鋼/鋁異種金屬連接技術研究

彭欣強 張建武 楊臣

摘 要：文章主要介紹了鋼/鋁異種金屬連接的焊接、機械連接、粘接及粘鉚復合連接方式，總結了各種連接方式的特點、研究現狀與局限性，并對鋼/鋁連接技術的發展和研究方向進行展望。

關鍵詞：鋼/鋁連接;機械連接;粘鉚復合連接

中圖分類號：TG456.7? 文獻標識碼：B? 文章編號：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

采用鋁合金替代傳統汽車的鋼材是汽車輕量化的重要途徑之一，鋁合金的制造成本高，因此在合適的位置使用鋁合金替代鋼材的鋼-鋁混合車身是近年來汽車行業發展的方向。目前，鋼/鋁異種金屬連接技術有三類，焊接、機械連接、粘接及粘鉚復合連接。本文主要介紹了三類連接技術的特點，概括了鋼/鋁異種金屬連接的可行性研究及工藝局限性，并對鋼/鋁連接的研究和技術前景進行了展望。

1 鋼/鋁異種金屬的焊接

鋼/鋁異種金屬焊接困難主要是由于Fe和Al在物理參數、力學參數等方面存在較大差異。鋼/鋁焊接的主要難點如下[1]：

（1）易形成硬而脆的金屬間化合物，使接頭脆性增加，塑性和韌性下降。

（2）熔點差異大，使冷卻結晶后焊縫成分不均勻，接頭性能較差。

（3）鋁及鋁合金表面易形成難熔氧化膜，這種氧化膜易與液態金屬結合，形成夾雜。

（4）熱導率和線膨脹系數相差大，接頭變形大，易形成裂紋。

為克服焊接的難點，目前應用于鋼/鋁異種金屬焊接的主要方式有激光釬熔焊、冷金屬過渡焊接技術（CMT）、攪拌摩擦焊、鋼/鋁電阻焊連接（IW）等。

1.1 激光釬熔焊

激光釬熔焊是指以激光束為熱源，鋼母材不熔化，使鋁母材熔化，鋁母材及填充金屬在鋼母材表面鋪展形成釬焊連接，得到鋼/鋁焊接接頭。激光釬熔焊可抑制鋼與鋁焊接形成大量硬而脆的金屬間化合物，也避免了鋼/鋁熔點差異大產生的問題。

國內外研究者對多種填充金屬，如Pb、Sn-5%Zr、Ni、Cu、Al、Zn等做了大量的研究。Al基材料作為填充金屬能改善焊縫外觀，提高焊縫的過程穩定性 [2]。Mathieu[3]等指出了Zn能減少鋼/鋁接頭金屬間化合物的生成，采用Zn-15Al焊絲對0.77mm鍍鋅低碳鋼和1mm6061鋁合金進行激光釬熔焊，金屬間化合物在8～12μm時，接頭最大抗拉強度可達220MPa。崔 [4]等對鋁-鍍鋅鋼板的不同填絲激光釬熔焊進行研究，填加ZnAl15焊絲，焊接頭界面僅有層狀金屬間化合物，接頭力學性能抗拉力可達3kN，是三種焊絲的接頭中最高的。

以上可以看出，激光釬熔焊接頭需抑制硬而脆的金屬間化合物產生，同時接頭連接性能通過金屬間化合物實現的，因此，合適的金屬間化合物及厚度是得到良好接頭性能的關鍵。

1.2 冷金屬過渡焊接技術（CMT）

CMT是一種無焊渣飛濺的新型焊接工藝，圖1為CMT焊接工藝示意圖。

1）起弧，熔滴向熔池過渡2）熔滴進入熔池，電弧熄滅

3）電流短路，焊絲回抽，熔滴脫落4）焊絲運動方向改變，重新起弧

黃[5]采用CMT焊接鍍鋅鋼和3A21鋁合金，得到接頭的抗剪切強度是鋁合金母材的70%。馮[6]采用CMT實現了鍍鋅鋼與鋁合金的連接，填充材料為Al-Si焊絲，中間界面區厚度為7-8μm，接頭抗拉強度只有72.1MPa。

CMT可精確控制焊接熱輸入，使鋼母材不熔化，鋁母材熔化，在鋼母材表面形成釬焊接頭。研究者主要研究CMT焊接接頭的金屬間化合物厚度對力學性能的影響。

1.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是一種固相焊接方法，由一個圓柱體或其他形狀的攪拌針伸入工件接縫處，通過攪拌頭的高速旋轉，產生摩擦熱，使連接部位材料呈熱塑性狀態，金屬發生塑性流動并攪拌混合，形成焊縫。

對接攪拌摩擦焊中，攪拌頭旋轉方向與焊接方向一致的一側為前進側，攪拌頭旋轉方向與焊接方向相反的一側為后退側。CHEN.C.M等人[7]研究6系鋁合金和鋼對接攪拌摩擦焊時發現，硬度較高的材料放置在前進側時，得到的焊接接頭力學性能優良。同時很多研究者對鋁鋼攪拌摩擦搭接焊進行研究。攪拌摩擦焊工藝采用小的熱輸入、無需保護氣、無需焊接材料就能得到優良的接頭。

在實際應用中，Mazda公司的MX-5跑車的鋁合金行李箱蓋-鋼栓定位器的連接方式就是攪拌摩擦點焊。攪拌摩擦焊雖然能得到優良的焊接接頭，但是存在工作效率低，攪拌頭易損耗等問題。

2 機械連接

鋼/鋁異種金屬機械連接方式很多，包括自沖鉚釘連接技術（SPR）、熱融流鉆螺接技術（FDS）、無鉚釘鉚接（TOX）、射鉚釘技術、拉鉚等。機械連接不涉及加熱過程，避免了脆性金屬間化合物的生成，但是有疲勞性能較弱、增重等缺點。下面主要介紹SPR、FDS技術的特點、應用和研究現狀。

2.1 SPR工藝

SPR工藝是一種在鉚釘與母材之間形成牢固互鎖的冷成型工藝。圖2為SPR工藝的示意圖。

SPR屬于機械冷成型連接工藝，可實現多種材料（鋁、鋼、塑料）的連接，已廣泛應用于全鋁、鋼-鋁車身。其中，1994年奧迪A8鋁制車身上使用了多達1100個的鉚點，2000年寶馬Z8全鋁車身使用了1000多個鉚點，2016年捷豹XFL鋼-鋁車身上鉚點高達2754個，寶馬新5系/7系、凱迪拉克CT6鋼-鋁車身中也應用了很多SPR鉚點。

SPR成為了目前全鋁、鋼-鋁車身連接中必不可少的連接技術，但是SPR工藝也有其局限性：1）不同材質、不同厚度的接頭組合需要不同的鉚釘、沖頭、沖模，且鉚釘成本高，設備成本高于傳統點焊;2）鉚槍只有C型槍，對產品約束大;3）接頭不能有脆性材料;4）鋁型材或鑄件的延伸率需大于12%;5）滿足薄板鉚向厚板，硬材質向軟材質的約束，當厚板鉚向薄板時，底層板材的厚度必須大于總厚度的1/3。

SPR工藝的質量檢測方法是國內外研究的重點。檢測SPR鉚點質量的要點有：1）鉚釘周圍是否存在間隙;2）鉚釘尾部切入底層板材，并與之互鎖;3）鉚釘尾部是否穿透底層板;4）鉚釘尾部是否屈服和蜷縮;5）鉚接鈕扣沒有徑向開裂;6）鉚接尾部是否有崩裂現象。在實際量產中，SPR工藝的質量監控點很多，難以達到實時監控，這方面研究較少，SPR點的質量在線監控有必要進一步研究。

2.2 FDS工藝

FDS工藝是通過高速旋轉使板料鉆穿后攻絲鉚接的冷成型工藝，其原理如圖6所示。1）螺釘在高轉速、高壓力下，對板材進行鉆孔;2）旋轉穿過材料;3）形成圓柱狀;4）形成螺紋;5）旋轉繼續往下;6）最后擰緊達到安裝扭矩。

FDS工藝為單面連接，可實現封閉腔體結構的連接;可連接鋼、鋁、塑料等不同種材料;螺紋接觸面積大可產生大的旋轉扭矩;氣密性水密性好;攻絲螺紋可拆卸;返修簡單。FDS廣泛應用在全鋁、鋼-鋁車身中，如奧迪R8、A8、A6、寶馬、凱迪拉克CT6等汽車品牌。

FDS工藝也有局限性，如需要高的剛性支撐;鉚接時間長，約3～5s;鉚釘成本高;設備成本高于點焊;FDS點正面鉚接時需要較大的進槍空間;不能有脆性材料;不同材質鉚接時需從鋼板到鋁板，從薄板到厚板。

FDS質量檢測通過外觀檢測、扭矩檢測和在線檢測來實現，外觀檢測主要是保證螺釘與母材表面垂直且無間隙，是否存在未貼合、裂紋、漏鉚、鉚偏、鉚釘脫落等缺陷。扭矩檢測是通過扭矩值來判斷的，扭矩值大于3N*m即為合格。FDS工藝過程可以100%在線自動監控，適時反饋鉚接質量。

3 粘接及粘鉚復合連接

與焊接、機械連接不同，粘接采用面連接，不易產生應力集中，連接強度較高，可實現鋼/鋁連接。寶馬7系鋼-鋁混合車身中，鋁合金頂蓋和鋼板的側圍之間采用粘接。但粘接也有其缺點：（1）膠成本高;（2） 膠味道大，對環境污染嚴重;（3）粘接效果易受溫度和濕度的影響;（4）鋼、鋁膨脹系數相差大，涂裝時鈑金易錯動影響粘接性能;（5）粘接安全隱患大，破壞形式是突然性開裂，失效時承載瞬間為零。因此通常采用粘鉚復合連接。

粘鉚復合連接技術的優勢有：（1）膠隔絕了鋼和鋁的接觸，避免電偶腐蝕;鉚接能消除鈑金錯動;（2）粘接能增強接頭的強度、剛度，顯著改善疲勞特性;鉚接避免了在粘接失效時承載瞬間為零。不利的方面是粘鉚復合連接增加了連接成本。

4 小結

在焊接、機械連接、粘接及粘鉚復合連接中，選取合適的連接方式進行鋼-鋁混合車身連接以達到性能-成本-質量的最優化，是研究的重點。焊接是成本較小的連接方式，激光釬熔焊、CMT、攪拌摩擦焊都能實現鋼/鋁異種金屬焊接，但是實現量產應用，還需在焊接質量控制難點上做驗證;機械連接及粘鉚復合連接已在鋼-鋁車身連接中廣泛應用，連接成本高是主要缺點。粘鉚復合連接的質量保證是鋼-鋁連接的重要課題。

參考文獻

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