淺議汽車鋼鋁異種金屬焊接技術

摘 要：鋼、鋁的焊接屬于異種金屬的連接，由于鐵、鋁在熔點、熱膨脹系數(shù)、導熱導電性能、相互溶解度等物理化學性能方面存在差異，采用常規(guī)的熔焊方法很難實現(xiàn)牢固的焊接，焊接接頭極易形成裂紋，縮孔等缺陷。因此，鋼、鋁異種金屬焊接已成為汽車生產(chǎn)中的一大技術難題。本文

關鍵詞：汽車；鋼、鋁異種金屬；焊接技術

鋁合金具有密度小，比剛度和比強度高，導熱、導電性能好，抗腐蝕破壞能力優(yōu)異及良好的加工性能等一系列優(yōu)點，被廣泛用到航空航天、交通工具等領域。汽車工業(yè)中大多采用鋁合金代替鋼材的方法來減輕車身重量，鋼、鋁異種金屬的連接逐漸增多，因此，鋼、鋁異種金屬間的焊接成為輕量化汽車制造過程中的重要工藝之一。然而，鋼和鋁兩種金屬材料在物理和化學性能方面存在著巨大的差異，并且鋼與鋁的固溶度非常低，鋼與鋁在焊接過程中容易形成大量的脆性金屬間化合物，焊接時容易出現(xiàn)裂紋、未熔合等，會導致接頭力學性能大大降低。因此，鋼、鋁異種金屬焊接非常困難，是一大技術難點，加強鋼與鋁異種金屬焊接技術的研究，對于推動鋼與鋁異種金屬的連接及應用具有重要的意義。

一、鋁和鋼異種金屬的焊接性分析

當要焊接的兩種金屬的物理、化學性能相差較大，且互溶性很低時，極容易產(chǎn)生大量脆硬性金屬間化合物，從而嚴重降低異種金屬焊接接頭的力學性能。脆性金屬間化合物對異種金屬焊接接頭力學性能的影響程度與其成分、形貌特征及分布狀態(tài)有關。當金屬間化合物屬于高脆硬相，且以針狀或層片狀出現(xiàn)在界面處時，會割裂基體，嚴重增大焊接接頭的脆性斷裂傾向，導致接頭的力學性能惡化；當金屬間化合物脆硬性較低，同時呈現(xiàn)細小顆粒狀彌散分布在焊接接頭時，此時它對接頭力學性能的惡化作用有所減弱。當兩種金屬材料之間的物理化學性能接近，而且同時能夠形成間隙式連續(xù)固溶體或者具有較高的互溶性，即異種金屬間具有“冶金學上的相容性”時，可以實現(xiàn)異種金屬材料之間的有效連接。

鋁和鋼異種金屬的主要熱物理性能相差很大，性能上的差異往往會導致鋁、鋼焊接性較差，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.由于鋁和鋼的熔點相差800～1000K，兩者的溶點差異性明顯，當?shù)腿埸c的鋁及鋁合金已經(jīng)完全熔化時，鋼還保持著固體加熱狀態(tài)，兩者不會形成冶金結合，而是鋁液漂浮在鋼材表面，這就使得兩者很難發(fā)生熔合現(xiàn)象；兩者密度相差也比較大，當鋼完全熔化時，鋁液漂浮在鋼表面上，使冷卻結晶后焊縫成分非常不均勻，嚴重地降低了焊接接頭的質量。

2.鋼、鋁的熱導率相差大約3倍，這使兩者之間很難均勻加熱；其線膨脹系數(shù)相差1.4～2倍，在焊接過程中必然會在焊接接頭的側面產(chǎn)生殘余熱應力，使接頭嚴重變形，而且這種變形不能通過熱處理來消除，甚至導致焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，會嚴重降低焊接接頭的質量。

3.鋁及鋁合金在加熱時，在鋁表面易形成穩(wěn)定的難熔的氧化膜（Al2O3），Al2O3既阻礙液態(tài)金屬間的結合，又容易形成焊縫中的夾渣，直接導致焊接接頭的強度和塑性降低。特別是焊接過程中接頭內(nèi)產(chǎn)生大量的脆Fe-Al金屬間化合物，這些金屬間化合物降低了焊縫的塑韌性，增大了焊縫脆性，這是鋁和鋼熔化焊焊接的最主要障礙。

二、鋼、鋁異種金屬的焊接方法

根據(jù)對鋼、鋁異種金屬的焊接性分析，鋼、鋁異種金屬焊接后存在種種質量問題和困難，因而必須采取特殊工藝措施和選擇合適的焊接方法，才能獲得滿意的焊接接頭。目前，鋼、鋁的焊接工藝方法大致可以分為壓焊、釬焊和熔化焊三大類。

1.壓焊。壓焊方法有滾焊、爆炸焊、擴散焊、攪拌摩擦焊等。激光滾焊是由滾壓焊和激光焊復合而成的，激光滾焊利用高能密度激光對金屬材料進行加熱，通過緊隨其后的滾輪對材料施加壓力完成接合。應用激光滾焊焊接異種金屬材料時，高能密度激光束照射在高熔點的母材一側，加熱到兩種材料熔點之間的某一溫度，熔點高的母材沒有發(fā)生熔化，而低熔點母材在熱傳導的作用下熔化，然后在界面處發(fā)生液-固反應，其有助于抑制界面處金屬間化合物層的生成。

擴散焊是將兩種或兩種以上的金屬材料緊密貼合在一起，放到真空或保護氣氛中一定壓力和溫度下保持一段時間，使兩個接觸面之間的原子相互擴散形成有效聯(lián)接的焊接方法。溫度、壓力、擴散時間和表面粗糙度是影響接頭質量的主要因素。

摩擦焊是一種焊接效率高、質量穩(wěn)定、節(jié)能、精密、一致性好的固相連接技術，可實現(xiàn)異種材料的焊接，如鋼、鋁焊接，對鋼、鋁母材的種類沒有附加的要求，純鋁與碳鋼、純鋁與不銹鋼、鋁合金與碳鋼以及鋁合金與不銹鋼等各種異種金屬接頭，摩擦焊都可以進行連接，

2.釬焊。釬焊是將焊件加熱到高于釬料（熔點低于焊件金屬）而低于焊件的熔化溫度，釬料熔化并潤濕焊件金屬，填充接頭間隙并且和母材金屬互相擴散實現(xiàn)連接的一種焊接方法。釬焊過程中焊接參數(shù)具有良好的可控性，故金屬間化合物層的厚度可以通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)來控制，而且界面反應過程還可以通過控制釬料的釬焊過程中焊接參數(shù)具有良好的可控性。

3.熔-釬焊。熔-釬焊焊接技術作為一種優(yōu)質的異種金屬材料連接方法，目前已開發(fā)出多種工藝方法，如電弧熔-釬焊、激光熔-釬焊和激光電弧復合熔-釬焊等，目前，熔-釬焊焊接技術已在鋼、鋁異種金屬連接得到了廣泛地應用。熔-釬焊是用焊接熱源對兩種不同材質的母材加熱，基于兩種母材熔點的差異，在高熔點母材金屬材料不發(fā)生熔化的條件下，使低熔點母材金屬和填充材料熔化，一方面，熔化的低熔點母材金屬與填充材料形成熔化焊接頭，另一方面，二者混合在一起鋪展到高熔點母材金屬表面形成釬焊接頭。鋼、鋁熔-釬焊技術充分利用了鋁與鋼熔點的差異，一方面可以不受焊接接頭形狀的影響，實現(xiàn)鋼、鋁的優(yōu)質高效連接，強度可以達到鋁合金熔焊接頭的強度水平；另一方面避免鋼熔化形成脆性的Fe-Al 金屬間化合物相，削弱焊接接頭的性能。

三、結語

鋼、鋁異種金屬的焊接結構正是實現(xiàn)汽車輕量化的有效手段之一。鋼、鋁異種金屬復合結構可以充分發(fā)揮兩種材料的固有優(yōu)勢，具有質輕、強度高以及耐蝕性好等綜合優(yōu)勢，在汽車制造、航空航天等領域具有越來越廣泛的應用。本文介紹的幾種鋼、鋁異種金屬的焊接方式均能夠得到力學性能優(yōu)良的燥接接頭，但是由于這幾種焊接方法各有優(yōu)點，具體實際應用時，應結合具體情況綜合應用。

參考文獻：

[1]武鵬文. 鋼鋁異種金屬激光熔釬焊的接頭組織與性能研究[D].鄭州大學， 2017.

[2]趙一鳴， 陳虹， 王鏑，等. 基于車身輕量化的新型鋼鋁連接技術研究[J].汽車工藝與材料， 2017（12）：24-27.

[3]劉國承， 田杰平， 史玉升，等. 汽車用鋼焊接技術研究進展[J].激光與光電子學進展， 2015， 52（1）：28-34.

作者簡介：王珂（1982-），男，吉林長春人，工程師，從事汽車焊裝夾具及汽車焊接生產(chǎn)線工作。