鋁/鋼異種金屬熔釬焊方法研究現狀

李 杰 ，黃健康 ，靳全勝

（1.西安航空職業技術學院 航空材料工程學院，陜西 西安710089；2.蘭州理工大學有色金屬合金及加工教育部重點實驗室，甘肅蘭州730050）

0 前言

近年來，能源問題和汽車尾氣排放引起的環境問題受到人們的廣泛關注，汽車輕量化成為汽車工業節能減排的重要方法之一[1]，車身制造中所用的大量鋼已被輕金屬、塑料等代替[2]。目前，部分汽車結構件制造已用鋁代替了鋼，鋁與鋼異種金屬焊接復合結構在汽車制造中得到較為普遍的應用。

鋁/鋼的熱物理性能和化學性能相差較大，兩者之間較大的熔點差異使得焊接時低熔點鋁發生熔化，而高熔點鋼處于固體狀態幾乎不熔化；熱膨脹系數的顯著差異會使焊接接頭中產生較大內應力，影響接頭的機械性能；鋁鐵化學相容性較差，在焊接熱源作用下鋁鐵原子反應極易生成大量鋁鐵金屬間化合物，導致接頭性能變脆；此外，兩者的導熱性能、腐蝕性能也存在明顯差異。因此，一些學者提出選用固相焊方法焊接鋁/鋼異種金屬，如擴散焊、爆炸焊、摩擦焊和攪拌摩擦焊等[3-5]。這些焊接方法雖然能夠獲得各項性能優良的鋁/鋼焊接接頭，但實際生產中受工件形狀尺寸的限制，這些方法很難實現。目前，在鋁/鋼等異種金屬焊接中廣泛采用熔釬焊方法。熔釬焊過程中，在焊接熱源作用下，低熔點的金屬和填充材料發生熔化，即為熔焊過程；高熔點金屬幾乎不發生熔化，屬釬焊過程，整個接頭實質上是一個熔釬焊焊接接頭。相對于純熔焊工藝，熔釬焊可以有效地限制異種金屬之間的大量混合，從而避免大量生成界面反應層金屬間化合物[6]。本研究重點論述了各類熔釬焊方法在鋁/鋼異種金屬焊接中的應用，并探析不同熔釬焊方法的特點，為今后鋁/鋼異種金屬焊接的研究和實際工程應用提供參考依據。

1 鋁/鋼異種金屬電弧熔釬焊研究現狀

電弧焊是發展相對成熟、成本較低、在工業生產中應用最為普遍的焊接工藝。因此，用電弧熔釬焊方法實現鋁/鋼異種金屬的連接成為鋁/鋼焊接研究熱點之一。鋁/鋼電弧熔釬焊實質是利用液態鋁在固態鋼表面的浸潤與鋪展，通過鋁鐵原子相互擴散及冶金反應結合在一起。采用電弧熔釬焊方法進行鋁/鋼異種金屬焊接時，要求嚴格、準確控制焊接熱輸入。

TIG焊是當前應用最廣泛的電弧焊方法之一，具有電弧燃燒穩定、熱輸入量小、焊接參數易調節等優點，且在異種金屬熔釬焊連接中焊接成本較低，是鋁/鋼熔釬焊的有效工藝方法之一。哈爾濱工業大學的林三寶[7]研究了TIG熔釬焊鋁合金/不銹鋼異種金屬時液態金屬在坡口表面的鋪展行為和界面微觀組織，熔化的填充金屬一部分鋪展到不銹鋼坡口背面，另一部分沿著焊接坡口從下向上鋪展，形成一個成形美觀的焊接接頭，其對接接頭的平均抗拉強度達到120 MPa。大連理工大學的董紅剛等人[8]采用TIG熔釬焊方法連接5A02鋁合金和Q235B碳鋼，焊接示意如圖1所示，試驗中以Zn基藥芯焊絲作為填充金屬，送絲速度300 mm/min，焊接速度60 mm/min，焊接電流40 A。結果表明，在鋁/鋼連接界面處生成一層約15 μm的金屬間化合物，其焊接接頭的拉伸強度達到111 MPa。

圖1 鋁/鋼異種金屬TIG熔釬焊示意

TIG焊由于鎢極對電弧熱的承載能力有限，焊接電流不易太大，相對于MIG焊而言焊接效率較低。MIG焊在提供電弧熱的同時還可以提供填充材料，既能在小電流下焊接，也能在大電流下焊接，熔化的填充金屬提高了對接頭裝配質量的適應性，為鋁/鋼異種金屬高速熔釬焊的實現提供了一種新思路。因此，如何利用MIG焊方法實現鋁/鋼異種金屬高效熔釬焊引起了大量學者的關注。山東大學李亞江等人[9]以Al-5Si焊絲為填充金屬，研究用GMAW焊進行Q235鋼和5A02鋁合金熔釬焊的可行性，分析接頭區顯微組織和缺陷。研究表明，采用GMAW熔釬焊可以實現鋁/鋼的良好連接，金屬間化合物厚度限制在約5 μm，但是當焊接工藝參數不當時，接頭中會出現氣孔、未釬透及裂紋等缺陷。山東大學秦國梁等人[10]采用數字化脈沖MIG焊機，以4043鋁合金絲作為填充金屬，進行6013鋁合金與T4鍍鋅鋼板的熔釬焊。研究表明，隨著焊接熱輸入的增大，焊接接頭抗拉強度先增大后減小，當熱輸入為850 J/cm時，強度達到229 MPa，拉伸斷裂發生在鋁熱影響區，斷口表現為塑性斷裂；當焊接熱輸入量較小時焊接接頭在熔釬焊界面發生斷裂，屬脆性斷裂。

MIG熔釬焊盡管沒有鎢極燒損問題，可以實現大電流高速焊接，但鋁/鋼異種金屬焊接在界面層易形成脆性金屬間化合物。MIG熔釬焊鋁/鋼時，其熔滴過渡方式多為短路過渡，容易產生飛濺，僅適宜于薄板焊接。對普通MIG焊而言，受外界因素影響其電弧穩定性較差，且在高速焊接時焊縫成形差，易產生咬邊、駝峰焊道等缺陷。這些因素造成鋁/鋼MIG熔釬焊接頭焊接質量穩定性較差，因此如何保證電弧的穩定燃燒成為鋁/鋼MIG電弧熔釬焊的一個關鍵問題。

由奧地利FRONIUS公司提出的冷金屬過渡（CMT）焊接方法是一種低熱輸入電弧焊方法，其原理是在熔滴短路過渡時利用焊絲迅速回抽產生的力使熔滴過渡到熔池中，短路電流很小，焊接過程穩定。該方法焊接過程中熔化焊絲和母材所需的電弧熱和使熔滴發生過渡的力分別采用不同途徑根據實際需求進行調節，其焊接參數調節更加靈活，更容易實現鋁/鋼異種金屬電弧熔釬焊的良好焊接。大連理工大學的董紅剛等人[11]以ER4043鋁合金焊絲為填充金屬，用CMT焊接技術進行汽車用鋁合金和鍍鋅鋼異種金屬的搭接焊，獲得了機械性能優異的焊接接頭，其接頭最大抗拉強度是189 MPa，為鋁母材強度的89%。

旁路電弧的雙電極GMAW方法（DE-GMAW）是2007年美國肯塔基大學的張裕明教授[12]提出的又一種新型低熱輸入電弧焊方法，基本原理如圖2所示。該方法本質上不同于普通多弧焊方法，焊接總電流（熔化焊絲的電流Itotal）由流進母材的電流（Imain）和流過GTAW焊槍的電流（Ibypass）構成，焊接電流滿足Itotal=Imain+Ibypass。基本原理是在焊絲與工件之間的GMAW電弧中并入一個TIG電弧，通過調節TIG電弧電流大小，改變流入母材的電流，實現焊接過程中熱輸入的精確控制。蘭州理工大學石玗等人[13]對此進行了深入系統的研究，并在此基礎上提出用旁路耦合電弧MIG熔釬焊方法進行鋁/鋼異種金屬焊接，最終獲得了成形良好、性能優異的鋁/鋼焊接接頭。石玗等人還對比分析了脈沖旁路耦合電弧MIG焊和CMT兩種熔釬焊方法獲得的焊縫成形、接頭強度和連接界面處的金屬間化合物。研究表明，兩種電弧熔釬焊均可實現焊接熱輸入的精確控制，獲得拉伸性能良好的焊接接頭。脈沖旁路耦合電弧熔釬焊相對于CMT熔釬焊其焊接設備成本較低[14]，但CMT熔釬焊的焊接穩定性更高。

圖2 旁路電弧的雙電極GMAW方法原理

2 鋁/鋼異種金屬高能束熔釬焊研究現狀

在TIG、MIG焊過程中，由于很難精確地控制其焊接熱量，在電弧熱作用下，鋁/鋼焊接接頭界面層中會形成大量脆性鋁鐵金屬間化合物，降低接頭的力學性能。激光焊是目前應用最廣泛的高能束焊接方法之一，該方法可以精確、方便地控制焊接過程中的熱輸入和加熱區域，能夠有效控制焊接接頭釬焊界面上鋁鐵原子的反應，實現鋁/鋼異種金屬激光熔釬焊。M.J.Zhang[15]等人采用激光深熔釬焊方法實現了鍍鋅鋼板和鋁合金的對接焊，焊接過程中采用流量16 L/min的氬氣為保護氣體，激光功率2.6kW、離焦量+5mm，焊接速度1m/min，送絲速度2.22m/min。最終獲得性能良好的焊接接頭，接頭的最大抗拉強度達162 MPa且斷裂出現在鋁熱影響區[15]。英國Sonia Meco等人[16]還研究了鋁/鋼異種金屬激光熔釬焊過程中激光參數對界面反應層金屬間化合物形成的影響，采用8 kW纖維激光實現了2 mm厚鋼板和6 mm鋁合金的搭接焊。焊接過程中通過改變激光束離焦量精確控制焊接熱輸入，使鋼不發生熔化，僅鋁發生熔化。研究表明，焊接接頭的機械性能與接頭界面層金屬間化合物厚度并非簡單的對應關系，其性能還取決于液態鋁在鋼表面的浸潤鋪展情況，當能量密度為3.77 kW/cm2時，液態鋁在鋼表面的浸潤鋪展性良好且接頭中未生成過量金屬間化合物，此時接頭性能最好。南昌大學的李玉龍等人采用YAG激光焊實現了316L不銹鋼與6061鋁合金的熔釬焊，試驗優化了不銹鋼和鋁合金異種金屬激光焊焊接工藝參數。結果表明，當焊接電流為100A、激光頻率12Hz、脈寬4.5ms，焊接速度0.17m/min時，焊接接頭的抗拉剪強度達到最大值98.86 MPa[17]。

鋁/鋼異種金屬激光熔釬焊的焊接熱輸入量即激光能量密度的調節一方面是通過調節激光光斑直徑實現，若要減小焊接熱輸入、提高焊接速度，就需要減小光斑直徑，這就要求提高工件的裝配精度，增加焊接裝配成本；另一方面若在大光斑條件下達到所需功率密度，需要大功率激光器，增加了焊接設備成本，激光焊接設備的一次性投入成本很高。此外，鋁合金對激光具有較高反射率，在鋁/鋼熔釬焊焊接過程中鋁合金、鋁填充金屬對激光吸收率較低。這些缺點使鋁/鋼異種金屬激光熔釬焊在實際應用中受到一定限制。

電子束焊是一種精密的焊接方法，具有焊接能量密度大、焊縫深寬比大、焊接變形小、焊接速度快、參數調節靈活及焊接過程穩定等特點，在航空航天、飛機制造等行業的焊接中具有廣闊的應用前景。為此，一些學者進行了鋁/鋼異種金屬電子束熔釬焊研究。哈爾濱工業大學張秉剛等人[18]用電子束熔釬焊進行2 mm厚鋁合金/鋼的對接焊，分析鋁/鋼焊接接頭不同區域組織形態和結構，提出焊接接頭中金屬間化合物的分布、形態及數量對鋁/鋼電子束熔釬焊接頭性能有很大影響。德國漢諾威大學的Bacha等人在大氣環境中采用電子束熔釬焊進行含硅EN AW-6016鋁合金與熱軋雙相鍍鋅鋼板DPW600+Z以及含鎂的AW-5182鋁合金與熱軋雙相鍍鋅鋼板DPW600+Z的焊接。結果表明，兩類焊接接頭界面層金屬間化合物厚度差異很大，AW-6016與鍍鋅鋼板接頭，金屬間化合物層厚度約為5～8 μm；AW-5182鋁合金與鍍鋅鋼板接頭的金屬間化合物層厚度超過10 μm。拉伸測試時，第一種焊接接頭斷裂于鋁熱影響區，第二種接頭斷裂于焊接區域，這可能與兩種焊接接頭金屬間化合物層厚度的較大差異相關[19]。相對于激光焊，電子束焊設備一次性投入成本更高，焊接過程中對裝配間隙要求更加嚴格，因此，該焊接方法極少用于鋁/鋼異種金屬熔釬焊中。

3 鋁/鋼異種金屬復合熱源熔釬焊研究現狀

針對單純激光焊熱源集中、液態金屬浸潤與鋪展差，鋁材料對激光吸收率低，薄板對接焊困難等問題，學者們提出用激光+電弧復合熱源進行鋁/鋼熔釬焊。激光+電弧復合焊是近十年來發展較快的高效焊接方法之一，它集中了電弧焊和激光焊優點，具有焊接速度快、焊縫成形好、焊接過程穩定、焊接熱輸入控制準確以及接頭機械性能優等特點，在異種材料焊接中得到了較廣泛的應用。激光+電弧復合熱源的研究主要包括激光+MIG復合熱源、激光+TIG復合熱源和激光+TIG輔助熱源。

西南交通大學的Zhu Z等人采用ER4043鋁合金焊絲、用激光+MIG復合熔釬焊方法進行了AA6061鋁合金和304不銹鋼的對接焊。研究結果表明，當以Al-Si-Mg合金作為中間過渡層時，熔釬焊界面生成的金屬間化合物由鄰近不銹鋼的Fe2Al5和鄰近焊縫的Fe4Al13組成，厚度約為3.7 μm，焊接接頭的拉伸強度達到149 MPa，對接接頭的斷裂發生在鋁/不銹鋼的熔釬焊界面[20]。基于CMT短路過渡時焊接電流小、飛濺少、焊接過程穩定的優點，華中科技大學M.Gao等人[21]提出用激光+CMT復合熱源進行鋁/鋼異種金屬的熔釬焊，激光+CMT復合焊示意如圖3所示。采用該方法有利于獲得一個更加穩定、熱輸入更低的鋁/鋼異種金屬焊接過程。試驗中采用激光+CMT復合熱源焊接鋁合金/不銹鋼，研究焊接接頭的界面性能和斷裂行為，拉伸試驗表明焊接接頭斷裂于界面金屬間化合物層，拉伸強度約為165 MPa[21]。

圖3 激光+CMT復合焊示意

北京科技大學的陳樹海等人提出了一種激光+TIG復合熱源新方法，并探索采用該復合焊進行鋁/鋼熔釬焊的可行性及焊接工藝對接頭特性的影響。采用該方法進行鋁/鋼異種金屬對接接頭的熔釬焊，當激光功率為3 kW、TIG焊接電流為30 A時，接頭抗拉強度達到了最大的83.6 MPa，約為鋁母材強度的40%。鋼/鋁焊縫釬接面是焊接接頭的薄弱區，拉伸試驗時斷裂在該釬接面上。由于焊接過程中坡口不同位置的加熱溫度差異，界面反應層金屬間化合物厚度分布不均勻，坡口頂端和底部金屬間化合物較厚，中間部位最薄[22]。在該復合焊中，TIG電弧與激光為一個耦合熱源，如圖4所示，焊接時在激光熱和電弧熱的共同作用下形成了一個熔池，前置TIG電弧一方面可解決單純激光焊時裝配間隙要求高的問題，另一方面可改善鋁母材及鋁合金絲對激光的吸收率，同時提高焊接效率。激光+TIG復合熔釬焊適用于鋁/鋼高速熔釬焊，但可能會增加對母材的焊接熱輸入，較難控制金屬間化合物的生成。

圖4 激光+TIG復合焊示意

蘭州理工大學樊丁等人提出用電弧輔助激光進行鋁/鋼異種金屬熔釬焊，原理如圖5所示，焊接過程中激光熱源在前，小功率TIG熱源在后，兩個熱源是相對獨立的體系。結果表明，與單純激光焊相比，電弧輔助激光焊改變了焊接溫度場的分布，改善了液態鋁在鋼側的浸潤鋪展，其接頭最大抗拉強度可達163 MPa，約為鋁母材抗拉強度的74%，是純激光焊接頭強度的1.3倍[23]。該焊接方法中TIG電弧電流較小，對母材的熱輸入量不大，在焊接過程中作為輔助熱源，重點起改善液態鋁在鋼表面及接頭間隙中浸潤和鋪展的作用。

圖5 TIG電流輔助激光焊示意

4 結論

鋁/鋼異種金屬連接技術中，鋁/鋼熔釬焊技術因其高效、應用范圍廣的特點得到越來越廣泛的應用。普通電弧鋁/鋼熔釬焊存在不易精確控制焊接熱輸入的問題，新型低熱輸入CMT焊、脈沖旁路耦合電弧焊可以實現焊接熱輸入的精確控制，獲得性能良好的鋁/鋼熔釬焊焊接接頭。高能束焊接激光焊、電子束焊參數調節靈活，能夠嚴格控制母材熱輸入量且焊接過程穩定，但裝配精度要求較高、設備一次投入高，應用范圍受到一定限制。激光+電弧復合焊、電弧輔助激光焊集合了電弧焊和激光焊的優勢，在鋁/鋼異種金屬熔釬焊中具有廣闊的應用前景。

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