我國鋼鋁異種金屬焊接概述

胡美些

（內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010070）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境問題日益突出，特別是霧霾等大氣污染，更是全社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。作為我國主要大氣污染源之一的交通運(yùn)輸業(yè)，提倡綠色、節(jié)能、環(huán)保勢(shì)在必行。有研究表明[1]，汽車重量每減少100 kg，油耗和 CO2排放可分別減少 0.35 L/100 km和8.4 g/km。車身質(zhì)量占整車質(zhì)量的40%，所以如何減輕車身重量對(duì)于節(jié)能環(huán)保具有舉足輕重的地位。車身輕量化途徑一般有三種，包括應(yīng)用輕量化材料，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，選用先進(jìn)成型技術(shù)，其中車身選用鋼和鋁合金材料，采用先進(jìn)焊接方法連接是車身輕量化研究重點(diǎn)之一。但是由于鋼鋁異種金屬的熱物理性能和化學(xué)結(jié)晶性能相差較大，導(dǎo)致其焊接性極差。首先兩種金屬熔點(diǎn)不同，鋼的熔點(diǎn)為1 500℃左右，鋁的熔點(diǎn)為660℃，所以焊接加熱過程中，熔化鋼鋁需要吸收的熱量相差很大，進(jìn)行熔化焊時(shí)將無法將兩種金屬均勻地熔合在一起，因?yàn)楹附邮┕r(shí)往往鋁已熔化，而鋼卻難以熔化，造成二者難以有效熔合而無法實(shí)現(xiàn)焊接接頭的牢固連接。

其次，兩種金屬的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)也不同。在冷卻過程中，由于熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)不同造成兩種材料收縮程度不同，從而形成焊接殘余應(yīng)力，引起焊接變形甚至開裂等缺陷的產(chǎn)生。鋼中的鐵和鋁幾乎不互溶（在225～600℃，鐵在鋁中的固溶極限為0.01% ～0.022%），所以在焊接熔池冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生FeAl3，隨著Fe含量的增加，還會(huì)形成 Fe2Al、Fe2Al7、Fe2Al5、FeAl2等一系列硬而脆的金屬間化合物[2]（如圖1所示），導(dǎo)致焊接接頭塑韌性降低，甚至?xí)鸷附恿鸭y的產(chǎn)生。另外，二者密度也不同，鋁的密度較小，為 2.7 × 103kg/m3，鋼的密度較大，為 7.8×103kg/m3。所以在焊接熔池中質(zhì)輕的鋁液浮在質(zhì)重的鋼液上面，嚴(yán)重影響二者充分接觸發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)的效果。

如何克服鋼鋁焊接技術(shù)瓶頸，更好利用鋁合金質(zhì)輕而鋼材強(qiáng)度大的性能特點(diǎn)是鋼鋁異種金屬焊接技術(shù)需要重點(diǎn)研究的對(duì)象。一般來說，改善焊接件焊接質(zhì)量，無非是從外因和內(nèi)因?qū)ふ彝黄瓶凇Ｍ庖蚓褪侨绾尾捎煤线m的焊接方法及其焊接工藝參數(shù)來改變焊接過程進(jìn)而改善焊接質(zhì)量；內(nèi)因就是如何通過添加其他合金元素進(jìn)而改變化學(xué)成分來改善焊接金屬的結(jié)晶性能，從而改善焊接質(zhì)量，即采用焊縫金屬合金化改善焊接質(zhì)量。

圖1 F e-A l二元合金相圖[3]

1 焊接方法及焊接工藝參數(shù)的正確選擇

由于鋼鋁焊接接頭是由兩種化學(xué)性能和物理性能都有很大差異的金屬所組成，所以焊接時(shí)所選焊接方法和焊接工藝參數(shù)不同，焊接接頭的性能會(huì)有很大的變化。所以探究適合鋼鋁異種金屬的焊接方法以及相適應(yīng)的焊接工藝參數(shù)就顯得尤為重要。根據(jù)焊接過程中外加能量不同和工藝特點(diǎn)差異，可把焊接分為熔焊、壓焊和釬焊。對(duì)于鋼鋁異種金屬焊接，由于鋼鋁熔點(diǎn)相差太大，就目前的焊接方法而言，還沒有哪一種焊接方法能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)鋼鋁熔化而保證形成良好的焊接接頭，所以鋼鋁常用的焊接方法主要是熔釬焊和壓焊。

1.1 熔釬焊

熔釬焊是鋼鋁異種金屬焊接中應(yīng)用前景非常廣闊的一種新型焊接方法。該方法是利用異種金屬母材熔點(diǎn)的差異，在嚴(yán)格控制焊接熱輸入的前提下，使得鋼母材端不熔化，僅依靠鋁母材的熔化和在鋼表面的鋪展?jié)櫇駥?shí)現(xiàn)鋼的釬焊。即焊接的過程同時(shí)發(fā)生了鋁的熔焊和鋼的釬焊，故稱為熔釬焊。根據(jù)使用熱源的不同，熔釬焊常用的方法有CMT熔釬焊，TIG熔釬焊、MIG熔釬焊、激光熔釬焊、電子束熔釬焊等。

1.1.1 CMT熔釬焊

CMT是Cold Metal Transfer的縮寫（冷金屬過渡），該技術(shù)是由1997年福尼斯公司開發(fā)的無飛濺引弧技術(shù)上發(fā)展而來的。最終將該技術(shù)應(yīng)用于焊接生產(chǎn)是在2002年該公司研發(fā)出CMT焊接系統(tǒng)之后。同傳統(tǒng)的電弧焊接方法相比，CMT熔釬焊具有焊接熱輸入小，焊接過程無飛濺、焊縫成型優(yōu)良等[4]優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于鋼鋁異種金屬焊接中。CMT熔釬焊主要有搭接焊和對(duì)接焊兩種，通過優(yōu)選焊接電流、焊接電壓、焊接速度、送絲速度、焊接熱輸入等焊接參數(shù)，并選用合適的焊接母材可以獲得力學(xué)性能優(yōu)良的焊接接頭。

江蘇科技大學(xué)崔佃忠等人[5]采用CMT熔釬焊技術(shù)搭接焊接5052鋁合金和Q235鍍鋅鋼，當(dāng)電流為66 A時(shí)搭接接頭的最大拉剪強(qiáng)度為115.7 MPa。對(duì)接焊接5052鋁合金和304不銹鋼時(shí)，當(dāng)電流為66 A，電壓為 11.8 V，送絲速度為 65 mm/s，焊接速度為 6.5 mm/s，熱輸入為 119.8 J/mm 時(shí)獲得了 111.64 MPa 的焊接接頭抗拉強(qiáng)度。中北大學(xué)龐二元等[6]在研究5083鋁合金和Q235鍍鋅鋼板CMT搭接焊接時(shí)，發(fā)現(xiàn)采用ER4043鋁硅焊絲得到的焊接接頭性能比采用ER5083鋁鎂焊絲得到的焊接接頭性能更優(yōu)。上海工程大學(xué)謝超杰等[7]采用CMT熔釬焊技術(shù)焊接6061鋁合金和Q235鍍鋅鋼時(shí)，獲得了抗拉強(qiáng)度為134 MPa的焊接接頭。

北京工業(yè)大學(xué)的尹蘭禮等[7]采用鎢極氬弧焊和冷金屬過渡焊焊接鋁合金與低碳鋼，通過對(duì)比二者的焊縫成型和接頭強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)兩種方法均可實(shí)現(xiàn)鋼鋁有效連接，但是冷金屬過渡焊的焊縫成型相對(duì)較好且焊接接頭拉剪強(qiáng)度值可達(dá)母材強(qiáng)度的85%。

1.1.2 TIG 熔釬焊

TIG熔釬焊即鎢極氬弧熔釬焊，因其設(shè)備簡(jiǎn)單，成本較低，便捷高效等優(yōu)點(diǎn)而在鋼鋁異種金屬焊接中被采用。大連理工大學(xué)的宋洋等[8]采用添加AlSi2藥芯焊絲的TIG熔釬焊實(shí)現(xiàn)了純鋁/不銹鋼的連接，接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)92 MPa，是母材抗拉強(qiáng)度的73%。

1.1.3 激光熔釬焊

由于激光束能量集中，加熱速度快，加熱范圍小，熱影響區(qū)窄，可精確控制焊接熱輸入，抑制鋼鋁釬焊界面處金屬間化合物的形成或生長，因此在鋼鋁焊接上的研究和應(yīng)用非常廣泛。按激光吸收能量原理的不同，激光熔釬焊分為激光熱導(dǎo)熔釬焊和激光深熔釬焊兩類。衣玉蘭等[9]通過研究AA6016鋁合金/22MnB5硼鋼激光熔釬焊工藝，發(fā)現(xiàn)噴砂處理鍍鋁22MnB5相比直接激光熔釬焊接22MnB5與AA6016鋁合金更加容易。北京工業(yè)大學(xué)的張冬云等人[10]采用擴(kuò)散板條二氧化碳激光器對(duì)接焊接厚度為1 mm的DC06鋼板和厚度為2 mm的60612T6鋁合金，當(dāng)采用焊接參數(shù)為2.16×106W/cm2、焊接速度2 m/min、送絲速度6 m/min的低能量密度焊接時(shí)，獲得的焊縫最大抗拉剪力為2.99 kN，而采用焊接參數(shù)為2.95×106W/cm2、焊接速度3 m/min、送絲速度 9 m/min的高能量密度焊接時(shí)，獲得的焊縫最大抗拉剪力為2.18 kN，只有低能量密度的72.9%。北京工業(yè)大學(xué)的崔麗等[11]研究了在無任何填充材料的條件下采用光纖激光深熔焊對(duì)鋼/鋁進(jìn)行搭接焊時(shí)焊接速度對(duì)接頭特性的影響，研究表明當(dāng)焊接速度從2.4 m/min增加到3.3 m/min，焊縫成形不斷改善，且在焊接速度為3.0 ～ 3.3 m/min時(shí)，獲得了良好的焊縫成形。且隨著焊接速度的增加，F(xiàn)e4Al13化合物數(shù)量明顯減小，界面金屬化合物Fe2Al5層的厚度也明顯減薄。當(dāng)焊接速度為3.0 m/min時(shí)，鋼/鋁搭接接頭的機(jī)械抗力最高達(dá)137.1 N/mm。張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院宋新華等[12]采用激光深熔填絲釬焊6061鋁合金和H220YD+ZF鍍鋅鋼板，當(dāng)激光功率為2 600 W，焊接速率為1 m/min，送絲速率為 2.22 m/min，離焦量為 5 mm，同軸Ar保護(hù)氣流量為16 L/min時(shí)，獲得了145 MPa的焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度。拉伸試樣斷裂屬于韌窩斷裂。

1.1.4 電子束焊接

由于電子束焊接技術(shù)具有能量密度高，焊接速度快，焊接變形小，電子束易于控制，真空環(huán)境焊接等特點(diǎn)而成為焊接領(lǐng)域高度關(guān)注的研究熱點(diǎn)。但是電子束直接對(duì)中焊接鋼鋁金屬，焊接性極差。針對(duì)這一問題，研究人員通常采用電子束偏束焊接或在鋼鋁間增加異種材料的中間層等方法來改善焊接性。如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王廷等[13]通過采用電子束偏鋼側(cè)焊接2.0 mm厚純鋁1060及Q235鋼發(fā)現(xiàn)，合適的偏束量范圍內(nèi)焊接比對(duì)中焊接可以獲得更好的焊縫成型和更高的接頭強(qiáng)度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的倪家強(qiáng)等[14]在 55 kV加速電壓，2 450 mA聚焦電流，360 mm/min焊接速度，6～11 mA焊接束流，4×10-2Pa真空度的條件下對(duì)防銹鋁和不銹鋼進(jìn)行了焊接性研究。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比于直接焊接而言，添加合適的中間層可提高接頭強(qiáng)度，降低接頭殘余應(yīng)力，改善脆性相分布情況。

1.2 壓焊

壓焊屬于固相焊接，相對(duì)于熔焊而言焊接熱輸入較小，焊接溫升低，能夠阻礙鋼鋁脆性金屬化合物的生成或減小化合物厚度，提高焊接接頭力學(xué)性能。用于鋼鋁焊接的壓焊方法包括攪拌摩擦焊、電阻點(diǎn)焊、爆炸焊等。

1.2.1 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊屬于低能量輸入焊接方法，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)一方面可以清除鋁表面的氧化膜，降低或減少鋁氧化物的有害作用，另一方面可以縮短焊接時(shí)間，降低焊接區(qū)溫升，在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)鋼鋁的有效連接，所以焊前無需處理，焊接殘余應(yīng)力和焊接變形小，非常適合鋼鋁異種金屬焊接。鋼鋁攪拌摩擦焊常用的接頭形式有對(duì)接和搭接。無論是對(duì)接還是搭接，攪拌針是否進(jìn)入鋼表面和進(jìn)入鋼表面的距離大小都對(duì)焊接質(zhì)量有很大的影響。另外，焊接速度、攪拌頭轉(zhuǎn)速、摩擦?xí)r間也決定了焊接熱輸入的大小，對(duì)焊接接頭強(qiáng)度有至關(guān)重要的作用。

蘭州理工大學(xué)的鄧向斌等人[15]采用攪拌摩擦焊對(duì)變形鋁合金6082和Q235鋼進(jìn)行對(duì)接焊接，在攪拌頭轉(zhuǎn)速為260 r/min、焊接速度為160 mm/min、攪拌針長度為1.6 mm的最優(yōu)參數(shù)下獲得了140 MPa的焊接接頭抗拉強(qiáng)度。蘭州工業(yè)學(xué)院龔成功等人[16]采用攪拌摩擦電焊方法搭接焊接6061-T6鋁合金和DP600鍍鋅鋼板，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1 400 r/min，摩擦?xí)r間為6 s，攪拌針伸出長度為2.4 mm時(shí)獲得了10.96 kN的焊接接頭最大抗剪切強(qiáng)度。重慶理工大學(xué)羅磊[17]等采用攪拌摩擦焊對(duì)接焊接3 mm厚2024鋁合金和Q235鋼板，在壓入量為0.4 mm，焊接速度為44 mm/min，轉(zhuǎn)速為420 r/min的焊接工藝參數(shù)下，焊接接頭獲得了最大值為334 MPa的抗拉強(qiáng)度，為鋁合金母材強(qiáng)度的74.2%。

1.2.2 電阻點(diǎn)焊

電阻點(diǎn)焊屬于壓焊的一種，是加熱-加壓聯(lián)合作用的焊接過程，具有大電流、短時(shí)間、加壓狀態(tài)下施焊的特點(diǎn)。因其效率高，成本低而被廣泛應(yīng)用于汽車、電子、航空等重要工業(yè)領(lǐng)域。在電阻點(diǎn)焊焊接鋼鋁異種金屬的研究中，焊接參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響是往往成為研究的重點(diǎn)內(nèi)容[18]。

南昌航空大學(xué)陳益平等人[19]采用三相次級(jí)整流電阻點(diǎn)焊機(jī)搭接焊接LF6鋁合金和DP600鍍鋅鋼板，發(fā)現(xiàn)焊接參數(shù)如焊接時(shí)間（2～16cyc）、焊接電流（20 ～ 35 kA）以及電極壓力（4.8 ～ 7.8 kN）等對(duì)焊接接頭的拉剪強(qiáng)度均有比較明顯的正向影響，并且在預(yù)壓時(shí)間為20cyc，焊接時(shí)間為8cyc、焊接電流為30 kA，電極壓力為6.8 kN時(shí)，焊接接頭獲得了6 476 N的最大剪切力。徐崢等[20]采用中頻電阻點(diǎn)焊機(jī)實(shí)現(xiàn)了厚度為1.5 mm的6008-T66鋁合金和厚度為1 mm的H220YD鋼板的有效焊接，采用的焊接參數(shù)為焊接電流22 kA，焊接壓力4 kN，焊接時(shí)間為50～400 ms。通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接時(shí)間為300ms時(shí)焊接接頭的拉剪力最大。湖南大學(xué)的宋娟等[21]在研究中頻電阻點(diǎn)焊6008-T66鋁合金與H229YD鋼時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著電流增大，鋼鋁界面處的金屬間化合物層厚度增加，且有晶粒粗化的趨勢(shì)。接頭拉剪力隨著焊接電流增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，且焊接電流在22 kA時(shí)拉剪力達(dá)最大。

1.2.3 爆炸焊

爆炸焊是將待焊的兩塊基板平行對(duì)齊，控制好兩基板間距離。利用放置在覆板上的炸藥爆炸產(chǎn)生的巨大壓力和極快的速度使兩種材料的表面產(chǎn)生巨大的碰撞，從而產(chǎn)生一定程度的塑形變形而焊合在一起。所以爆炸焊接工藝能將低熔點(diǎn)低密度的鋁合金與高熔點(diǎn)高密度的不銹鋼實(shí)現(xiàn)分子間的連接。南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司的王振中等[22]研究發(fā)現(xiàn)鋁-鋼爆炸焊后在鋼側(cè)形成了等軸狀、隨機(jī)取向的納米晶組織。鋼鋁焊接界面容易形成脆性金屬間化合物，爆炸焊接時(shí)也不例外。為了解決這一問題，研究者往往會(huì)在被焊兩種金屬中間加入異種金屬。候發(fā)臣等[23]在5083鋁合金和CCSB鋼間加入CCSB中間層進(jìn)行了爆炸焊接，結(jié)果顯示焊接質(zhì)量良好。崔衛(wèi)超等[24]加入純鋁中間層，實(shí)現(xiàn)了厚鋁合金板和薄不銹鋼板的爆炸焊接。

2 焊縫金屬合金化

所謂焊縫金屬合金化，就是通過焊接材料或母材在原有主合金元素的基礎(chǔ)上添加少量甚或微量其他合金元素，通過合金的化學(xué)冶金過程形成固溶體或其他脆性較小的化合物，來抑制鋼鋁脆性化合物的生成或抑制其長大。

由前所述可知，鋼鋁互溶性很差，室溫幾乎為零，當(dāng)含量超過溶解度時(shí)必然會(huì)生成金屬化合物。而金屬化合物的性能一般為硬而脆，任何可以抑制金屬化合物的生成或抑制其長大甚至調(diào)節(jié)其形態(tài)的方法就成為控制焊接質(zhì)量很關(guān)鍵的內(nèi)容之一。目前鋼鋁異種金屬焊接時(shí)焊縫金屬合金化最常用的方法就是通過一些技術(shù)手段添加錳、鋯、鋅、銅、鎳、銀等元素來實(shí)現(xiàn)。合金元素可以添加在釬料中或者是焊絲中，也可以采用鍍層鋼，還可以以箔、帶、粉等形式添加在兩種母材的界面間。

焊縫金屬合金化方法中，比較常用的是采用合金焊絲來實(shí)現(xiàn)添加合金元素改善焊接性的目的的方法。蘭州理工大學(xué)的石玗等[25]采用直徑1.2 mm的4043（Al-Si）鋁合金焊絲進(jìn)行鍍鋅鋼板與5052鋁合金搭接焊時(shí)，發(fā)現(xiàn)富集在金屬間化合物的Si元素不但可以抑制金屬間化合物Fe2Al5的生長，還可改善接頭力學(xué)性能。Zn在不同的地方既可形成金屬間化合物也可形成鋁鋅固溶體，由于固溶強(qiáng)化作用使得存在鋁鋅固溶體組織的區(qū)域顯微硬度更高。西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院的李杰等[26]采用MIG熔釬焊進(jìn)行鋁/鍍鋅鋼的搭接焊，通過分別填充Al-Si和Al-Mg鋁合金焊絲分析研究Si元素對(duì)MIG熔釬焊鋁/鋼焊接界面金屬化合物的組成及形態(tài)的影響，結(jié)果顯示和Mg相比，Si減緩了Al原子向鋼側(cè)的擴(kuò)散速度，減少了Fe2Al5化合物的厚度，增加了Fe在熔融鋁液中的溶解速率和溶解度形成了較厚的枝晶狀FeAl3化合物。

為防止鋼/鋁界面產(chǎn)生脆性金屬間化合物，通常會(huì)在鋼表面鍍薄薄一層與鋁互溶的金屬，如鎳、銅、鋅、銀等，但是效果最好應(yīng)用最為廣泛的還是鍍鎳鋼。比如長春理工大學(xué)的李言飛等[27]通過研究發(fā)現(xiàn)鍍鋅層在鋼鋁焊接冶金反應(yīng)中充當(dāng)了過渡層的作用，并且鍍鋅層還有效抑制了Fe-Al金屬間化合物的生長，減小了其生成量。蘭州理工大學(xué)周彥林等[28]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)鍍鋅層在電阻點(diǎn)焊鋼鋁時(shí)不能起到改善鋁-鋼潤濕性的作用但是可以通過蒸發(fā)帶走熱量而相對(duì)降低界面上的熱輸入，進(jìn)而使界面上的鐵-鋁金屬間化合物變薄而改善接頭力學(xué)性能。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的呂世雄等[29]在對(duì)0Cr18Ni9不銹鋼和LF21鋁合金進(jìn)行高頻感應(yīng)釬焊時(shí)，采用預(yù)先通過熱浸鍍一層純鋁到不銹鋼表面的方式來改善鋼鋁焊接性，結(jié)果顯示鍍層金屬可以抑制鋼中鐵原子和釬料中鋁、硅原子相互擴(kuò)散，同時(shí)降低了鋼/鋁界面處脆性金屬間化合物的含量，接頭力學(xué)性能也隨之提高。包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院的王繼明等[30]采用真空釬焊研究了化學(xué)鍍鎳的Q235鋼和1060鋁合金的焊接性，結(jié)果顯示鍍鎳層的存在明顯阻隔了Fe、Al原子的擴(kuò)散反應(yīng)，鋼側(cè)界面的脆性金屬間化合物厚度相對(duì)較薄，拉剪試樣呈現(xiàn)脆斷和韌斷混合的斷裂方式。南昌大學(xué)李玉龍等[31]研究認(rèn)為，在進(jìn)行不銹鋼和鋁合金激光焊接時(shí)，不銹鋼表面化學(xué)鍍銅形成的銅箔對(duì)鋼鋁熔池過渡起到橋梁作用，有效降低和減緩了鋼鋁界面處液態(tài)金屬的溫度梯度和熱傳遞，而且銅箔對(duì)兩側(cè)的Fe、Al具有良好的親和性和互溶性，作為媒介使得Fe、Al混合更充分，同時(shí)還有部分Cu固溶到Fe基體中，起到了固溶強(qiáng)化作用。

為了實(shí)現(xiàn)鋼鋁焊接接頭合金化，也有科研工作者研究了在鋼鋁界面添加粉末并采用激光焊或者壓焊的方法使添加金屬粉末參與兩種金屬的冶金過程。比如湖南大學(xué)張麗娟等[32]采用激光焊搭接焊接厚度為1.4 mm的DC51D鍍鋅鋼和1.2 mm厚的6061鋁合金，同時(shí)把錳或鋯粉末添加在鋼和鋁合金搭接時(shí)的重合部位，激光束垂直入射上表面。結(jié)果表明，添加錳可提高熔池流動(dòng)性，利于鋼鋁界面結(jié)合，添加鋯能細(xì)化焊縫金屬，抑制鐵鋁金屬間化合物的生成。長春理工大學(xué)的倪聰?shù)萚33]采用激光填粉熔釬焊焊接1.5 mm厚 5052鋁合金與 0.7 mm厚 ST07Z車用鋼板，填充粉末為直徑70～110μm的純鋁粉。當(dāng)采用激光功率為2.25 kW，保護(hù)氣體流量為15 L/min，焊接速度為1 m/min，送粉量為4.53 g/min時(shí)，可獲得178 MPa的最大接頭抗拉強(qiáng)度。北京工業(yè)大學(xué)的馬彪等[34]研究發(fā)現(xiàn)：鋼鋁焊接時(shí)填加粉末可減緩金屬間化合物的生長速率，可阻礙Fe、Al原子間的接觸，另有部分粉末原子與Fe或Al形成了固溶體，減少了Fe-Al金屬間化合物的生成，改善了接頭塑韌性。湖南大學(xué)的王濤等[35]在采用光纖激光焊接低碳鋼和鋁合金板時(shí)，發(fā)現(xiàn)預(yù)置的Si粉改善了熔池金屬的流動(dòng)性和鋪展性，抑制了Fe-Al脆性相的生成。天水師范學(xué)院的李妍等[36]在進(jìn)行激光熔釬焊接5A06鋁合金和ST04Z鍍鋅鋼時(shí)，研究了預(yù)置硅、鎂粉末對(duì)鋼鋁焊接性的影響。分析發(fā)現(xiàn)添加Si元素可以增加液態(tài)鋁基在鋼側(cè)的浸潤性，同時(shí)導(dǎo)致了鋁鋼焊接接頭處產(chǎn)生大量的氣孔。添加鎂元素導(dǎo)致激光反射嚴(yán)重，致使接頭背面呈現(xiàn)未焊透狀態(tài)。合適的粉末填加量可以提高鋁對(duì)鋼的潤濕性，減少金屬間化合物的生成，從而獲得理想的接頭強(qiáng)度。吉林大學(xué)的蘇雷[37]選用1.5 mm厚的6061-T6鋁合金板和1 mm厚的SUS301L不銹鋼板進(jìn)行電阻點(diǎn)焊時(shí)，向點(diǎn)焊熔核分別添加了不同量的Cu、Zn、Si、Ti或Ni粉，結(jié)果顯示合適的合金元素添加量對(duì)點(diǎn)焊接頭的拉剪力。

在鋼鋁界面以薄帶狀或片狀形式加入第三種元素，可以有效抑制鋼鋁金屬間化合物的形成。長春理工大學(xué)楊旭東等[38]研究發(fā)現(xiàn)在鋼鋁異種金屬激光對(duì)接焊過程中銅箔中間層可以抑制鋁元素向鋼側(cè)焊縫擴(kuò)散。添加銅箔中間層還可避免Fe元素的局部富集，抑制Fe4Al13的產(chǎn)生。在采用爆炸焊接方法時(shí)，為了抑制界面處產(chǎn)生Fe-Al脆性化合物，可通過在鋼、鋁之間增加鈦夾層或純鋁夾層來獲得結(jié)合質(zhì)量較好的復(fù)合板[39-42]。吉林大學(xué)的張?jiān)卢摰萚43]研究了鋼鋁電阻電焊時(shí)銅箔中間層對(duì)焊接接頭組織和性能的影響。分析發(fā)現(xiàn)銅箔可以抑制Fe-Al脆性化合物的生長，使得接頭拉剪力得到提高。吉林大學(xué)的王曉虹等[44]利用激光搭接焊實(shí)現(xiàn)了1.4 mm厚6082鋁合金和1.0 mm厚的05CuPCrNi高耐候低碳鋼的有效連接。研究發(fā)現(xiàn)采用 Fe-B-Si（79.58%Fe、11.16%B，9.26%Si）作為中間層，鋼鋁界面更加平整，F(xiàn)e-Al金屬間化合物厚度減薄，數(shù)量減少，接頭拉剪力為1020 N，是不添加中間層時(shí)的1.37倍。

3 結(jié)束語

鋼鋁焊接研究目前主要集中在焊接方法、焊接工藝參數(shù)和焊縫金屬合金化對(duì)焊接接頭組織和性能的影響。焊接方法和焊接工藝參數(shù)研究要主要考慮鋼鋁異種金屬的熱物理性能差異對(duì)焊接性的影響，焊縫金屬合金化更多的考慮鋼鋁晶體化學(xué)性能的差異，研究途徑涉及添加什么元素，怎么添加，添加多少等問題。

建議今后從斷裂學(xué)的角度開展一些鋼鋁異種金屬焊接性研究。在焊接選材時(shí)，等強(qiáng)度是考慮的原則之一，即被焊的兩母材之間盡量強(qiáng)度相等或相當(dāng)，特別是異種金屬焊接時(shí)。這樣在發(fā)生斷裂時(shí)才有可能產(chǎn)生均勻變形。否則，正如俗語說得好，麻繩繩總是從細(xì)處斷，比如鋼鋁焊接很多情況下裂紋起源發(fā)生在鋼鋁金屬間化合物處，最終斷裂發(fā)生在鋁母材一側(cè)[45-47]。而強(qiáng)度相當(dāng)?shù)谋举|(zhì)因素是成分，所以在考慮鋼鋁焊接合金化元素種類時(shí)，除了考慮添加元素與鋼鋁兩種元素的互溶性和化學(xué)親和力之外，還應(yīng)該考慮添加元素對(duì)焊接接頭強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大小。因?yàn)殇撲X兩種元素的強(qiáng)度相差較大，所以在選擇添加元素時(shí)應(yīng)該在相對(duì)合適的溶解度和化學(xué)親和力之下，考慮添加強(qiáng)度介于鋼和鋁強(qiáng)度之間的，能縮小鋼鋁強(qiáng)度差距的元素。