提高鋁鋼焊接接頭力學性能的研究現狀

李 妍，劉 寧，黃健康，樊 丁

（1.天水師范學院機電與汽車工程學院，甘肅天水741001；2.蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，甘肅蘭州730050；3.蘭州理工大學有色金屬合金省部共建教育部重點實驗室，甘肅蘭州730050）

提高鋁鋼焊接接頭力學性能的研究現狀

李 妍1，劉 寧2，3，黃健康2，3，樊 丁2，3

（1.天水師范學院機電與汽車工程學院，甘肅天水741001；2.蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，甘肅蘭州730050；3.蘭州理工大學有色金屬合金省部共建教育部重點實驗室，甘肅蘭州730050）

鋁鋼復合結構具有強度高、耐腐蝕、質量輕等優點，在航空航天、船舶、汽車制造等領域引起了廣泛關注，應用前景良好。然而鋁、鋼兩種材料的熱物理性能差異大，且兩者之間的固溶度低，在連接過程中Al、Fe原子相互作用極易生成脆性的Al-Fe金屬間化合物，從而降低接頭的力學性能，極大限制了鋁/鋼異種復合結構件在工業生產中的應用。為了增加液態鋁在鋼表面的潤濕鋪展性，以及有效控制鋁鋼界面Al-Fe金屬間化合物的生長，國內外學者主要從添加合金元素和鍍層兩方面進行研究，以期獲得成形良好且符合一定力學性能要求的鋁鋼接頭。

焊接；鋁鋼界面；合金元素；鍍層

0 前言

在提倡節能減排、低碳生活的今天，如何更好地實現汽車的節能、環保是全球汽車制造商們亟待解決的問題[1-2]。汽車車身在整車質量中占30%，要實現汽車輕量化應當從減輕車身質量出發；而鋁合金相對密度小、比強度高、導熱性好，是汽車輕量化技術中使用最廣泛的輕量化材料。但采用純鋁車身的成本遠高于傳統鋼制車身，且在安全性方面全鋁車身結構弱于傳統鋼制車身，而鋁鋼復合材料能夠很好地解決以上問題，且鋁鋼復合結構因強度高、耐腐蝕、質量輕等優點，在航空航天、船舶等領域也引起了廣泛關注，應用前景良好[3-5]。

然而鋁、鋼兩種材料的熱物理性能差異大，且兩者之間的固溶度低，在連接過程中Al、Fe原子相互作用極易生成脆性的Al-Fe金屬間化合物（Intermetallic Compounds，IMCs），從而降低接頭力學性能，極大限制鋁/鋼異種復合結構件在工業生產中的應用[6-8]。為了增加液態鋁在鋼表面的潤濕鋪展性，并有效控制鋁鋼界面Al-Fe金屬間化合物的生長，以此來獲得力學性能良好的鋁鋼焊接接頭，國內外學者主要從添加合金元素和鍍層兩方面進行研究。

1 措施

1.1 合金元素的影響

鋁的熔點為660℃，遠低于鋼的熔點，在焊接過程中，鋁熔化為液態時，鋼還沒有熔化，仍處于固態，且兩者間的密度相差很大，若鋼完全熔化時，液態鋁因密度低會漂浮在鋼水上面，冷卻結晶后焊縫分布不均勻，焊縫性能不達標。由于鋁和鋼的熔點、導熱性等物理性能的差異，用熔釬焊連接鋁/鋼，鋁熔化而鋼不熔化，在連接界面處易產生FeAl3、Fe2Al5等脆硬金屬間化合物，影響鋁鋼接頭的力學性能。近年來，國內外許多學者深入研究了鋁鋼異種金屬的連接，涉及到壓焊、釬焊、熔焊等各種方法，但不論采用哪種焊接方式，焊接材料對焊接接頭的性能都起著至關重要的作用，因此許多學者通過在鋁鋼焊接過程中添加其他合金元素來改善液態鋁在鋼表面的浸潤鋪展作用，抑制Al-Fe金屬間化合物的形核生長和細化晶粒以及形成細小的金屬間化合物組織，從而提高接頭的力學性能。目前，常采用Si、Zn、Cu、Mn、Ag等合金元素作為鋁鋼焊接時的填充材料，因為這些元素與鋁和鐵均有著良好的結合性。

北京航空航天大學的于文花等人[9]在Al-Si釬料中添加Cu、Ni元素，研究Cu、Ni、Si對Al基釬料性能的影響。合金元素Cu，Ni，Si含量對釬料熔點的影響如圖1所示，結果表明，隨著Cu、Si合金元素含量的增加，釬料的熔點大大降低，而Cu、Ni、Si合金元素的添加對釬焊接頭抗剪性能的影響不明顯。

圖1 合金元素Cu，Ni，Si含量對釬料熔點的影響Fig.1 Alloy elements Cu，Ni，Si content on melting point of solder

日本大阪大學的Taichi MURAKAMI[10]等人采用直流脈沖MIG電弧熔釬焊，用Al-Si藥芯焊絲對SPCC鋼與A1050P-H24鋁合金進行直流脈沖MIG電弧搭接焊。試驗表明，在接頭界面主要形成了Al7.4Fe2Si三元化合物。研究發現，通過控制焊縫的化學成分能夠抑制金屬間化合物層厚度，使其小于2.5 μm，此時鋁鋼焊接接頭的抗拉剪強度可達80 MPa，是鋁合金母材的約70%。

哈爾濱焊接研究所雷振等人[11-12]采用大光斑Nd：YAG+MIG電弧復合熱源實現鋁合金和鍍鋁鋼、鍍鋅鋼以及非鍍層鋼的優質高效連接。研究發現合金元素Zn、Sn能夠降低液態釬料與鋼之間的表面張力，從而有效提高了液態釬料在鋼表面的流動性和浸潤鋪展性。同時還發現Sb能夠提高鋁鋼接頭的強度，稀土La有效改善了金屬間化合物的塑性，從而提高鋁鋼接頭的力學性能。

Jacome等人[13]采用4種不同成分的的鋁基焊絲（Al99.5，AlMn1，AlSi5，AlSi3Mn1）進行了鋁合金與鍍鋅鋼板對接焊接，研究焊絲成分對接頭化合物層特征及接頭性能的影響。發現添加Si元素能夠在金屬間化合物層形成早期抑制其生長，但Si元素容易導致焊縫裂紋和氣孔的出現，從而影響接頭的力學性能。而Mn元素細化了金屬間化合物晶粒尺寸，提高了接頭的強度。

澳大利亞皇家理工大學的A Boag[14]等人研究發現Cu、Mn等元素能固溶于Fe-Al金屬間化合物中，可以改善脆硬的金屬間化合物的力學性能。

哈爾濱工業大學宋建嶺等人[15]研究了合金元素改善鋁鋼接頭性能，分別論述添加合金元素的基本原則以及合金元素的作用和添加量。合金元素的添加會降低焊接材料的熔點，確保鋁在鋼側有好的浸潤性和鋪展性；合金元素能抑制化合物層生長，改變金屬間化合物的形態及分布；合金元素起到變質處理及形核劑作用，達到細化晶粒以提高接頭性能的目的。Si元素可以降低焊絲熔點，增加其在鋼表面的浸潤性、鋪展性，且焊料中w（Si）一般在5%～12%范圍內。Zn能改善焊料在鋼表面的浸潤性，提高接頭強度，其添加量視具體的焊接方法而定。

大連理工大學董紅剛等人[16]研究了硅和銅元素對鋁/鍍鋅鋼接頭性能的影響，認為Si元素能夠抑制金屬間化合物層的生長。Si元素對鋁/鍍鋅鋼接頭形貌的影響如圖2所示，隨著Si含量增加，金屬間化合物層厚度減小，同時Si元素的加入可以改善接頭界面區的柱狀晶組織。而對于Cu元素而言，當其含量大于一定值時，金屬間化合物層的厚度增加。

蘭州理工大學石玗等人[17]研究了Si、Mg元素對脈沖旁路MIG電弧焊鋁/鋼接頭性能的影響。研究發現Si在焊接過程中參與化學反應，生成Al-Fe-Si三元金屬間化合物，減小Fe原子向Al-Fe-Si三元金屬間化合物中擴散，從而抑制Fe2Al5的形成，有利于減小金屬間化合物層的厚度，而Mg不參與Al-Fe金屬間化合物的形成。且通過拉伸試驗可知，采用鋁硅焊絲其焊接接頭的強度大于使用Al-Mg焊絲的強度。

湖南大學周惦武等人[18]研究了Mn和Zr元素對鋁鋼激光焊接接頭的影響，認為添加Mn、Zr元素能夠提高接頭的抗剪能力，且Zr元素的作用較為明顯（見圖3）。同時，Mn元素提高了熔池金屬的流動性，而Zr元素可以細化焊縫區晶粒，形成新的韌性相ZrFe33Al13，均有利于提高接頭的力學性能。

圖2 Si元素對鋁/鍍鋅鋼接頭形貌的影響Fig.2 Si elements on the influence of aluminum/galvanized steel joint morphology

圖3 焊縫微觀組織Fig.3 Weld microstructure

1.2 鍍層影響

在鋁合金及鋼表面沉積過渡層，既能阻止Fe-Al脆性金屬間化合物的生成，又能保證釬料在兩種金屬表面充分潤濕。為了提高鋁鋼異種接頭的焊合率、降低焊接溫度以及減少脆硬化合物相的生成量，通常選用Ag、Cu、Ni等箔或鍍層作為阻隔層。國內外學者對于采用過渡層來改善鋁鋼接頭的性能方面進行了大量研究。

哈爾濱工業大學馮吉才等人[19]研究了通過添加Cu夾層對LF2鋁合金/Q235鋼進行電子束焊接，希望以此來控制焊縫區域Fe-Al脆性化合物的生成。但研究結果發現，Cu夾層不能有效阻止脆性相的生成，且接頭最高抗拉強度僅為75 MPa，接頭成形不良，接頭成形如圖4所示。

圖4 鋁/鋼Cu夾層電子束焊接頭Fig.4 Al-steel joint by electron beam using Cu interlayer

江蘇大學的吳銘方[19]等人對6016鋁合金/鍍銀層/lCrl8Ni9Ti不銹鋼進行了擴散釬焊連接，探討鋁鋼界面金屬間化合物的生長行為。研究發現，連接界面由不銹鋼側的Fe-Al化合物層、鋁側的Ag（Al）固溶體以及中心區域Ag-Al化合物和Ag（Al）固溶體的混合結構組成。在金屬間化合物產生的過程中，由于Al原子擴散路徑的緣故，首先產生Ag-Al金屬間化合物，Fe-Al金屬間化合物延遲產生。

上海交通大學的呂學勤[20]等人通過在不銹鋼表面電刷鍍Ni/Cu過渡層，與鋁合金進行釬焊連接。結果表明，Ni/Cu復合鍍層降低了Al及Fe原子的互擴散現象，阻止了金屬間化合物的生長。Cu鍍層與釬縫之間生成了少量組織不連續的化合物相，脆硬相對接頭力學性能的影響較小，接頭的剪切強度可達33.6 MPa。

趙祖林等人[21]在1Crl8Ni9Ti不銹鋼和6063鋁合金接觸反應釬焊過程中采用了Ag-Ni復合過渡層。結果表明，采用Ag-Ni復合過渡層焊接過程中應嚴格控制保溫時間，恰當的保溫時間有利于獲得性能優良的接頭。當釬焊時間較短時，鎳層阻礙了脆性金屬間化合物的形成和長大，釬縫接頭組織由鋁合金側Al基固溶體與Al-Ag金屬間化合物構成；而當釬焊時間較長時，Ni層阻隔作用消失，Ni層逐漸熔合于液態釬料中，Al-Ag化合物含量明顯增加，顯著降低了接頭力學性能。

哈爾濱工業大學的趙振清[22]等人通過在鋁合金表面電刷鍍鎳、銅及SnPb釬料合金實現了鋁合金的直接低溫釬焊。研究發現，鍍層與基體結合良好，接頭剪切強度最高可達20 MPa，鍍鎳阻擋層可以有效地增加Sn基釬料釬焊鋁合金焊縫的抗腐蝕性能。

哈爾濱工業大學的張智慧[23]等人在鋁基復合材料表面濺射Cu后并采用SnAgCu釬料進行真空釬焊。研究發現焊縫組織致密，接頭的最高剪切強度可達9.15 MPa，在靠近Cu層的復合材料的表層發生斷裂。在2024鋁基復合材料表面鍍鎳時，一些顆粒增強相提高了焊縫強度，Ni層減小了化合物層厚度提高了焊點的可靠性。

Zhu等人[24]對表面鍍用化學鍍Ni-P-Cu合金層的YT15硬質合金與不銹鋼進行釬焊。研究發現，合金鍍層增強了硬質合金與碳鋼的釬焊性能。化學鍍時，采用PH=11，濃度為1.254 g/L的CuSO4溶液，在溫度為90℃時進行沉積，獲得了均勻致密的Ni-P-Cu鍍層，與硬質合金基體及黃銅釬料形成良好的冶金結合，接頭的剪切強度最高可達480 MPa。

哈爾濱工業大學的徐家富等人[25]在Al2O3陶瓷表面化學鍍鎳后與5A05鋁合金進行真空釬焊。結果表明，當釬焊溫度為 570℃、保溫時間為15 min時，可獲得力學性能良好的釬焊接頭，其抗拉強度可達25 MPa。同時發現釬焊保溫時間對連接界面金屬間化合物的形態和分布有很大影響。隨著保溫時間的延長，界面反應時間延長，過多的Ni參與界面反應，鍍Ni層與Al2O3之間的“鎖扣效應”消失，導致接頭力學性能降低。

王奇娟等人[26]在研究熱管的釬焊時，首先對鋁合金進行化學鍍鎳預處理，并采用錫基釬料和活性釬劑對鍍鎳鋁合金及不銹鋼進行軟釬焊。研究表明，當鍍鎳層厚度10 μm、釬焊溫度220℃、釬縫間隙0.2~0.5 mm時，所得熱管釬焊結構接頭力學性能及傳熱性能良好。

Tan等人[27]在鎳板表面電鍍金后進行精密電阻釬焊，研究發現，焊接電流大小影響接頭的連接機制。隨著電流的不斷增加，鍍金鎳板由固相連接轉化為固相連接與釬焊連接相結合的連接機制，以及固相連接、釬焊以及熔焊的混合連接機制，在大電流下得到的鍍金鎳板釬焊接頭，接頭中無熔核形成，其強度高于無鍍層鎳板接頭。

2 結論

鋁/鋼焊接接頭界面形成的金屬間化合物對焊接接頭的力學性能影響很大。因此，主要從添加合金元素和鍍層兩方面入手，研究鋁/鋼焊接接頭界面金屬間化合物的相成分、種類、微觀組織分布和形成過程，以及金屬間化合物層厚度，以獲得成形良好且符合一定力學性能要求的鋁鋼接頭。

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Research status of improving the aluminum steel welded joint mechanical properties

LI Yan1，LIU Ning2，3，HUANG Jiankang2，3，FAN Ding2，3
（1.School of Mechtronics and Automobile Engineering，Tianshui normal university，Tianshui 741001，China；2.Key Laboratory of Non-ferrous Metal Alloys，The Ministry of Education，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；3.State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

For aluminum and steel composite structure with the advantages of high strength，corrosion resistance and light quality，has caused wide attention in the aerospace，shipbuilding，automobile manufacturing and other fields，shows a good application prospect.Due to the aluminum，steel thermal physical properties of two kinds of materials，and the solid solubility is low，between the two Al，Fe atomic interaction in the process of connecting to generate brittle Al-Fe intermetallic compound，thereby reducing joint mechanical performance，which greatly limits the heterogeneous composite aluminum/steel structure application in industrial production.In order to increase the wetting spreadability on the surface of the liquid aluminum in steel，and control the growth of intermetallic compound，the scholars at home and abroad make the research mainly from two aspects of adding alloying elements and coating，to obtain the aluminum steel joint which is forming good and meets the requirements of the certain mechanical properties.

welding；aluminum/steel interface；alloying elements；plating

TG457

C

1001－2303（2017）02－0102-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.20

2016-08-24

李 妍（1982—），女，甘肅蘭州人，講師，碩士，主要從事焊接過程自動控制及計算機應用方向的教學科研工作。

獻

李妍，劉寧，黃健康，等.提高鋁鋼焊接接頭力學性能的研究現狀[J].電焊機，2017，47（02）：102-106.