铝电阻电焊时铜箔中间层对焊接接头组织和性能的影响。分析发现铜箔可以抑制Fe-Al脆性化合物的生长，使得接头拉剪力得到提高。吉林大学的王晓虹等[44]利用激光搭接焊实现了1.4 mm厚6082铝合金和1.0 mm厚的05CuPCrNi高耐候低碳钢的有效连接。研究发现采用 Fe-B-Si（79.58%Fe、11.16%B，9.26%Si）作为中间层，钢铝界面更加平整，Fe-Al金属间化合物厚度减薄，数量减少，接头拉剪力为1020 N，是不添加中间层时的1.37倍。

3 结束语

钢铝焊接研究目前主要集中在焊接方法、焊接工艺参数和焊缝金属合金化对焊接接头组织和性能的影响。焊接方法和焊接工艺参数研究要主要考虑钢铝异种金属的热物理性能差异对焊接性的影响，焊缝金属合金化更多的考虑钢铝晶体化学性能的差异，研究途径涉及添加什么元素，怎么添加，添加多少等问题。

建议今后从断裂学的角度开展一些钢铝异种金属焊接性研究。在焊接选材时，等强度是考虑的原则之一，即被焊的两母材之间尽量强度相等或相当，特别是异种金属焊接时。这样在发生断裂时才有可能产生均匀变形。否则，正如俗语说得好，麻绳绳总是从细处断，比如钢铝焊接很多情况下裂纹起源发生在钢铝金属间化合物处，最终断裂发生在铝母材一侧[45-47]。而强度相当的本质因素是成分，所以在考虑钢铝焊接合金化元素种类时，除了考虑添加元素与钢铝两种元素的互溶性和化学亲和力之外，还应该考虑添加元素对焊接接头强度的贡献大小。因为钢铝两种元素的强度相差较大，所以在选择添加元素时应该在相对合适的溶解度和化学亲和力之下，考虑添加强度介于钢和铝强度之间的，能缩小钢铝强度差距的元素。