钢/铝异种金属焊接分析

闫玉东，韩明臻，延佳铭

（佳木斯大学材料科学与工程学院 黑龙江 佳木斯 154000）

1 引言

铝合金因其质量轻、抗弯强度高、耐腐蚀性能好等优点，当前很多行业都采用“以铝代钢”的铝/钢焊接复合结构，使其在很多行业发挥着重要作用。经过长时间的发展，国际和国内很多科研工作人员研究了多种铝/钢异种金属焊接的方法，如等离子弧焊、钎焊、冷压焊、埋弧焊、熔钎焊、电阻焊等，但存在连接方法使用范围受限或者材料连接强度较低等缺点。随着科学技术的发展和科研工作者的不懈钻研，通过激光摆动焊和冷金属过渡焊等焊接方法，为解决钢/铝异种焊接过程中出现的问题做出巨大贡献。

激光摆动焊接作为一种新技术，具有热输入量高、残余应力小等优点，在异种材料的焊接领域具有广阔的应用前景，无论摆动的轨迹如何，所得到的焊接接头质量都好于直线焊接接头[1]。Cui等[2]采用双激光光束焊接技术制备了铝/钢异种金属，裂纹、焊接气孔的抑制可以通过熔深的尺寸进行控制，进而改善接头的性能。Yan[3]认为Fe-Al金属间化合物的富集主要与铝合金在钢中的溶解量有关，大量的脆性金属间化合物增加了接头凝固裂纹的敏感性，并得到了界面反应温度对化合物的生长和残余应力分布具有显著影响的结论。管倩倩等[4]使用光纤激光器，实现了6061铝合金与DC04低碳钢的焊接，实验结果显示，激光焊接钢/铝异种金属时，主要影响因素是焊接速率，通过调节激光的输出功率和焊接速率，对于焊接接头的力学性能和焊接质量都有所改善。巴一[5]等实验结果表明，焊接激光热输入的不同，也会对焊接接头的性能产生影响。

冷金属过渡焊（CMT）是现阶段一种新型的焊接技术，具有焊接中焊丝熔滴过渡与送丝速度相协调的特性，可以达到焊接过程无飞溅、焊接热输入低、电弧稳定和效率高等优点[6]，具有良好的应用前景，控制CMT焊接工艺性能的主要参数有：焊接电流、电弧电压、焊接时间、送丝速度和焊接速度等，这些参数与焊接变形存在高度非线性的关系[7]；另一方面，参数对于铝/钢焊接所形成的界面的金属间化合物及类别产生重要影响，将严重影响铝/钢焊接接头性能[8]。

本文主要对激光摆动焊接、冷金属过渡焊的焊接接头性能进行综述，以期为钢/铝焊接研究提供研究依据和判断。

2 两种焊接接头性能综述

2.1 激光摆动焊接

在巴一[5]等的实验中，采用DP780双相钢和5083铝合金以搭接的方式进行激光摆动焊，焊接接头主要由焊缝、熔合线和热影响区3部分组成，焊缝的主要成分为低碳马氏体，小尺寸金属间化合物的微观组织具备良好的性能，焊接接头的显微硬度和最大拉伸力都有提升。焊接接头的双相钢侧的显微硬度可达240 HV，铝合金侧的显微硬度可达70 HV。而随着激光摆动焊接功率从1 400～1 600 W，钢侧焊接接头的热影响区和焊缝中心的硬度从略高于母材到最后明显高于母材，在1 500 W和1 600 W时，钢侧接头的平均显微硬度分别达到289 HV和274 HV；在焊接功率为1 400 W时，铝侧焊接接头的显微硬度无明显变化，在1 500 W和1 600 W时，铝侧接头的平均显微硬度分别达到305 HV和260 HV。在1 500 W时，铝侧的平均显微硬度高于钢侧，但是随着激光功率的不断增大，焊接时焊缝的熔深加大，熔融的钢和铝会结合生成脆性金属间化合物Fe-Al二元脆生相，降低焊接接头的强度。因此，铝/钢异种金属适宜的激光焊接功率为1 600～1 800 W。

在焊接接头拉伸力方面，随着激光功率的增加，铁素体含量的增多，会导致焊缝的显微硬度与抗拉强度降低。在有效功率区间内，1 400 W焊接的接头具备高硬度与最大拉伸力，最大拉伸力达2 681 N。功率为2 300 W，焊接速率为30 mm/s时，当在中间层加入Ni箔片的基础上，采取厚度为0.02 mm的Cu箔片做复合中间层，在对其进行拉伸试验时，其最大剪切力为1 754.72 N，此时的最大剪切力达到最大，大约为只添加Ni箔片时剪切力的2.25倍。

但是，在钢／铝异种金属激光摆动焊接过程中，钢/铝界面处极易产生脆性较大的金属间化合物。焊接接头中最薄弱的区域存在于脆性层内部及脆性层与钢基体的结合界面，在应力作用下容易产生裂纹并迅速扩展，导致焊接接头开裂。焊接热输入越大，界面处生成的化合物层厚度也就越大，接头的脆性也就越大。因此，在保证接头成形良好的前提下，适当减小金属间化合物处的热输入量有利于控制脆性层的厚度，获得力学性能较好的接头[9]。

同时，在激光摆动焊接过程中，其他条件相同的情况下，激光束摆动轨迹不同，激光对熔池的搅拌作用也有所不同，因此熔池的流动方式以及稳定性都有差别。激光摆动焊接的焊接轨迹包括“∞”轨迹、“8”轨迹、顺时针圆形轨迹、逆时针圆形轨迹、垂直轨迹、平行轨迹等[10]。传统激光焊接焊缝熔深高于激光摆动焊接的焊缝熔深，“∞”轨迹、“8”轨迹和垂直摆动方式的激光焊缝熔宽远大于传统激光焊缝熔宽，其他摆动方式，熔宽变化较小。传统激光焊接的气孔较多，上述几种摆动轨迹焊接的气孔率均低于传统焊接焊缝的气孔率。摆动焊接过程中，激光对熔池产生了搅拌，同时使得激光小孔的形状和直径有所增加，匙孔和熔池变得稳定，有利于匙孔内气体的排出，使得对气孔的产生有不同程度的抑制作用。

2.2 冷金属过渡焊

在卢书媛等[11]的研究中，对于1050铝合金板和Q235镀锌板采用搭接的方式进行CMT熔钎焊，对焊接电流、焊接时间、电弧电压、焊接速度和送丝速度进行调整，研究参数对焊接接头的影响，发现焊接接头包括熔合区、界面区和富锌区3部分，接头断裂方式为韧性断裂，而接头强度只有铝合金母材的70%，Fe和Al形成的金属间化合物对于焊接接头的力学性能影响较大，在实验时应尽量减少其存在。但是当在钎剂中加入一定比例的Zn粉[12]之后，可以使焊接接头的力学性能提高500%左右。同时，Zn元素还可以阻止Fe和Al的相互扩散，为获得外观成形、力学性能较好的焊接接头，可通过控制界面处金属化合物的厚度实现。铝／钢焊接接头在过渡区显微硬度最高为180 HBS；熔焊焊缝区显微硬度较低于过渡区，约为80 HBS；钢侧热影响区硬度平均值为152 HBS；试样在拉伸过程中发生明显的塑性变形，在应力达到6.0 KN时发生屈服；焊接接头的抗拉强度为134 MPa，为铝合金母材的72%。

在冷金属过渡焊过程中，采用CO2作为焊接过程的保护气时，会在一定程度上提高焊接接头的抗拉强度和硬度[13]，但是相对于使用Ar气，采用CO2保护气会使焊缝高度降低、润湿角减小，同时焊缝表面出现较多的凹坑、未熔合缺陷以及咬边等缺陷，需要在以后的实验中进行改进。

现阶段钢/铝异种金属焊接存在的问题主要有以下几方面。

（1）在室温下，异种金属焊接接头区不能长时间在高温或低温环境中工作，导致母材的性能优于焊接接头的性能（如弯曲、拉伸等）。

（2）焊缝熔合区是导致构件失效破坏的薄弱区，它会对焊接结构的使用可靠性产生危害[14]。

（3）焊后热处理不能消除接头区的残余应力分布。如果构件内部存在焊接残余应力，受时间和环境等因素的影响，会直接影响到结构件的静载、动载、疲劳和压曲强度，以及断裂柔韧性、尺寸稳定性及抗腐蚀能力等性能，所以对于消除异种金属焊接之后存在的残余应力，亟需一种合理的解决办法[15]。

（4）焊接接头的不均匀性。焊接不均匀性包含显微组织不均匀性及力学性能不均匀性等，其对焊接结构强度和抗断裂性能的影响是焊接结构断裂安全评定和可靠性研究的热点[16]。

3 结语

无论是激光摆动焊接技术还是冷金属过渡焊接技术对于钢/铝异种焊接接头性能都有一定的增强作用，只是焊接过程中不同参数对于焊接结果的具体影响方式以及作用机理，还需要学者进一步实验研究获得。

在进行异种金属焊接过程中，由于异种金属的母材成分、物理化学性质的不同等，导致异种金属焊接产生缺陷，使得异种金属焊接的工艺设计更为复杂。不同工程结构对于金属有不同的要求。了解其性能需求，寻找性价比较高的金属来替代昂贵的金属，减少生产过程中原料和技术缺陷产生的成本，以期达到更好的经济效益。