鋼/鋁異種金屬焊接分析

閆玉東，韓明臻，延佳銘

（佳木斯大學材料科學與工程學院 黑龍江 佳木斯 154000）

1 引言

鋁合金因其質量輕、抗彎強度高、耐腐蝕性能好等優點，當前很多行業都采用“以鋁代鋼”的鋁/鋼焊接復合結構，使其在很多行業發揮著重要作用。經過長時間的發展，國際和國內很多科研工作人員研究了多種鋁/鋼異種金屬焊接的方法，如等離子弧焊、釬焊、冷壓焊、埋弧焊、熔釬焊、電阻焊等，但存在連接方法使用范圍受限或者材料連接強度較低等缺點。隨著科學技術的發展和科研工作者的不懈鉆研，通過激光擺動焊和冷金屬過渡焊等焊接方法，為解決鋼/鋁異種焊接過程中出現的問題做出巨大貢獻。

激光擺動焊接作為一種新技術，具有熱輸入量高、殘余應力小等優點，在異種材料的焊接領域具有廣闊的應用前景，無論擺動的軌跡如何，所得到的焊接接頭質量都好于直線焊接接頭[1]。Cui等[2]采用雙激光光束焊接技術制備了鋁/鋼異種金屬，裂紋、焊接氣孔的抑制可以通過熔深的尺寸進行控制，進而改善接頭的性能。Yan[3]認為Fe-Al金屬間化合物的富集主要與鋁合金在鋼中的溶解量有關，大量的脆性金屬間化合物增加了接頭凝固裂紋的敏感性，并得到了界面反應溫度對化合物的生長和殘余應力分布具有顯著影響的結論。管倩倩等[4]使用光纖激光器，實現了6061鋁合金與DC04低碳鋼的焊接，實驗結果顯示，激光焊接鋼/鋁異種金屬時，主要影響因素是焊接速率，通過調節激光的輸出功率和焊接速率，對于焊接接頭的力學性能和焊接質量都有所改善。巴一[5]等實驗結果表明，焊接激光熱輸入的不同，也會對焊接接頭的性能產生影響。

冷金屬過渡焊（CMT）是現階段一種新型的焊接技術，具有焊接中焊絲熔滴過渡與送絲速度相協調的特性，可以達到焊接過程無飛濺、焊接熱輸入低、電弧穩定和效率高等優點[6]，具有良好的應用前景，控制CMT焊接工藝性能的主要參數有：焊接電流、電弧電壓、焊接時間、送絲速度和焊接速度等，這些參數與焊接變形存在高度非線性的關系[7]；另一方面，參數對于鋁/鋼焊接所形成的界面的金屬間化合物及類別產生重要影響，將嚴重影響鋁/鋼焊接接頭性能[8]。

本文主要對激光擺動焊接、冷金屬過渡焊的焊接接頭性能進行綜述，以期為鋼/鋁焊接研究提供研究依據和判斷。

2 兩種焊接接頭性能綜述

2.1 激光擺動焊接

在巴一[5]等的實驗中，采用DP780雙相鋼和5083鋁合金以搭接的方式進行激光擺動焊，焊接接頭主要由焊縫、熔合線和熱影響區3部分組成，焊縫的主要成分為低碳馬氏體，小尺寸金屬間化合物的微觀組織具備良好的性能，焊接接頭的顯微硬度和最大拉伸力都有提升。焊接接頭的雙相鋼側的顯微硬度可達240 HV，鋁合金側的顯微硬度可達70 HV。而隨著激光擺動焊接功率從1 400～1 600 W，鋼側焊接接頭的熱影響區和焊縫中心的硬度從略高于母材到最后明顯高于母材，在1 500 W和1 600 W時，鋼側接頭的平均顯微硬度分別達到289 HV和274 HV；在焊接功率為1 400 W時，鋁側焊接接頭的顯微硬度無明顯變化，在1 500 W和1 600 W時，鋁側接頭的平均顯微硬度分別達到305 HV和260 HV。在1 500 W時，鋁側的平均顯微硬度高于鋼側，但是隨著激光功率的不斷增大，焊接時焊縫的熔深加大，熔融的鋼和鋁會結合生成脆性金屬間化合物Fe-Al二元脆生相，降低焊接接頭的強度。因此，鋁/鋼異種金屬適宜的激光焊接功率為1 600～1 800 W。

在焊接接頭拉伸力方面，隨著激光功率的增加，鐵素體含量的增多，會導致焊縫的顯微硬度與抗拉強度降低。在有效功率區間內，1 400 W焊接的接頭具備高硬度與最大拉伸力，最大拉伸力達2 681 N。功率為2 300 W，焊接速率為30 mm/s時，當在中間層加入Ni箔片的基礎上，采取厚度為0.02 mm的Cu箔片做復合中間層，在對其進行拉伸試驗時，其最大剪切力為1 754.72 N，此時的最大剪切力達到最大，大約為只添加Ni箔片時剪切力的2.25倍。

但是，在鋼／鋁異種金屬激光擺動焊接過程中，鋼/鋁界面處極易產生脆性較大的金屬間化合物。焊接接頭中最薄弱的區域存在于脆性層內部及脆性層與鋼基體的結合界面，在應力作用下容易產生裂紋并迅速擴展，導致焊接接頭開裂。焊接熱輸入越大，界面處生成的化合物層厚度也就越大，接頭的脆性也就越大。因此，在保證接頭成形良好的前提下，適當減小金屬間化合物處的熱輸入量有利于控制脆性層的厚度，獲得力學性能較好的接頭[9]。

同時，在激光擺動焊接過程中，其他條件相同的情況下，激光束擺動軌跡不同，激光對熔池的攪拌作用也有所不同，因此熔池的流動方式以及穩定性都有差別。激光擺動焊接的焊接軌跡包括“∞”軌跡、“8”軌跡、順時針圓形軌跡、逆時針圓形軌跡、垂直軌跡、平行軌跡等[10]。傳統激光焊接焊縫熔深高于激光擺動焊接的焊縫熔深，“∞”軌跡、“8”軌跡和垂直擺動方式的激光焊縫熔寬遠大于傳統激光焊縫熔寬，其他擺動方式，熔寬變化較小。傳統激光焊接的氣孔較多，上述幾種擺動軌跡焊接的氣孔率均低于傳統焊接焊縫的氣孔率。擺動焊接過程中，激光對熔池產生了攪拌，同時使得激光小孔的形狀和直徑有所增加，匙孔和熔池變得穩定，有利于匙孔內氣體的排出，使得對氣孔的產生有不同程度的抑制作用。

2.2 冷金屬過渡焊

在盧書媛等[11]的研究中，對于1050鋁合金板和Q235鍍鋅板采用搭接的方式進行CMT熔釬焊，對焊接電流、焊接時間、電弧電壓、焊接速度和送絲速度進行調整，研究參數對焊接接頭的影響，發現焊接接頭包括熔合區、界面區和富鋅區3部分，接頭斷裂方式為韌性斷裂，而接頭強度只有鋁合金母材的70%，Fe和Al形成的金屬間化合物對于焊接接頭的力學性能影響較大，在實驗時應盡量減少其存在。但是當在釬劑中加入一定比例的Zn粉[12]之后，可以使焊接接頭的力學性能提高500%左右。同時，Zn元素還可以阻止Fe和Al的相互擴散，為獲得外觀成形、力學性能較好的焊接接頭，可通過控制界面處金屬化合物的厚度實現。鋁／鋼焊接接頭在過渡區顯微硬度最高為180 HBS；熔焊焊縫區顯微硬度較低于過渡區，約為80 HBS；鋼側熱影響區硬度平均值為152 HBS；試樣在拉伸過程中發生明顯的塑性變形，在應力達到6.0 KN時發生屈服；焊接接頭的抗拉強度為134 MPa，為鋁合金母材的72%。

在冷金屬過渡焊過程中，采用CO2作為焊接過程的保護氣時，會在一定程度上提高焊接接頭的抗拉強度和硬度[13]，但是相對于使用Ar氣，采用CO2保護氣會使焊縫高度降低、潤濕角減小，同時焊縫表面出現較多的凹坑、未熔合缺陷以及咬邊等缺陷，需要在以后的實驗中進行改進。

現階段鋼/鋁異種金屬焊接存在的問題主要有以下幾方面。

（1）在室溫下，異種金屬焊接接頭區不能長時間在高溫或低溫環境中工作，導致母材的性能優于焊接接頭的性能（如彎曲、拉伸等）。

（2）焊縫熔合區是導致構件失效破壞的薄弱區，它會對焊接結構的使用可靠性產生危害[14]。

（3）焊后熱處理不能消除接頭區的殘余應力分布。如果構件內部存在焊接殘余應力，受時間和環境等因素的影響，會直接影響到結構件的靜載、動載、疲勞和壓曲強度，以及斷裂柔韌性、尺寸穩定性及抗腐蝕能力等性能，所以對于消除異種金屬焊接之后存在的殘余應力，亟需一種合理的解決辦法[15]。

（4）焊接接頭的不均勻性。焊接不均勻性包含顯微組織不均勻性及力學性能不均勻性等，其對焊接結構強度和抗斷裂性能的影響是焊接結構斷裂安全評定和可靠性研究的熱點[16]。

3 結語

無論是激光擺動焊接技術還是冷金屬過渡焊接技術對于鋼/鋁異種焊接接頭性能都有一定的增強作用，只是焊接過程中不同參數對于焊接結果的具體影響方式以及作用機理，還需要學者進一步實驗研究獲得。

在進行異種金屬焊接過程中，由于異種金屬的母材成分、物理化學性質的不同等，導致異種金屬焊接產生缺陷，使得異種金屬焊接的工藝設計更為復雜。不同工程結構對于金屬有不同的要求。了解其性能需求，尋找性價比較高的金屬來替代昂貴的金屬，減少生產過程中原料和技術缺陷產生的成本，以期達到更好的經濟效益。