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(dǎo)熱導(dǎo)電性能、相互溶解度等物理化學(xué)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(shù)難題。本文

關(guān)鍵詞：汽車；鋼、鋁異種金屬；焊接技術(shù)

鋁合金具有密度小，比剛度和比強度高，導(dǎo)熱、導(dǎo)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(lǐng)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(xué)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(dǎo)致接頭力學(xué)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(shù)難點，加強鋼與鋁異種金屬焊接技術(shù)的研究，對于推動鋼與鋁異種金屬的連接及應(yīng)用具有重要的意義。

一、鋁和鋼異種金屬的焊接性分析

當(dāng)要焊接的兩種金屬的物理、化學(xué)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(yán)重降低異種金屬焊接接頭的力學(xué)性能。脆性金屬間化合物對異種金屬焊接接頭力學(xué)性能的影響程度與其成分、形貌特征及分布狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)金屬間化合物屬于高脆硬相，且以針狀或?qū)悠瑺畛霈F(xiàn)在界面處時，會割裂基體，嚴(yán)重增大焊接接頭的脆性斷裂傾向，導(dǎo)致接頭的力學(xué)性能惡化；當(dāng)金屬間化合物脆硬性較低，同時呈現(xiàn)細(xì)小顆粒狀彌散分布在焊接接頭時，此時它對接頭力學(xué)性能的惡化作用有所減弱。當(dāng)兩種金屬材料之間的物理化學(xué)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(xué)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(dǎo)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(dāng)?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(jié)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(dāng)鋼完全熔化時，鋁液漂浮在鋼表面上，使冷卻結(jié)晶后焊縫成分非常不均勻，嚴(yán)重地降低了焊接接頭的質(zhì)量。

2.鋼、鋁的熱導(dǎo)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(cè)面產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，使接頭嚴(yán)重變形，而且這種變形不能通過熱處理來消除，甚至導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，會嚴(yán)重降低焊接接頭的質(zhì)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(jié)合，又容易形成焊縫中的夾渣，直接導(dǎo)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(zhì)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(kuò)散焊、攪拌摩擦焊等。激光滾焊是由滾壓焊和激光焊復(fù)合而成的，激光滾焊利用高能密度激光對金屬材料進(jìn)行加熱，通過緊隨其后的滾輪對材料施加壓力完成接合。應(yīng)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(cè)，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(dǎo)的作用下熔化，然后在界面處發(fā)生液-固反應(yīng)，其有助于抑制界面處金屬間化合物層的生成。

擴(kuò)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(hù)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(kuò)散形成有效聯(lián)接的焊接方法。溫度、壓力、擴(kuò)散時間和表面粗糙度是影響接頭質(zhì)量的主要因素。

摩擦焊是一種焊接效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)能、精密、一致性好的固相連接技術(shù)，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(jìn)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(kuò)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(yīng)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(shù)作為一種優(yōu)質(zhì)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(fù)合熔-釬焊等，目前，熔-釬焊焊接技術(shù)已在鋼、鋁異種金屬連接得到了廣泛地應(yīng)用。熔-釬焊是用焊接熱源對兩種不同材質(zhì)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(shù)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(zhì)高效連接，強度可以達(dá)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(jié)語

鋼、鋁異種金屬的焊接結(jié)構(gòu)正是實現(xiàn)汽車輕量化的有效手段之一。鋼、鋁異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮兩種材料的固有優(yōu)勢，具有質(zhì)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(lǐng)域具有越來越廣泛的應(yīng)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(xué)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(yīng)用時，應(yīng)結(jié)合具體情況綜合應(yīng)用。

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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。