钢/铝异种金属连接技术研究

彭欣强 张建武 杨臣

摘 要：文章主要介绍了钢/铝异种金属连接的焊接、机械连接、粘接及粘铆复合连接方式，总结了各种连接方式的特点、研究现状与局限性，并对钢/铝连接技术的发展和研究方向进行展望。

关键词：钢/铝连接;机械连接;粘铆复合连接

中图分类号：TG456.7  文献标识码：B  文章編号：1671-7988（2020）15-169-03

Abstract： This paper mainly introduces the welding， mechanical connection， bonding and adhesive-studded composite connection methods of steel/aluminum dissimilar connection technology， and summarizes the characteristics， research status and limitations of various connection methods. The development and research direction of steel/aluminum connection technology are prospected.

Keywords： Steel/aluminum connection; Mechanical connection; Bonding and adhesive-studded composite connection

CLC NO.： TG456.7   Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）15-169-03

前言

采用铝合金替代传统汽车的钢材是汽车轻量化的重要途径之一，铝合金的制造成本高，因此在合适的位置使用铝合金替代钢材的钢-铝混合车身是近年来汽车行业发展的方向。目前，钢/铝异种金属连接技术有三类，焊接、机械连接、粘接及粘铆复合连接。本文主要介绍了三类连接技术的特点，概括了钢/铝异种金属连接的可行性研究及工艺局限性，并对钢/铝连接的研究和技术前景进行了展望。

1 钢/铝异种金属的焊接

钢/铝异种金属焊接困难主要是由于Fe和Al在物理参数、力学参数等方面存在较大差异。钢/铝焊接的主要难点如下[1]：

（1）易形成硬而脆的金属间化合物，使接头脆性增加，塑性和韧性下降。

（2）熔点差异大，使冷却结晶后焊缝成分不均匀，接头性能较差。

（3）铝及铝合金表面易形成难熔氧化膜，这种氧化膜易与液态金属结合，形成夹杂。

（4）热导率和线膨胀系数相差大，接头变形大，易形成裂纹。

为克服焊接的难点，目前应用于钢/铝异种金属焊接的主要方式有激光钎熔焊、冷金属过渡焊接技术（CMT）、搅拌摩擦焊、钢/铝电阻焊连接（IW）等。

1.1 激光钎熔焊

激光钎熔焊是指以激光束为热源，钢母材不熔化，使铝母材熔化，铝母材及填充金属在钢母材表面铺展形成钎焊连接，得到钢/铝焊接接头。激光钎熔焊可抑制钢与铝焊接形成大量硬而脆的金属间化合物，也避免了钢/铝熔点差异大产生的问题。

国内外研究者对多种填充金属，如Pb、Sn-5%Zr、Ni、Cu、Al、Zn等做了大量的研究。Al基材料作为填充金属能改善焊缝外观，提高焊缝的过程稳定性 [2]。Mathieu[3]等指出了Zn能减少钢/铝接头金属间化合物的生成，采用Zn-15Al焊丝对0.77mm镀锌低碳钢和1mm6061铝合金进行激光钎熔焊，金属间化合物在8～12μm时，接头最大抗拉强度可达220MPa。崔 [4]等对铝-镀锌钢板的不同填丝激光钎熔焊进行研究，填加ZnAl15焊丝，焊接头界面仅有层状金属间化合物，接头力学性能抗拉力可达3kN，是三种焊丝的接头中最高的。

以上可以看出，激光钎熔焊接头需抑制硬而脆的金属间化合物产生，同时接头连接性能通过金属间化合物实现的，因此，合适的金属间化合物及厚度是得到良好接头性能的关键。

1.2 冷金属过渡焊接技术（CMT）

CMT是一种无焊渣飞溅的新型焊接工艺，图1为CMT焊接工艺示意图。

1）起弧，熔滴向熔池过渡2）熔滴进入熔池，电弧熄灭

3）电流短路，焊丝回抽，熔滴脱落4）焊丝运动方向改变，重新起弧

黄[5]采用CMT焊接镀锌钢和3A21铝合金，得到接头的抗剪切强度是铝合金母材的70%。冯[6]采用CMT实现了镀锌钢与铝合金的连接，填充材料为Al-Si焊丝，中间界面区厚度为7-8μm，接头抗拉强度只有72.1MPa。

CMT可精确控制焊接热输入，使钢母材不熔化，铝母材熔化，在钢母材表面形成钎焊接头。研究者主要研究CMT焊接接头的金属间化合物厚度对力学性能的影响。

1.3 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是一种固相焊接方法，由一个圆柱体或其他形状的搅拌针伸入工件接缝处，通过搅拌头的高速旋转，产生摩擦热，使连接部位材料呈热塑性状态，金属发生塑性流动并搅拌混合，形成焊缝。

对接搅拌摩擦焊中，搅拌头旋转方向与焊接方向一致的一侧为前进侧，搅拌头旋转方向与焊接方向相反的一侧为后退侧。CHEN.C.M等人[7]研究6系铝合金和钢对接搅拌摩擦焊时发现，硬度较高的材料放置在前进侧时，得到的焊接接头力学性能优良。同时很多研究者对铝钢搅拌摩擦搭接焊进行研究。搅拌摩擦焊工艺采用小的热输入、无需保护气、无需焊接材料就能得到优良的接头。

在实际应用中，Mazda公司的MX-5跑车的铝合金行李箱盖-钢栓定位器的连接方式就是搅拌摩擦点焊。搅拌摩擦焊虽然能得到优良的焊接接头，但是存在工作效率低，搅拌头易损耗等问题。

2 机械连接

钢/铝异种金属机械连接方式很多，包括自冲铆钉连接技术（SPR）、热融流钻螺接技术（FDS）、无铆钉铆接（TOX）、射铆钉技术、拉铆等。机械连接不涉及加热过程，避免了脆性金属间化合物的生成，但是有疲劳性能较弱、增重等缺点。下面主要介绍SPR、FDS技术的特点、应用和研究现状。

2.1 SPR工藝

SPR工艺是一种在铆钉与母材之间形成牢固互锁的冷成型工艺。图2为SPR工艺的示意图。

SPR属于机械冷成型连接工艺，可实现多种材料（铝、钢、塑料）的连接，已广泛应用于全铝、钢-铝车身。其中，1994年奥迪A8铝制车身上使用了多达1100个的铆点，2000年宝马Z8全铝车身使用了1000多个铆点，2016年捷豹XFL钢-铝车身上铆点高达2754个，宝马新5系/7系、凯迪拉克CT6钢-铝车身中也应用了很多SPR铆点。

SPR成为了目前全铝、钢-铝车身连接中必不可少的连接技术，但是SPR工艺也有其局限性：1）不同材质、不同厚度的接头组合需要不同的铆钉、冲头、冲模，且铆钉成本高，设备成本高于传统点焊;2）铆枪只有C型枪，对产品约束大;3）接头不能有脆性材料;4）铝型材或铸件的延伸率需大于12%;5）满足薄板铆向厚板，硬材质向软材质的约束，当厚板铆向薄板时，底层板材的厚度必须大于总厚度的1/3。

SPR工艺的质量检测方法是国内外研究的重点。检测SPR铆点质量的要点有：1）铆钉周围是否存在间隙;2）铆钉尾部切入底层板材，并与之互锁;3）铆钉尾部是否穿透底层板;4）铆钉尾部是否屈服和蜷缩;5）铆接钮扣没有径向开裂;6）铆接尾部是否有崩裂现象。在实际量产中，SPR工艺的质量监控点很多，难以达到实时监控，这方面研究较少，SPR点的质量在线监控有必要进一步研究。

2.2 FDS工艺

FDS工艺是通过高速旋转使板料钻穿后攻丝铆接的冷成型工艺，其原理如图6所示。1）螺钉在高转速、高压力下，对板材进行钻孔;2）旋转穿过材料;3）形成圆柱状;4）形成螺纹;5）旋转继续往下;6）最后拧紧达到安装扭矩。

FDS工艺为单面连接，可实现封闭腔体结构的连接;可连接钢、铝、塑料等不同种材料;螺纹接触面积大可产生大的旋转扭矩;气密性水密性好;攻丝螺纹可拆卸;返修简单。FDS广泛应用在全铝、钢-铝车身中，如奥迪R8、A8、A6、宝马、凯迪拉克CT6等汽车品牌。

FDS工艺也有局限性，如需要高的刚性支撑;铆接时间长，约3～5s;铆钉成本高;设备成本高于点焊;FDS点正面铆接时需要较大的进枪空间;不能有脆性材料;不同材质铆接时需从钢板到铝板，从薄板到厚板。

FDS质量检测通过外观检测、扭矩检测和在线检测来实现，外观检测主要是保证螺钉与母材表面垂直且无间隙，是否存在未贴合、裂纹、漏铆、铆偏、铆钉脱落等缺陷。扭矩检测是通过扭矩值来判断的，扭矩值大于3N*m即为合格。FDS工艺过程可以100%在线自动监控，适时反馈铆接质量。

3 粘接及粘铆复合连接

与焊接、机械连接不同，粘接采用面连接，不易产生应力集中，连接强度较高，可实现钢/铝连接。宝马7系钢-铝混合车身中，铝合金顶盖和钢板的侧围之间采用粘接。但粘接也有其缺点：（1）胶成本高;（2） 胶味道大，对环境污染严重;（3）粘接效果易受温度和湿度的影响;（4）钢、铝膨胀系数相差大，涂装时钣金易错动影响粘接性能;（5）粘接安全隐患大，破坏形式是突然性开裂，失效时承载瞬间为零。因此通常采用粘铆复合连接。

粘铆复合连接技术的优势有：（1）胶隔绝了钢和铝的接触，避免电偶腐蚀;铆接能消除钣金错动;（2）粘接能增强接头的强度、刚度，显著改善疲劳特性;铆接避免了在粘接失效时承载瞬间为零。不利的方面是粘铆复合连接增加了连接成本。

4 小结

在焊接、机械连接、粘接及粘铆复合连接中，选取合适的连接方式进行钢-铝混合车身连接以达到性能-成本-质量的最优化，是研究的重点。焊接是成本较小的连接方式，激光钎熔焊、CMT、搅拌摩擦焊都能实现钢/铝异种金属焊接，但是实现量产应用，还需在焊接质量控制难点上做验证;机械连接及粘铆复合连接已在钢-铝车身连接中广泛应用，连接成本高是主要缺点。粘铆复合连接的质量保证是钢-铝连接的重要课题。

参考文献

[1] 雷振，秦国梁，林尚扬等.铝与钢异种金属焊接的研究与发展概况[J].焊接， 2006（4）： 16- 20.

[2] Liu J， Jiang S， Shi Y， et al. Laser fusion-brazing of aluminum alloy to galvanizedsteel with pure Al filler powder [J]. Optics & Laser Technology. 2015， 66： 1-8.

[3] MATHIEU A，SHABADIR， DESCHAMPS A，et al.Dissimilar mate -rial joining using laser （aluminum to steel using zinc-based filler wire）[J]. Optics & Laser Technology， 2007，39（3）： 652-661.

[4] 崔凌越.铝-镀锌钢异种金属激光熔钎焊工艺与接头组织性能研究.[D]华中科技大学，2018.

[5] 黄鹏飞，卢振洋，高文宁，等.钢铝异种金属的低能量焊接法[J].机械工程学报， 2009， 45 （11）： 295-299.

[6] 张洪涛，冯吉才，胡乐亮. CMT能量输入特点与熔滴过渡行为[J].材料科学与工艺，2012，20（2）：3-4.

[7] C. M.Chen，R Kovacevic. Joining of Al 6061 alloy to AISI 1018 steel by combined effects of fusion and solid state welding[J]. Interna -tional Journal of Machine Tools & Manufacture， 2004，44（11）： 1205 -1214.