提高鋁鋼焊接接頭力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀

李 妍，劉 寧，黃健康，樊 丁

（1.天水師范學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，甘肅天水741001；2.蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050；3.蘭州理工大學(xué)有色金屬合金省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050）

提高鋁鋼焊接接頭力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀

李 妍1，劉 寧2，3，黃健康2，3，樊 丁2，3

（1.天水師范學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，甘肅天水741001；2.蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050；3.蘭州理工大學(xué)有色金屬合金省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050）

鋁鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、船舶、汽車制造等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，應(yīng)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(xué)性能，極大限制了鋁/鋼異種復(fù)合結(jié)構(gòu)件在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。為了增加液態(tài)鋁在鋼表面的潤(rùn)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(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從添加合金元素和鍍層兩方面進(jìn)行研究，以期獲得成形良好且符合一定力學(xué)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(jié)能減排、低碳生活的今天，如何更好地實(shí)現(xiàn)汽車的節(jié)能、環(huán)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(zhì)量中占30%，要實(shí)現(xiàn)汽車輕量化應(yīng)當(dāng)從減輕車身質(zhì)量出發(fā)；而鋁合金相對(duì)密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好，是汽車輕量化技術(shù)中使用最廣泛的輕量化材料。但采用純鋁車身的成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋼制車身，且在安全性方面全鋁車身結(jié)構(gòu)弱于傳統(tǒng)鋼制車身，而鋁鋼復(fù)合材料能夠很好地解決以上問題，且鋁鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)因強(qiáng)度高、耐腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、船舶等領(lǐng)域也引起了廣泛關(guān)注，應(yīng)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(xué)性能，極大限制鋁/鋼異種復(fù)合結(jié)構(gòu)件在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[6-8]。為了增加液態(tài)鋁在鋼表面的潤(rùn)濕鋪展性，并有效控制鋁鋼界面Al-Fe金屬間化合物的生長(zhǎng)，以此來獲得力學(xué)性能良好的鋁鋼焊接接頭，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從添加合金元素和鍍層兩方面進(jìn)行研究。

1 措施

1.1 合金元素的影響

鋁的熔點(diǎn)為660℃，遠(yuǎn)低于鋼的熔點(diǎn)，在焊接過程中，鋁熔化為液態(tài)時(shí)，鋼還沒有熔化，仍處于固態(tài)，且兩者間的密度相差很大，若鋼完全熔化時(shí)，液態(tài)鋁因密度低會(huì)漂浮在鋼水上面，冷卻結(jié)晶后焊縫分布不均勻，焊縫性能不達(dá)標(biāo)。由于鋁和鋼的熔點(diǎn)、導(dǎo)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(chǎn)生FeAl3、Fe2Al5等脆硬金屬間化合物，影響鋁鋼接頭的力學(xué)性能。近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)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(duì)焊接接頭的性能都起著至關(guān)重要的作用，因此許多學(xué)者通過在鋁鋼焊接過程中添加其他合金元素來改善液態(tài)鋁在鋼表面的浸潤(rùn)鋪展作用，抑制Al-Fe金屬間化合物的形核生長(zhǎng)和細(xì)化晶粒以及形成細(xì)小的金屬間化合物組織，從而提高接頭的力學(xué)性能。目前，常采用Si、Zn、Cu、Mn、Ag等合金元素作為鋁鋼焊接時(shí)的填充材料，因?yàn)檫@些元素與鋁和鐵均有著良好的結(jié)合性。

北京航空航天大學(xué)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(duì)Al基釬料性能的影響。合金元素Cu，Ni，Si含量對(duì)釬料熔點(diǎn)的影響如圖1所示，結(jié)果表明，隨著Cu、Si合金元素含量的增加，釬料的熔點(diǎn)大大降低，而Cu、Ni、Si合金元素的添加對(duì)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(duì)釬料熔點(diǎn)的影響Fig.1 Alloy elements Cu，Ni，Si content on melting point of solder

日本大阪大學(xué)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(duì)SPCC鋼與A1050P-H24鋁合金進(jìn)行直流脈沖MIG電弧搭接焊。試驗(yàn)表明，在接頭界面主要形成了Al7.4Fe2Si三元化合物。研究發(fā)現(xiàn)，通過控制焊縫的化學(xué)成分能夠抑制金屬間化合物層厚度，使其小于2.5 μm，此時(shí)鋁鋼焊接接頭的抗拉剪強(qiáng)度可達(dá)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(fù)合熱源實(shí)現(xiàn)鋁合金和鍍鋁鋼、鍍鋅鋼以及非鍍層鋼的優(yōu)質(zhì)高效連接。研究發(fā)現(xiàn)合金元素Zn、Sn能夠降低液態(tài)釬料與鋼之間的表面張力，從而有效提高了液態(tài)釬料在鋼表面的流動(dòng)性和浸潤(rùn)鋪展性。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)Sb能夠提高鋁鋼接頭的強(qiáng)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(xué)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(jìn)行了鋁合金與鍍鋅鋼板對(duì)接焊接，研究焊絲成分對(duì)接頭化合物層特征及接頭性能的影響。發(fā)現(xiàn)添加Si元素能夠在金屬間化合物層形成早期抑制其生長(zhǎng)，但Si元素容易導(dǎo)致焊縫裂紋和氣孔的出現(xiàn)，從而影響接頭的力學(xué)性能。而Mn元素細(xì)化了金屬間化合物晶粒尺寸，提高了接頭的強(qiáng)度。

澳大利亞皇家理工大學(xué)的A Boag[14]等人研究發(fā)現(xiàn)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(xué)性能。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(huì)降低焊接材料的熔點(diǎn)，確保鋁在鋼側(cè)有好的浸潤(rùn)性和鋪展性；合金元素能抑制化合物層生長(zhǎng)，改變金屬間化合物的形態(tài)及分布；合金元素起到變質(zhì)處理及形核劑作用，達(dá)到細(xì)化晶粒以提高接頭性能的目的。Si元素可以降低焊絲熔點(diǎn)，增加其在鋼表面的浸潤(rùn)性、鋪展性，且焊料中w（Si）一般在5%～12%范圍內(nèi)。Zn能改善焊料在鋼表面的浸潤(rùn)性，提高接頭強(qiáng)度，其添加量視具體的焊接方法而定。

大連理工大學(xué)董紅剛等人[16]研究了硅和銅元素對(duì)鋁/鍍鋅鋼接頭性能的影響，認(rèn)為Si元素能夠抑制金屬間化合物層的生長(zhǎng)。Si元素對(duì)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(shí)Si元素的加入可以改善接頭界面區(qū)的柱狀晶組織。而對(duì)于Cu元素而言，當(dāng)其含量大于一定值時(shí)，金屬間化合物層的厚度增加。

蘭州理工大學(xué)石玗等人[17]研究了Si、Mg元素對(duì)脈沖旁路MIG電弧焊鋁/鋼接頭性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)Si在焊接過程中參與化學(xué)反應(yīng)，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(kuò)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(yàn)可知，采用鋁硅焊絲其焊接接頭的強(qiáng)度大于使用Al-Mg焊絲的強(qiáng)度。

湖南大學(xué)周惦武等人[18]研究了Mn和Zr元素對(duì)鋁鋼激光焊接接頭的影響，認(rèn)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(shí)，Mn元素提高了熔池金屬的流動(dòng)性，而Zr元素可以細(xì)化焊縫區(qū)晶粒，形成新的韌性相ZrFe33Al13，均有利于提高接頭的力學(xué)性能。

圖2 Si元素對(duì)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(rùn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于采用過渡層來改善鋁鋼接頭的性能方面進(jìn)行了大量研究。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)馮吉才等人[19]研究了通過添加Cu夾層對(duì)LF2鋁合金/Q235鋼進(jìn)行電子束焊接，希望以此來控制焊縫區(qū)域Fe-Al脆性化合物的生成。但研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Cu夾層不能有效阻止脆性相的生成，且接頭最高抗拉強(qiáng)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(xué)的吳銘方[19]等人對(duì)6016鋁合金/鍍銀層/lCrl8Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行了擴(kuò)散釬焊連接，探討鋁鋼界面金屬間化合物的生長(zhǎng)行為。研究發(fā)現(xiàn)，連接界面由不銹鋼側(cè)的Fe-Al化合物層、鋁側(cè)的Ag（Al）固溶體以及中心區(qū)域Ag-Al化合物和Ag（Al）固溶體的混合結(jié)構(gòu)組成。在金屬間化合物產(chǎn)生的過程中，由于Al原子擴(kuò)散路徑的緣故，首先產(chǎn)生Ag-Al金屬間化合物，F(xiàn)e-Al金屬間化合物延遲產(chǎn)生。

上海交通大學(xué)的呂學(xué)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(jìn)行釬焊連接。結(jié)果表明，Ni/Cu復(fù)合鍍層降低了Al及Fe原子的互擴(kuò)散現(xiàn)象，阻止了金屬間化合物的生長(zhǎng)。Cu鍍層與釬縫之間生成了少量組織不連續(xù)的化合物相，脆硬相對(duì)接頭力學(xué)性能的影響較小，接頭的剪切強(qiáng)度可達(dá)33.6 MPa。

趙祖林等人[21]在1Crl8Ni9Ti不銹鋼和6063鋁合金接觸反應(yīng)釬焊過程中采用了Ag-Ni復(fù)合過渡層。結(jié)果表明，采用Ag-Ni復(fù)合過渡層焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制保溫時(shí)間，恰當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間有利于獲得性能優(yōu)良的接頭。當(dāng)釬焊時(shí)間較短時(shí)，鎳層阻礙了脆性金屬間化合物的形成和長(zhǎng)大，釬縫接頭組織由鋁合金側(cè)Al基固溶體與Al-Ag金屬間化合物構(gòu)成；而當(dāng)釬焊時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，Ni層阻隔作用消失，Ni層逐漸熔合于液態(tài)釬料中，Al-Ag化合物含量明顯增加，顯著降低了接頭力學(xué)性能。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(shí)現(xiàn)了鋁合金的直接低溫釬焊。研究發(fā)現(xiàn)，鍍層與基體結(jié)合良好，接頭剪切強(qiáng)度最高可達(dá)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(yè)大學(xué)的張智慧[23]等人在鋁基復(fù)合材料表面濺射Cu后并采用SnAgCu釬料進(jìn)行真空釬焊。研究發(fā)現(xiàn)焊縫組織致密，接頭的最高剪切強(qiáng)度可達(dá)9.15 MPa，在靠近Cu層的復(fù)合材料的表層發(fā)生斷裂。在2024鋁基復(fù)合材料表面鍍鎳時(shí)，一些顆粒增強(qiáng)相提高了焊縫強(qiáng)度，Ni層減小了化合物層厚度提高了焊點(diǎn)的可靠性。

Zhu等人[24]對(duì)表面鍍用化學(xué)鍍Ni-P-Cu合金層的YT15硬質(zhì)合金與不銹鋼進(jìn)行釬焊。研究發(fā)現(xiàn)，合金鍍層增強(qiáng)了硬質(zhì)合金與碳鋼的釬焊性能?；瘜W(xué)鍍時(shí)，采用PH=11，濃度為1.254 g/L的CuSO4溶液，在溫度為90℃時(shí)進(jìn)行沉積，獲得了均勻致密的Ni-P-Cu鍍層，與硬質(zhì)合金基體及黃銅釬料形成良好的冶金結(jié)合，接頭的剪切強(qiáng)度最高可達(dá)480 MPa。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徐家富等人[25]在Al2O3陶瓷表面化學(xué)鍍鎳后與5A05鋁合金進(jìn)行真空釬焊。結(jié)果表明，當(dāng)釬焊溫度為 570℃、保溫時(shí)間為15 min時(shí)，可獲得力學(xué)性能良好的釬焊接頭，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)25 MPa。同時(shí)發(fā)現(xiàn)釬焊保溫時(shí)間對(duì)連接界面金屬間化合物的形態(tài)和分布有很大影響。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，界面反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，過多的Ni參與界面反應(yīng)，鍍Ni層與Al2O3之間的“鎖扣效應(yīng)”消失，導(dǎo)致接頭力學(xué)性能降低。

王奇娟等人[26]在研究熱管的釬焊時(shí)，首先對(duì)鋁合金進(jìn)行化學(xué)鍍鎳預(yù)處理，并采用錫基釬料和活性釬劑對(duì)鍍鎳鋁合金及不銹鋼進(jìn)行軟釬焊。研究表明，當(dāng)鍍鎳層厚度10 μm、釬焊溫度220℃、釬縫間隙0.2~0.5 mm時(shí)，所得熱管釬焊結(jié)構(gòu)接頭力學(xué)性能及傳熱性能良好。

Tan等人[27]在鎳板表面電鍍金后進(jìn)行精密電阻釬焊，研究發(fā)現(xiàn)，焊接電流大小影響接頭的連接機(jī)制。隨著電流的不斷增加，鍍金鎳板由固相連接轉(zhuǎn)化為固相連接與釬焊連接相結(jié)合的連接機(jī)制，以及固相連接、釬焊以及熔焊的混合連接機(jī)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(qiáng)度高于無鍍層鎳板接頭。

2 結(jié)論

鋁/鋼焊接接頭界面形成的金屬間化合物對(duì)焊接接頭的力學(xué)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(xué)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，F(xiàn)AN 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，F(xiàn)e 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(dòng)控制及計(jì)算機(jī)應(yīng)用方向的教學(xué)科研工作。

獻(xiàn)

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