铝/钢异种金属电弧熔钎焊界面结构的研究现状*

李 杰，黄健康

（1.西安航空职业技术学院 航空材料工程学院，西安710089；2.兰州理工大学 有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州730050）

1 概 述

近年来，由于能源问题和汽车尾气排放引起的环境问题日益严重，汽车轻量化受到了世界各国越来越多的关注。铝及铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀等特点，在航空航天、汽车、国防等行业得到了广泛的应用。在机械制造业中，钢是一种应用最为广泛的金属材料，为了充分利用两种材料的优势，铝与钢异种金属连接的复合结构在汽车、航空航天、电力等行业具有越来越广泛的应用前景[1-2]。

国内外学者就铝/钢异种金属的连接进行了大量的相关研究，其焊接方法几乎涉及到焊接领域的各个方面，大体分为压焊、钎焊、搅拌摩擦焊、熔焊和熔钎焊。对于压焊[3]和钎焊[4]来说，虽然可以得到性能良好的铝/钢焊接接头，但受工件形状和尺寸的限制，其应用范围受到了很大的影响；而对于熔化焊[5-6]，在焊接接头内极易形成硬而脆的金属间化合物，不易获得力学性能良好的焊接接头。除此之外，一些传统的铝/钢机械连接方法如铆接、螺栓连接由于其在密封及表面成形等方面不能满足不断发展的铝/钢复合结构的要求，该类机械连接方法受到了限制。针对铝与钢物理化学性质的不同，通过分析铝及铝合金与钢异种金属熔化焊时存在的问题，认为铝/钢熔钎焊是适合铝/钢复合结构大批量、高效制造的焊接技术。采用激光熔钎焊和电子束熔钎焊方法可以实现铝/钢异种金属的高质量焊接，但复杂和昂贵的设备要求限制了其在很多工业领域的广泛应用。电弧焊是工业领域中应用最为广泛的焊接方法，因此，利用电弧焊进行铝/钢异种金属的焊接将极大地推动铝/钢异种金属焊接结构在工业领域的应用。电弧熔钎焊主要包括TIG熔钎焊、MIG熔钎焊[7-8]以及激光－电弧复合熔钎焊等[9]。本研究简要介绍了铝/钢异种金属电弧熔钎焊焊接方法，并对铝/钢异种金属熔钎焊过程中的界面结构进行了分析，同时重点阐述了合金元素对焊接接头的作用机理，以便为实际生产中焊接工艺的优化提供参考。

2 铝/钢焊接性分析及焊接方法

由于钢和铝的热物理性能相差很大，性能的差异导致了钢和铝的焊接较为困难。铝与钢的熔点相差很大，焊接时低熔点的铝发生了熔化，而高熔点的钢处于固体状态几乎不发生熔化。除此之外，铝和钢的密度相差很大，当钢完全熔化后，液态铝浮在钢水上面，冷却结晶后焊缝成分不均匀，使得焊接接头的性能降低。铝和钢的热导率及线膨胀系数相差很大，焊接过程中接头处会产生很大的热应力，增加了裂纹产生的倾向。另外，铝高温时容易形成高熔点的Al2O3，形成焊缝夹渣直接影响焊缝的熔合。Al-Fe二元相图如图1所示。在熔焊焊接时，铝与铁之间既可以形成固溶体、共晶体，也可以形成Al-Fe金属间化合物。铁在固态铝中的溶解度极小，在室温下铁几乎不溶于铝，所以含微量铁的铝合金在冷却过程中极易结晶产生金属间化合物FeAl3。冷却过程中随着含铁量的增加，相继出现Fe2Al5、FeAl2、FeAl等金属间化合物，其中Fe2Al5的脆性最大，会使焊接接头的塑性和韧性显著降低。因此，采用熔化焊方法进行铝/钢异种金属的连接难度很大，在焊接过程中接头界面反应层会产生大量脆性的Fe-Al金属间化合物，这是铝及铝合金与钢熔化焊接的主要障碍。

图1 Al-Fe二元相图

电弧熔钎焊是一种良好的异种金属连接方法，采用电弧熔钎焊方法进行铝/钢异种金属的焊接已成为当前的研究热点。铝/钢异种金属电弧熔钎焊过程实质是熔化的铝和固相的钢通过冶金反应结合在一起，这种焊接过程同时具有熔化焊和钎焊的特点，即利用两种母材熔点上的较大差异，在低熔点的铝发生熔化时，保证高熔点的钢母材不发生熔化。这样，一方面填充金属与熔化的铝母材形成熔化焊的焊接接头，另一方面熔化的焊丝和铝母材在钢基体的表面铺展，形成钎焊焊接接头。因此，在采用电弧熔钎焊方法实现铝/钢异种金属的焊接时，对焊接热输入的精确控制有非常高的要求。

TIG焊电弧稳定且可控性好，适合铝/钢异种金属熔钎焊连接，但TIG熔钎焊焊接效率低。当采用MIG焊方法进行铝/钢异种金属焊接时可明显提高焊接效率，因此，MIG熔钎焊铝/钢异种金属受到了国内外学者的广泛重视。近年来国外FRONIUS公司提出了热输入精确控制型MIG焊方法—CMT（冷金属过渡）方法，该焊接方法在熔滴发生短路时焊丝迅速回抽使熔滴发生过渡，熔滴发生过渡时的短路电流很小，过渡所需要的力不再完全依赖电弧电流，电弧电流主要用于加热焊丝和熔池。该焊接方法在焊接过程需要的热和力分别从两条渠道按各自的最佳要求提供，其焊接参数的调节更加灵活，更容易满足铝/钢异种金属焊接的要求。江苏科技大学的崔佃忠等[10]采用CMT技术对铝和镀锌钢板异种材料进行了熔钎焊连接，研究发现，接头界面区组织为Fe2Al5、FeAl2、FeAl和FeA13的混合层，接头主要断裂于铝母材的热影响区，接头强度达到115.7 MPa。

美国肯塔基大学的张裕明教授提出了旁路电弧的双电极 GMAW 方法（简称 DE－GMAW）[11]，其基本原理是在焊丝与工件的电弧中间并入TIG旁路电弧对流入母材的电流进行分流，从而减少焊接过程中母材的热输入，实现焊接过程中热输入的精确控制。兰州理工大学的石玗等[12]用旁路耦合电弧MIG熔钎焊的方法对铝/钢进行了焊接，通过调节旁路电弧电流的大小来控制焊接过程中的热输入。通过对脉冲旁路耦合电弧焊控制系统和工艺参数的进一步优化实现了铝镁合金ER5356在304不锈钢板上的堆焊，获得了成形良好的焊缝。结果表明，脉冲旁路耦合电弧焊方法能够实现铝/钢的良好连接，是一种新型低成本、低热输入电弧焊方法。

哈尔滨工业大学的雷振等[13]用激光电弧复合熔钎焊方法对铝合金与钢进行了焊接，其接头的拉剪强度高达90 MPa。界面反应层中形成的金属间化合物为Fe3Al、FeAl2、Fe2Al和 FeAl3，金属间化合物层太厚或太薄都会影响焊接接头的强度，其最佳厚度是1.5 μm。

3 铝/钢异种金属熔钎焊的界面结构研究

在铝/钢异种金属熔钎焊过程中，在焊接接头处生成了Al－Fe金属间化合物，随焊接过程中添加合金元素及焊接参数的不同，界面处金属间化合物的种类和形态有所不同。当前，关于Al－Fe金属间化合物层厚度对焊接接头强度的影响未形成统一的定论，大部分研究结果表明金属间化合物层厚度应当小于某一临界值，并且越薄越好[14]，也有相关研究认为化合物层厚度在4.5～9 μm的范围内性能最佳[15]。因此，研究焊接热输入对接头金属间化合物层厚度的影响及金属间化合物层厚度对接头强度的影响十分重要。除此之外，分析铝/钢焊接接头中金属间化合物的相结构，实现对界面金属间化合物生长的控制，不仅是对焊接工艺优化的需要，而且是控制产品质量的重要方法，同时也是研究铝/钢连接机理的内容之一。

当液态的铝与固态的钢相互作用时，作用过程可分为3个阶段[16]：①熔融铝使固态钢润湿；②铁在液铝中溶解；③铁在液铝中扩散。这3个阶段对铝/钢熔钎焊界面的组织结构和性能有很大影响。由于Al、Fe原子反应形成金属间化合物的速度远远大于液态铝沿铁界面的扩散速度和金属间化合物的溶解速度，因此，Al、Fe原子扩散过程中以反应扩散为主。当Al、Fe金属混合物满足界面上的金属间化合物成分时，其变化分为2个阶段：①Al、Fe原子扩散并穿过界面而形成Al、Fe的过饱和固溶体；②当过饱和固溶体的成分达到一定程度时就转变成Al－Fe的金属间化合物。在电弧熔钎焊时并不是所有的金属间化合物均能形成和长大，必须分析金属间化合物形成的热力学及动力学条件。

上海工程技术大学的于治水等[17]在TIG电弧加热条件下，对Al－Si钎料与Q235钢的界面冶金行为进行了研究。通过对界面处金属间化合物吉布斯自由能的计算，在电弧钎焊温度范围内随着扩散反应区内含铝量的增加，将形成FeAl、Fe2Al5及FeAl3化合物。电弧熔钎焊过程中，随着电弧温度的升高扩散反应区内的铝浓度增加，由于铝沿晶界的扩散系数比晶内的扩散系数大，因此晶界处铝的浓度比平均浓度高，当晶界上的铝浓度达到铝在界面上的饱和浓度时，便形成了Fe2Al5相的晶核，晶核长大以致于相互连接形成连续的相层，随后FeAl3相的晶核也开始形成和生长并相互连接形成第2个相层，最后各个金属间化合物相层相互竞争生长。

澳大利亚的SHAHVERDI H R和伊朗的SHABESTARI S等[18]研究了熔融态铝与固态铁反应的界面结构。结果表明，在界面处生成了FeAl3和Fe2Al5两种金属间化合物，界面反应的动力学导致了Fe2Al5的生长速度比FeAl3快，为反应界面的重要组成相，FeAl3相在反应后期才被检测到。

兰州理工大学的石玗等[19]研究了铝/钢异种金属脉冲旁路耦合电弧MIG熔钎焊界面反应的热力学机理。通过Thermo－Calc软件计算了金属间化合物Fe2Al5和金属间化合物FeAl3的吉布斯自由能。结果表明，在高温Fe2Al5的吉布斯自由能比FeAl3的吉布斯自由能小，在低温FeAl3的吉布斯自由能比Fe2Al5的吉布斯自由能小，这说明焊接过程中金属间化合物Fe2Al5先生成，冷却过程中随着温度的降低会有金属间化合物FeAl3生成。

日本TANAKA Y等[20]研究了液态铝与固态钢等温反应扩散的动力学。结果表明，在温度为780～820℃时，其金属间化合物层主要为FeAl3和 Fe2Al5，且金属间化合物Fe2Al5的厚度远远大于FeAl3的厚度，因此，金属间化合物层的生长主要由Fe2Al5控制。

4 合金元素对铝/钢异种金属电弧熔钎焊界面结构的影响

铝及铝合金与钢熔钎焊界面处金属间化合物层实质是铝与铁扩散反应形成的，其接头处金属间化合物的厚度、分布及形态对接头的力学性能有很大的影响。而合金元素对铝/钢熔钎焊接头中金属间化合物的形态、结构及分布有很大的影响，因此，研究合金元素对焊接接头力学性能的影响十分必要。在铝/钢异种金属焊接过程中合金元素对焊接接头的作用主要体现在[21]：①能够降低焊接材料的熔点，保证液态铝基材在钢表面的湿润与铺展；②能够抑制金属间化合物的生成，改变金属间化合物的形态及分布或者参与生成塑性较高的金属间化合物；③能够起到变质处理和形核剂的作用，从而能够细化晶粒。

近年来，一些学者研究了镀锌钢板/铝异种金属熔钎焊过程中合金元素锌对焊接接头的影响。总的来说，在铝/钢熔钎焊过程中，锌对焊接接头的影响主要表现在：①能够改善液态铝基材在钢表面的湿润与铺展；②能够改变电弧形态，减少母材热输入；③参与了界面处化合层的反应，能提高焊接接头的塑性。

哈尔滨工业大学的林三宝等[22]采用TIG熔钎焊方法进行了铝基钎料在镀锌钢板上的润湿铺展试验及铝合金与镀锌钢板的搭接试验，在TIG电弧热源作用下铝基钎料在Q235镀锌钢板表面铺展良好，钢板没有发生熔化，其润湿角小于20°；同时获得了较好的铝合金与镀锌钢搭接接头，钎焊侧界面金属间化合物层厚度＜10.0 μm。哈尔滨工业大学的张洪涛、冯吉才等[23]研究了铝/镀锌钢板CMT熔钎焊过程中，镀锌层对电弧加热行为的影响。结果表明，在小电流下焊接时，镀锌层起到稳定电弧的作用，而在无镀锌层条件下，电弧的阴极斑点不停地跳跃，电弧极其不稳；随着焊接电流的增大，在镀锌钢板上焊接时，镀锌层的蒸发会变得十分显著，这种蒸发行为降低了焊接热输入及界面层中脆性化合物的生长速度，进而减小了其厚度。大连理工大学的胡文金[24]研究发现，合金元素锌参与了化合物层的反应，生成了塑性较好的Fe2Al5Zn0.4金属间化合物，优化了焊缝性能。

大连理工大学的董红刚等[25]用GTAW（gas tungsten arc welding）方法，分别采用 Al－5%Si、Al－12%Si、 Al－6%Cu、 Al－10%Si－4%Cu 和 Zn－15%Al焊丝对镀锌钢板和铝合金进行了焊接。结果表明，随着Si含量的增加，焊接接头处金属间化合物层厚度减小，接头拉伸强度增大；使用Al－12%Si时其拉伸强度可达到136 MPa。这说明合金元素Si能够阻碍铝铁元素的扩散，从而减小金属间化合物层厚度，提高焊接接头的拉伸强度。德国的SPRINGER H等[26]研究了低碳钢与铝硅合金、低碳钢与铝合金在固/液状态下铝铁原子的扩散及金属间化合物反应层的形成。研究结果进一步表明，在铝中加入合金元素Si降低了界面反应的速率，反应层中的金属间化合物为Fe2Al5相和少量的Fe4Al13相。

兰州理工大学的石玗等[27]用脉冲旁路耦合电弧熔钎焊（pulsed double electrode-gas metal arc welding-brazing）方法，分别采用 Al－Si和 Al－Mg 焊丝对铝钢异种金属进行了焊接。当使用Al－Mg焊丝时，在焊接接头镀锌钢侧生成了舌状的金属间化合物Fe2Al5，靠近铝侧生成了锯齿状的金属间化合物FeAl3；使用Al-Si焊丝时，在焊接接头镀锌钢侧生成了平齐的金属间化合物Fe2Al5，靠近铝侧生成了针状的金属间化合物FeAl3。此外，还发现使用Al-Si焊丝焊接的焊接接头强度大于使用Al-Mg焊丝焊接的焊接接头。大阪大学的MURAKAMI T等[28]用Al-12%Si焊丝采用MIG电弧熔钎焊方法对SPCC和工业纯铝进行了焊接。结果表明，在焊接接头的界面处生成了Fe2Al7.4Si三元金属间化合物，接头的横向拉伸强度达到了79 MPa，为铝基体的70%。

综上所述，合金元素Si的作用主要体现在：①阻碍了铝铁原子的扩散速率，减小了金属间化合物层厚度；②改变了界面反应层金属间化合物的形态及分布；③参与了界面层金属间化合物的反应，生成了铝、铁、硅的三元金属间化合物。

德国的LEONARDO A J等[29]研究了不同焊丝对铝钢焊接接头结构和力学性能的影响，分别选用 99.5%Al、 Al-1%Mn、 Al-5%Si、 Al-3%Si-1%Mn焊丝进行了铝钢异种金属的焊接。试验发现，Si能抑制界面处金属间化合物的生长，而合金元素Mn的加入不会改变反应层中金属间化合物的种类和形态，对金属间化合物层的厚度也无明显影响，但合金元素Mn的存在能够改善接头的整体行为。通过对焊接接头力学性能的测试发现，当选用Al-3%Si-1%Mn焊丝时，其接头的力学性能最佳。

哈尔滨工业大学林三宝等[8]用TIG电弧熔钎焊的方法对不锈钢和铝进行了焊接，通过在钎剂中添加Ni粉，分析了合金元素Ni对焊接接头性能的影响。结果表明，合金元素Ni的加入改善了焊接接头的力学性能，减小了金属间化合物层的厚度和沉淀相的数量。

大连理工大学的董红刚等[30]研究了Si、Cu对铝－镀锌钢GTAW接头性能的影响。结果表明，当Cu含量高于一定值时，界面层中金属间化合物层厚度大于10 μm；当Cu含量较低时，随Si加入量的增加，金属间化合物层的厚度将减小到10 μm，由此可见，Cu含量过高会降低焊接接头的力学性能。

哈尔滨工业大学的宋建岭等[31]采用铝硅钎料进行了铝/钢异种合金TIG熔钎焊试验，开发出了适用于TIG电弧热源下的特种钎剂，钎剂成分为：改性的 Noclock 钎剂w（KAlF4） ∶w（K3AlF6）=65∶35，试验中选用Zn、Sn纯金属粉及界面活性剂K2SiF6作为主要添加元素，钎剂中添加Sn后，由于Sn的熔点低而沸点高，涂层呈液态而不易挥发，焊接过程稳定。同时Sn与铝基钎料之间有良好的亲和性，钎剂促进钎料润湿，铺展效果更为显著，但过量Sn加入会降低接头的耐腐蚀性，需要控制其含量。通过对焊接接头的力学性能测试，表明接头抗拉强度可达115.5 MPa，断裂于焊缝/不锈钢界面层。

5 结 语

目前，通过铝/钢异种金属电弧熔钎焊方法获得了力学性能相对良好的焊接接头，铝/钢异种金属焊接接头金属间化合物的形态、分布等与焊接接头的力学性能密切相关。不同合金元素的添加能改善铝/钢异种金属的焊接性，减小金属间化合物层的厚度，改变金属间化合物的形态及分布，从而获得力学性能良好的焊接接头。但是，一些合金元素的作用机理还不明确，进一步深入研究合金元素对焊接接头的作用机理十分必要，这将对今后铝/钢异种金属复合结构的工业应用有重要的意义。

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