鋼與鋁異種金屬的壓焊技術(shù)研究

崇玉良，孔 諒，王 敏，宋 正

(1.上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200240；2.上海汽車集團股份有限公司 乘用車分公司，上海 201804)

焊接工藝

鋼與鋁異種金屬的壓焊技術(shù)研究

崇玉良1，孔 諒1，王 敏1，宋 正2

(1.上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200240；2.上海汽車集團股份有限公司 乘用車分公司，上海 201804)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車節(jié)能、環(huán)保、安全的要求越來越高，輕量化技術(shù)是實現(xiàn)其目標的重要途徑。作為汽車輕量化材料中最主要的兩類材料，高強度鋼板和鋁合金組成的鋼-鋁一體化車身成為輕量化的發(fā)展技術(shù)路線。綜述了鋼-鋁異種材料在汽車工業(yè)中電阻點焊技術(shù)的研究現(xiàn)狀，重點介紹復合板過渡層法和金屬涂層法的工藝方法，利用墊片法探討了鋼-鋁金屬間化合物對焊接接頭性能的影響。簡要闡述了鋼與鋁合金的其他主要壓焊方法，指出了現(xiàn)行焊接方法的優(yōu)缺點，提出鋼-鋁異種金屬的電阻點焊應作為鋼-鋁一體化車身結(jié)構(gòu)的首選焊接方法和今后鋼-鋁電阻點焊的研究方向。

鋼與鋁；金屬間化合物；電阻點焊

0 前言

汽車輕量化技術(shù)是實現(xiàn)汽車節(jié)能、環(huán)保、安全的重要途徑。輕量化材料的應用是汽車材料技術(shù)發(fā)展的主導方向，也是車身輕量化的主流[1]。目前，汽車用材的研發(fā)方向主要有兩點：(1)車身材料的混合設(shè)計，即針對車輛性能的不同要求采用復合材料車身概念，如使用低密度的鋁合金、鎂合金、塑料和復合材料等；(2)使用高強度材料降低鋼板厚度規(guī)格。這主要表現(xiàn)在高強鋼或超高強鋼的使用[2]，車用鋼板在較長時間內(nèi)仍為車身的主要用材。

作為汽車輕量化材料中最主要的兩類材料，由高強度鋼板和鋁合金鋼組成的鋼-鋁一體化車身結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的鋼車身基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)計，以高強鋼減少車身鋼板的質(zhì)量，以鋁合金材料替代某些構(gòu)件或組件，由多種材質(zhì)的薄壁梁結(jié)構(gòu)經(jīng)可靠連接，實現(xiàn)車身框架結(jié)構(gòu)的輕量化和高強度。鋼-鋁一體化車身結(jié)構(gòu)成為今后車身輕量化的發(fā)展技術(shù)路線。

當前車身結(jié)構(gòu)的連接以焊接為主。鋼-鋁異種金屬的焊接是實現(xiàn)鋼-鋁一體化車身結(jié)構(gòu)的前提。多年來，鋼-鋁異種金屬之間的焊接一直是焊接領(lǐng)域的熱點和難點，目前的鋼-鋁異種金屬焊接方法多為固相焊(如摩擦焊、熔釬焊等)[3-4]，由于其效率較低且易受工件尺寸和形狀的限制，難以滿足批量生產(chǎn)的要求，制約了鋼-鋁異種金屬在鋼-鋁一體化車身結(jié)構(gòu)中的應用。因此研究鋼和鋁的壓力焊接尤其是電阻點焊具有重要意義。

1 鋼-鋁的焊接性

鋼-鋁焊接的主要問題是兩者之間的固溶度較低、熱物理性能差異較大，并且兩者極易反應生成脆性的金屬間化合物，這種脆性的金屬間化合物極大地降低了焊接接頭的力學性能。鋁和鋼的主要物理性能參數(shù)如表1所示。

表1 鋁和鋼的主要物理性能參數(shù)比較

鋁和鋼焊接中存在的主要問題有[5]：

(1)由于鋼的熔點比鋁的熔點高，在焊接過程中，當鋁完全熔化為液態(tài)時，鋼仍處于固態(tài)，而且兩者的密度相差很大，當鋼完全熔化后，液態(tài)鋁浮在鋼水上面，冷卻結(jié)晶后焊縫成分不均勻，使得焊接接頭的性能降低。

(2)鋁及其合金與鋼焊接過程中，在鋁母材表面形成難熔的Al2O3氧化膜，這種氧化膜也可以存在于熔池表面，熔池溫度越高，表面氧化膜越厚，氧化膜的存在阻礙液態(tài)金屬的結(jié)合，容易使焊縫產(chǎn)生夾渣。

(3)鋁及其合金與鋼的熱導率、線膨脹系數(shù)相差很大，焊后焊接接頭變形嚴重，并且有很大的殘余應力存在，易產(chǎn)生裂紋。此外，鐵在鋁中的固溶度幾乎為零，且鐵與鋁可以產(chǎn)生多種硬而脆的金屬間化合物，如FeAl，F(xiàn)eAl2，F(xiàn)eAl3，F(xiàn)e2Al5，F(xiàn)e2Al7及Fe4Al3等，這些金屬間化合物的存在增加了焊接接頭的脆性，降低了其塑性和韌性。

2 鋼與鋁及鋁合金電阻點焊

2.1 復合板過渡層法

由鋼與鋁的焊接性可知，如果直接焊接鋼和鋁必然會形成力學性能很差的焊接接頭，甚至焊接失敗。因此，利用中間過渡材料被諸多學者提出并采用。1999年，約翰遜曾提出用中間過渡材料來克服鋼與鋁的互溶性[6]，利用復合板過渡層分開鋼-鋁熔核，從而分別形成鋁-鋁和鋼-鋼兩個熔核。

過渡層就是利用冷輥壓技術(shù)制成的鋼-鋁復合板，它比電鍍或熱浸鍍更加快速和節(jié)能，且此方法是固態(tài)連接，鋼和鋁的界面沒有晶間化合物，如圖1所示。

圖1 過渡層復合板鋼-鋁界面

焊接參數(shù)的確定是焊接工藝的重要內(nèi)容，它主要依靠分析不同參數(shù)焊接接頭力學性能和組織而得出，學者對此做了更為細致的研究[7-8]。從焊接接頭的宏觀組織可以看出，隨著電流和焊接時間的增大，其兩熔核逐漸形成并增大，但尺寸并不相同，鋁側(cè)的熔核明顯偏大，見圖2a。從微觀組織可以看出，在鋼-鋁界面存在明顯的氣孔和裂紋，其原因主要有兩點：(1)在焊接過程中，復合板中的鋁是最后凝固的，收縮壓力形成了氣穴現(xiàn)象；(2)氫元素的進入，其原理與電弧焊焊接鋁發(fā)生氫腐蝕一樣。同時還可以看出，隨著焊接時間的增加，過渡層中鋼-鋁金屬間化合物的厚度也不斷增加。這必然導致性能的下降，從力學實驗中也證明了這一點，因為接頭的斷裂大部分是發(fā)生在過渡層的鋼-鋁界面，同時也說明界面間的氣孔和裂紋提供了斷裂源，鋼-鋁界面微觀組織見圖2b。

利用復合板的焊接方法雖然得到了較高的強度，但由于受到復合板加工方法和成本的限制，在實際生產(chǎn)中沒有得到廣泛的應用。

圖2 焊接接頭組織

2.2 金屬涂層法

隨著汽車輕量化發(fā)展，涂層高強鋼的使用越來越廣泛，主要有鍍鋁鋼板、鍍鋅鋼板、鍍鉻鋼板等，而其中鍍鋅高強鋼最為廣泛，特別是中高檔轎車車身幾乎完全使用鍍鋅板。鍍鋅板因其具有優(yōu)良的成型性能、烘烤硬化性和良好的焊接性使其在汽車工業(yè)中取代普通的冷軋鋼板已經(jīng)成為必然的趨勢[9]。因此鍍鋅板與鋁合金的電阻點焊已成為鋼-鋁異種金屬焊接的重要研究內(nèi)容。

影響鋼-鋁異種金屬焊接性能的另一重要因素是鋁合金表面致密的氧化層[10]，而去除氧化層則需要高能量的輸入，但這又會引起鋼-鋁金屬間化合物厚度的增加，給焊接強度帶來影響。大阪大學的學者提出了利用鋅和鋁在低溫382℃共晶反應去除氧化層[10-11]，同時能使鋼-鋁金屬間化合物層變薄和組織一致，圖3是其焊接過程。氧化物首先在接觸電阻的焦耳熱下軟化，隨后連同鋅-鋁共晶反應物在電極壓力下排擠到熔核邊緣，微觀組織如圖4所示。

圖3 鍍鋅鋼-鋁焊接點焊過程

圖4 焊接界面橫截面

從力學實驗和微觀組織分析得出：焊接強度與金屬間化合物厚度及其晶粒度存在很大關(guān)系。強度與化合物厚度的關(guān)系如圖5所示，其厚度應小于2μm，而晶粒直徑大小保持在500 nm之內(nèi)。

此外在實際應用中，異種材料焊接件還會遇到腐蝕問題。造成腐蝕的原因很多，其中主要有兩點：(1)由于異種材料電極電位不同而造成腐蝕；(2)焊接過程中水蒸氣等雜質(zhì)會電離從而加快焊接接頭的電化學腐蝕。前者是材料的本質(zhì)屬性，后者可利用密封材料(即在鋼和鋁之間加一層很薄的樹脂密封層)并在焊接接頭涂防銹漆，如圖6所示。

通過實驗檢驗得出，焊接強度并沒有因密封材料的存在而減弱很多，但抗腐蝕性能卻達到很好的預期效果。

圖5 拉伸強度與IMC層厚關(guān)系

圖6 帶密封層點焊示意圖

2.3 金屬間化合物對焊接強度的影響

墊片法是利用材質(zhì)為鋼的工藝墊片夾在鋁合金和電極頭之間，其最主要的作用是抑制析熱不平衡和熔核偏析現(xiàn)象[12]。

鋼-鋁金屬間化合物是影響焊接性能的主要因素，因此詳細了解反應產(chǎn)物對性能影響的機理有助于合理選擇焊接參數(shù)以提高焊接性能。日本學者用墊片法對其機理進行了詳細的研究[13]。文獻[13]指出，在焊點的中心區(qū)域金屬間化合物連續(xù)分布且較厚，邊緣區(qū)域化合物逐漸變薄并最終成非連續(xù)分布狀態(tài)。而非連續(xù)層分數(shù)W／R(W為非連續(xù)分布寬度，R為焊點半徑)越大越有利于獲得高強度焊接接頭。其原因是：焊接接頭的斷裂一般最先發(fā)生在鋼-鋁界面的連續(xù)區(qū)域，當非連續(xù)層分數(shù)較大時自然具有較高的焊接強度。由此看出，金屬間化合物的非連續(xù)分布對焊接接頭強度的影響已經(jīng)超過其厚度對焊接接頭強度的影響。

3 鋼與鋁及鋁合金的其他壓焊方法

鋼-鋁合金壓焊主要包括爆炸焊、激光滾焊、摩擦焊、攪拌摩擦焊、擴散焊和磁脈沖焊。它可使焊接工件保持固態(tài)，焊接熱輸入容易控制，較適于低碳鋼-鋁合金之間的焊接。

3.1 摩擦焊及摩擦攪拌焊

摩擦焊及摩擦攪拌焊是以機械能為能源的一種固相連接方法，具有界面溫度低、加熱冷卻速度快、在高溫停留時間短、有利于控制金屬間化合物生長等顯著特性。

近年來大量學者對鋼-鋁合金的摩擦攪拌焊進行了深入的研究[14-15]，在焊接過程中界面變形可以去除鋁表面頑固的氧化膜，使兩者之間結(jié)合變得相對容易，并且這種方法獲得了良好性能的焊接接頭。但受到工件尺寸和接頭形狀的特殊要求，摩擦焊在鋼-鋁焊接的應用中受到了一定程度的限制，不適合汽車車身的大批量生產(chǎn)。

3.2 激光滾焊

激光由于其加熱時間短、加熱區(qū)域集中、功率密度大、連續(xù)過程可實時監(jiān)控等獨特優(yōu)勢在焊接技術(shù)中引起了人們的廣泛關(guān)注[16]。

2002年，日本學者Kutsuna等人設(shè)計出一套激光滾焊的裝置，并對低碳鋼SPCC和鋁合金A5052的焊接進行了研究[17]，如圖7所示。

圖7 激光滾焊原理

文獻[17]指出，當金屬間化合物的厚度小于10μm時，試樣的斷裂發(fā)生在母材一側(cè)，焊接接頭具有較高的強度。

3.3 磁脈沖焊

磁脈沖焊(MPW)最早是前蘇聯(lián)在20世紀60年代焊接核燃料棒時提出的?，F(xiàn)在，磁脈沖焊主要應用于焊接小型異種材料工件和相對較軟的異種材料。

磁脈沖焊的基本原理是：在焊接工件附近的線圈通過一大電容瞬間放電，使工件中產(chǎn)生感應渦流形成瞬間強磁脈沖力，使工件產(chǎn)生高速塑性流變，從而實現(xiàn)連接，其原理如圖8所示。

Kwang-Jin Lee等人對1.0mm的低碳鋼和1.2mm的鋁合金(A6111-T4)進行了磁脈沖焊的研究[18]，并取得較好的焊接結(jié)果。文獻[18]指出，焊接接頭性能良好的原因是在鋼和鋁合金之間形成了一個多相組織的界面層，該界面層包括細小的鋁晶粒、細小的鋼-鋁化合物微粒和界面附近很薄的加工硬化層。

圖8 磁脈沖焊原理

4 結(jié)論

鋼和鋁合金在性能上較大的差異使它們之間的焊接難度很大。目前，鋼-鋁的焊接方法雖然很多，其中也不缺乏獲得了良好的焊接性能，但總體效率低、成本較高且大部分方法對工件尺寸與形狀有特殊要求，現(xiàn)有的異種金屬間連接技術(shù)難以滿足批量生產(chǎn)的要求，不適于車身結(jié)構(gòu)的大批量生產(chǎn)。

為發(fā)揮現(xiàn)有車身制造中電阻點焊技術(shù)應用量大、加工效率高的技術(shù)優(yōu)勢，鋼-鋁異種金屬的電阻點焊應作為鋼-鋁一體化車身結(jié)構(gòu)的首選焊接方法，鋼-鋁電阻點焊成為鋼-鋁一體化車身結(jié)構(gòu)可靠連接的關(guān)鍵技術(shù)之一。

鋼-鋁的焊接原來主要集中在低碳鋼、不銹鋼和鋁合金的研究，隨著汽車工業(yè)越來越多的采用高強鋼甚至超高強鋼，因此高強鋼與高強鋁合金的焊接技術(shù)是鋼-鋁的發(fā)展趨勢。同時應研究開發(fā)一些新工藝、新方法，如金屬表面納米化等。研究發(fā)現(xiàn)材料經(jīng)表面自納米化處理后，加快了被焊部件的接觸進程，提高了原子的擴散速率和焊接接頭強度，并縮短了焊接時間[19]，金屬表面納米化為鋼鋁異種材料的焊接提供了新的研究方向。

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Research status of pressure welding between steel and aluminum

CHONG Yu-liang1，KONG Liang1，WANG Min1，SONG Zheng2
(1.School of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.SAIC Motor Passenger Vehicle Co.，Shanghai 201804，China)

With the development of the automobile industry，the demands on the energy saving，environmental protection and safety are becoming more critical，and light-weight technology is an important way of its realization.As the main materials，the steel-aluminum integration body composed of high-strength steel and aluminum alloy becomes a lightweight technical route.It has been surveyed that the research statuses of the resistance spot welding between aluminum alloy and steel in automotive industry.The paper introduced the process methods of resistance spot welding with an insert sheet and with another metal covered.The effects on the welding joining characteristic of the reaction layer between aluminum alloy and steel，which is a main factor to affect the properties of the joint，have been analyzed by the process methods with a cover plate.Other main pressure welding methods between aluminum alloy and steel have been introduced briefly.Based on these analyses，the paper pointed out the main advantages and disadvantage of the present welding method，the resistance spot welding between aluminum alloy and steel should be the top choice as steel-aluminum integration body structure and the trends of the resistance spot welding between aluminum alloy and steel.

steel and aluminum；intermetallic compound(IMC)；resistance spot welding

TG457.1

C

1001-2303(2011)12-0023-05

2011-01-04

崇玉良(1987—)，男，安徽天久人，在讀碩士，主要從事鋼和鋁合金異種材料點焊的研究工作。