铝合金/钢异种材料熔钎焊接工艺及其研究现状

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-04-24 09:39 热度：

　　摘要：铝合金/钢复合结构以具有重量轻、综合性能高等优势在汽车、航空航天、石油石化、电力、船舶等行业具有广泛的应用前景。但二者之间巨大的理化性能差异，使铝合金/钢板异种金属的焊接仍然存在诸多问题。熔钎焊接工艺是基于母材之间存在的熔点差异，通过精确控制焊接热输入，在确保高熔点母材不熔化的前提下，让低熔点母材和填充金属熔化形成熔焊接头，并与未熔化的高熔点母材形成钎焊连接接头，是适合铝合金/钢复合结构优质高效制备的合适焊接工艺。通过对国内外对铝合金/钢熔钎焊接工艺、接头组织性能调控等方面研究现状的综合评述，讨论了铝合金/钢熔钎焊接技术存在的问题，并对铝合金/钢熔钎焊接技术工程化应用所采取的措施进行阐述。

　　关键词：异种材料连接;铝合金/钢;熔钎焊接;接头性能;研究现状

　　0 前言

　　节能和环保是关系到人类可持续发展的重大问题，也是当前汽车工业发展的重要方向。轻量化是实现交通工具节能减排有效措施之一，也是汽车行业现代车身设计的一大主流。对于汽车车身的轻量化，为了解决全轻金属材质车辆安全性能问题、充分发挥材料的性能优势，采用铝合金外壳与钢质框架的复合结构来实现车身轻量化的同时保证汽车的安全性能。另外，铝合金/钢复合结构在航空航天、石油石化、电力、机械装备、船舶等行业具有广泛的应用前景。而铝合金/钢的焊接是其复合结构制造的关键、结构性能的保证，但在实际工程应用中，仍面临着铝合金与钢高效高强连接的技术瓶颈。

　　常规的机械连接如铆接、螺栓连接等方法可以有效实现铝/钢的连接，但连接工件的气密性较差或者表面质量受影响。因此，传统的机械连接方法很难满足汽车、航空航天、石油石化等行业中铝合金/ 钢复合结构制造的需要，需要开发优质高效的铝合金/钢焊接技术。

　　由于铝与钢两种金属之间的固溶度较低，晶体结构、热物理及力学性能差异大[1]，熔化焊接过程中极易在接头内生成大量脆硬的 Fe-Al 金属间化合物[2]，严重恶化接头的力学性能，从而使铝/钢熔化焊接头失去了应用价值。为了抑制焊接过程中 Fe-Al 金属间化合物的生成以期能够获得高强度的铝合金/钢接头，人们更多地关注焊接温度较低的摩擦焊[3-5]、爆炸焊[6]、磁脉冲焊[7-9]、超声波焊[10]等固相焊接方法以及钎焊[11]、扩散焊[12]等液固相焊接工艺，但大量应用研究表明，尽管这些固相焊接以及液固相焊接工艺方法能够得到优质的铝/钢焊接接头，但容易受焊件结构形状尺寸的限制，并且有些工艺如钎焊、扩散焊的生产效率相对较低，因而在大批量实际生产应用上受到一定限制。

　　为了充分发挥熔化焊和钎焊工艺各自优势，针对铝合金/钢的冶金特点，开发出了铝合金/钢异种材料熔钎焊接技术，并进行了工艺、材料及接头组织性能方面的深入研究。通过对国内外在铝合金/ 钢(包括镀层钢和非镀层钢(普通碳钢)、不锈钢等) 异种材料熔钎焊接技术研究的总结，探讨铝合金/ 钢异种材料熔钎焊接存在的问题，并对其解决措施进行讨论，对拓展铝合金/钢板异种金属材料高效高强连接技术基础研究思路，为铝合金/钢复合结构的开发与应用奠定术基础和参考，具有重要意义。

　　1 铝合金/钢熔钎焊接工艺

　　铝合金/钢熔钎焊接工艺是基于二者熔点的差异，通过对焊接热输入的精确控制，在确保高熔点钢母材不熔化的前提下，使低熔点铝合金母材熔化并与熔化的填充金属形成熔焊接头，液态铝合金母材与填充金属在未熔化的钢表面铺展并与之形成钎焊接头，实现铝与钢的优质高强冶金连接[13]，原理如图 1 所示。熔钎焊接工艺可以充分发挥铝合金和钢的性能优势，适用于搭接、对接、角接等不同接头形式，且具有效率高、工件尺寸不受限制等优势。图 1 铝合金/钢熔钎焊接示意图近些年来，国内外研究人员分别基于电弧以及激光、电子束等高能束焊接热源进行铝合金/钢熔钎焊接工艺的开发，取得了很好的研究成果。

　　1.1 基于电弧热源的熔钎焊接工艺

　　非熔化极惰性气体钨极保护(Tungsten inert gas，TIG)焊、熔化极惰性气体保护(Metal inert-gas， MIG)焊等电弧焊成本低、操作简单易行，其用于铝合金/钢熔钎焊接具有成本低的优势。

　　1.1.1 TIG 电弧熔钎焊

　　TIG 焊具有电弧燃烧稳定、热输入波动小等特点，国内外对铝合金/钢搭接和对接 TIG 电弧熔钎焊分别进行了研究。

　　以 ER4047 AlSi 焊丝为填充材料，实现了 5A06 铝合金和 1Cr18Ni9Ti 不锈钢的 V 形坡口对接 TIG 熔钎焊接头[14]。试验发现，铝合金焊缝金属/钢界面形成了厚度不均匀的锯齿状金属间化合物层，化合物层在钢坡口处由上到下逐渐变薄，其厚度平均在 4～9 μm[14]。这种锯齿状化合物对裂纹的扩展有“钉扎”作用，从而提高了接头强度。若在对接坡口上采用 TIG 填丝堆焊一层 Cu，然后通过填充 AlSi 焊丝使其焊接在一起，接头强度可达 127.5 MPa[15-16]。

　　搭接接头是目前铝合金/钢熔钎焊接工艺研究的主要接头形式。以 Zn-15Al 药芯焊丝为填充材料、采用 TIG 电弧加热铝合金边缘实现 5A02 铝合金/304 不锈钢搭接熔钎焊，接头强度可达 121 MPa，经焊后退火处理接头强度最高可提高到 203 MPa，拉伸试样均断裂在铝合金母材，如图 2 所示[17]。

　　传统的铝合金/钢搭接接头是铝上钢下的组合方式、熔化铝合金母材形成熔钎焊接头，而国内外有些学者则根据结构的需要采用 TIG 电弧直接加热镀锌钢板的特殊方式，通过控制焊接热输入，利用热传导方式使铝合金熔化而钢板未熔透，形成了钢板和铝合金两个隔离的熔池，以界面反应的方式实现了铝合金/镀锌钢板的 TIG 熔钎焊，焊接过程及接头宏观形貌如图 3 所示[18-19]。采用该工艺实现了 5052 铝合金与镀锌钢板的 TIG 熔钎焊接，接头强度可达铝合金母材的 84%[19]。但方法需要严格控制焊接热输入，避免钢熔池和铝合金熔池直接接触。

　　尽管 TIG 电弧以其能量输出稳定、成本低等优势而成为铝合金/钢熔钎焊接有效工艺方法，但由于 TIG 电弧能量输出受限，焊接效率较低。

　　1.1.2 MIG 电弧熔钎焊

　　MIG 电弧可以在提供能量的同时还可以提供填充材料，接头装配要求低，也是一种低成本、较高效率的铝合金/钢熔钎焊工艺。

　　数字化 MIG 焊接系统提高了焊接过程的稳定性，有利于高质量铝合金/钢熔钎焊接头的形成。在 MIG 电弧熔钎焊接过程中，一般采用 AlSi 焊丝为填充材料、薄板搭接接头形式，如图 4 所示[21]。在合适热输入下可以获得较高强度接头，拉伸断裂在铝合金热影响区而非焊缝熔合区或钎焊接界面[20-21]。

　　由于 MIG 焊存在易产生飞溅及焊接过程稳定性差等不足，因而 MIG 焊接过程中能量输出极易波动，从而造成铝合金/钢板 MIG 电弧熔钎焊接头质量稳定性较差。因此如何稳定 MIG 电弧的能量输出也成为 MIG 电弧熔钎焊接工艺亟待解决的问题。

　　1.1.3 CMT 电弧熔钎焊

　　冷金属过渡焊接技术(Cold metal transfer，CMT) 作为一种低热输入 MIG 焊接工艺，具有焊接过程稳定、无飞溅、工件变形小等优点，被认为是最适合铝合金/钢熔钎焊接的工艺[22-23]。

　　采用 AlSi 焊丝，纯铝 1061/镀锌钢板搭接 CMT 熔钎焊接头最薄弱位置为铝的热影响区，而非生成了金属间化合物的钎焊界面[24]。

　　铝合金/镀锌钢板 CMT 对接熔钎焊接过程中，不同的填充材料接头断裂模式也是不同的，如图 5 所示[25]。结果表明，采用含 Mn 元素的填充材料，由于铝合金母材厚度较大，拉伸试样断裂在钢板母材上，而采用不含 Mn 元素的填充材料时，拉伸断裂发生在焊缝或钢侧的钎焊界面上。

　　尽管CMT及常规MIG焊均可以实现铝/钢的熔钎焊接，但无论 CMT 还是常规 MIG 焊均难以实现对电弧能量的精确控制，得到的铝/钢熔钎焊接头钎焊界面 Fe-Al 金属间化合物层厚度相对较厚，且因其电弧焊特性，仍然存在焊接效率低的不足。

　　1.2 基于高能束热源的熔钎焊接工艺

　　无论是激光还是电子束，都可以精确地控制焊接热输入和加热区域，从而可以有效控制铝合金/ 钢熔钎焊接头钎焊界面反应，实现铝合金/钢异种金属的优质高强熔钎焊接。

　　1.2.1 激光熔钎焊

　　采用激光填丝焊接工艺实现了铝镁合金/钢板的连接，且焊接过程不需要添加任何钎剂[26-27]。接头有搭接和带有法兰对接两种形式，如图 6 所示[26]。疲劳试验结果表明，对接接头的疲劳破坏从铝合金焊趾起裂、向铝合金内部扩展;搭接接头疲劳破坏位置主要发生在靠近铝合金母材的焊缝区。

　　对比单光束和双光束铝合金/钢板搭接激光熔钎焊缝成形发现，第二束激光提高了填充材料在钢板上的铺展性，钎焊缝宽度增大，如图 7 所示[27]。

　　尽管激光熔钎焊接能有效控制界面的反应、实现无钎剂的铝合金/镀锌钢板熔钎焊[28-31]，并得到满意的接头质量，但减小光斑以达到需要的激光功率密度时需要提高工件的装配精度;若在大光斑条件下达到所需要的功率密度，则需要提高激光器输出功率，而这两种途径都会增加生产成本。另外，激光焊接系统一次性投入成本太大，且铝合金对激光具有较高的反射率，使其作用在铝合金母材和焊丝上的能量利用率较低。这些不足使铝合金/钢激光熔钎焊接工艺在实际生产应用中推广和普及受到了限制。

　　1.2.2 电子束熔钎焊

　　对于 6016 铝合金/镀锌钢电子束熔钎焊，即使不添加填充材料、仅采用 FL20 钎剂也能获得润湿良好的接头，而对 5182 铝合金/镀锌钢板则须添加 AlSi12 焊丝才能得到润湿良好的接头[32]。前者接头钎焊界面金属间化合物层厚度在 5～8 μm，拉伸断裂在铝合金母材;而后者钎焊界面金属间化合物层厚度在 10 μm 以上，拉伸断裂在界面。

　　对于 5A02 铝合金与 0Cr18Ni9 不锈钢的电子束熔钎焊，接头强度可达母材的 62%[33]。

　　1.2.3 激光复合热源熔钎焊

　　激光+MIG 电弧复合焊集合了 MIG 焊和激光焊的优点，有效避免二者的不足，具有效率高、焊缝成形美观、焊接过程稳定、热输入控制准确等特点。

　　以 AlSi12 焊丝为填充材料，利用激光+MIG 电弧复合热源实现了铝合金和镀锌钢板的对接熔钎焊，接头过渡比较平滑，无咬边，如图 8 所示[34]。在优化的工艺参数范围内，焊接速度可达 6 m/min，接头形状合适，接头内金属间化合物层厚度小于 4 μm。试样平均抗拉强度超过 180 MPa，弯曲试验中弯曲角达 180°，但弯曲处有轻微的裂纹产生。

　　常规激光+MIG 电弧复合热源焊接主要是基于小光斑高功率密度激光增加熔深的原则进行的，林尚扬等[13, 35-36]利用激光对电弧和熔滴过渡过程的稳定作用，开发出了反常规的大光斑激光+MIG 电弧复合热源熔钎焊接技术，如图 9a 所示，实现了 5A02 铝合金与镀锌钢、镀铝钢及非镀层钢的优质、高效搭接连接，并且开发了一种用于铝合金/钢熔钎焊接专用焊剂。研究表明，在焊接过程中大光斑激光预热母材、改善熔化的母材和填充材料在钢板表面的润湿性，同时还可以提高 MIG 电弧能量输出的稳定性，焊缝成形连续、美观，接头抗拉强度与该铝合金熔焊接头强度相当，拉伸破坏位置发生在铝合金热影响区，如图 9b 所示[36]。

　　CMT 与激光复合也可以实现铝合金/钢的对接熔钎焊接。采用激光在前、CMT 电弧在后的复合方式焊接速度可以达到 2.5 m/min，焊接过程示意图如图 10 所示[37]。

　　除此之外，还有采用 TIG 电弧辅助激光熔钎焊接工艺，以期达到提高液态金属在钢背面的铺展性能、增加浸润面积，促进铝/钢接头焊根部位的界面反应的目的[38]，也取得了不错的效果。

　　从各种焊接方法来看，激光+MIG 电弧复合热源熔钎焊接工艺结合了电弧焊和激光焊的双重优势，焊接能量输出及过程更加稳定、焊接速度快，同时增大了接头装配冗余度，是一种可以实现铝合金/钢优质、高效、高强连接的熔钎焊接工艺。

　　1.3 铝合金/钢熔钎焊接头缺陷及其抑制

　　在铝合金熔化焊接过程中出现的缺陷如气孔、夹渣等仍然在铝合金/镀锌钢异种材料熔钎焊接过程中出现，这些缺陷主要出现在熔焊接头上部，如图 11a 和 11b 所示[39]。在焊接工艺参数不合适的条件下，还会在铝合金熔焊接头根部出现未钎合和热裂纹缺陷，如图 11c 和 11d 所示[39]。

　　气孔形成原因主要有两个方面：一是铝合金焊接中常见的氢气孔;另一是由气化镀锌层的形成锌气孔。若气孔分布在熔焊接头上部，则对接头强度影响不大;但也有少量分布在熔合区附近，则气孔的存在会降低接头性能。在熔焊接头中夹杂物主要是由高熔点氧化物造成的，一般呈圆形分布。“未钎合”缺陷主要出现在熔钎焊接头焊趾处，主要是由于焊接热输入不足导致的。在“未钎合”缺陷周围发现微观热裂纹，其周围微观组织与富锌区组织相似。未钎合和热裂纹的出现会严重减低接头强度。

　　在铝合金/钢板复合热源熔钎焊接过程中，在保证界面反应充分的条件下，气孔、未钎合及热裂纹对接头性能影响较大，而未钎合缺陷可以通过适当提高热输入来避免，气孔缺陷可以通过焊前仔细清理焊接材料减少氢气孔及适当增加搭接间隙来减少锌气孔。热裂纹可以通过选择合适的填充材料以及优化焊接工艺得到有效抑制。

　　2 铝合金/钢熔钎焊接头组织性能调控

　　鉴于铝合金/钢熔钎焊接头钎焊界面的 Fe-Al 金属间化合物层结构及厚度对接头性能具有决定性影响，其标志着接头的冶金结合质量。因而，国内外对铝/钢熔钎焊接工艺的研究更多地集中在钎焊界面 Fe-Al 金属间化合物对接头性能的影响，特别是在临界厚度上目前还没有形成统一定论[3, 20, 26]。为了获得高质量的铝合金/钢熔钎焊接头，人们采取各种措施从工艺和冶金上调控金属间化合物层的形态尺寸、抑制接头缺陷，以期改善接头钎焊界面组织、提高接头性能。

　　2.1 工艺措施

　　改变工件初始温度、焊后热处理等措施可以改善焊缝成形及提高接头性能。

　　通过改变工件初始温度发现，在铝合金/镀锌钢 MIG 电弧熔钎焊接头钎焊界面上发现除了近铝合金焊缝侧的 Fe4Al13、Fe2Al8Si 富铝金属间化合物层和 Fe2Al5 层外，增加了一层由初始温度提高后产生的富铁相薄层，如图 12 所示[40]。另外，提高初始温度后液态铝合金在钢板表面的铺展性也得到极大改善，有助于提高接头抗拉强度。

　　以 Zn-15Al 合金焊丝为填充材料的 5A02 铝合金/304 不锈钢 TIG 熔钎焊接头界面处生成了 ZnO 和由 Fe2Al5-Znx 及 FeAl3-Znx 组成的 Fe-Al-Zn 混合物，焊后退火热处理能够使焊缝中增强相 ZnO 呈 “小岛”状均匀分布在焊缝，提高了接头的强度，如图 13 所示[41]，拉伸试样均断裂在铝合金母材。为了实现对接接头良好的冶金结合、获得强度更高的接头，通过在钢板侧开坡口，可以使电弧直2 铝合金/钢熔钎焊接头组织性能调控鉴于铝合金/钢熔钎焊接头钎焊界面的 Fe-Al 金属间化合物层结构及厚度对接头性能具有决定性影响，其标志着接头的冶金结合质量。因而，国内外对铝/钢熔钎焊接工艺的研究更多地集中在钎焊界面 Fe-Al 金属间化合物对接头性能的影响，特别是在临界厚度上目前还没有形成统一定论[3, 20, 26]。为了获得高质量的铝合金/钢熔钎焊接头，人们采取各种措施从工艺和冶金上调控金属间化合物层的形态尺寸、抑制接头缺陷，以期改善接头钎焊界面组织、提高接头性能。 2.1 工艺措施改变工件初始温度、焊后热处理等措施可以改善焊缝成形及提高接头性能。通过改变工件初始温度发现，在铝合金/镀锌钢 MIG 电弧熔钎焊接头钎焊界面上发现除了近铝合金焊缝侧的 Fe4Al13、Fe2Al8Si 富铝金属间化合物层和 Fe2Al5 层外，增加了一层由初始温度提高后产生的富铁相薄层，如图 12 所示[40]。另外，提高初始温度后液态铝合金在钢板表面的铺展性也得到极大改善，有助于提高接头抗拉强度。以 Zn-15Al 合金焊丝为填充材料的 5A02 铝合金/304 不锈钢 TIG 熔钎焊接头界面处生成了 ZnO 和由 Fe2Al5-Znx 及 FeAl3-Znx 组成的 Fe-Al-Zn 混合物，焊后退火热处理能够使焊缝中增强相 ZnO 呈 “小岛”状均匀分布在焊缝，提高了接头的强度，如图 13 所示[41]，拉伸试样均断裂在铝合金母材。

　　为了实现对接接头良好的冶金结合、获得强度更高的接头，通过在钢板侧开坡口，可以使电弧直

　　从工艺上采取一些措施来改善焊缝成形、提高接头强度，尽管有一些效果，但从国内外研究来看，单纯采取一些工艺措施还很难获得成形良好、强度高的铝合金/钢熔钎焊接头。为了增强铝合金与钢对接面间的冶金结合，还须采取一定的冶金措施来促进二者之间形成冶金结合，从本质上提高接头强度。

　　2.2 冶金措施

　　从冶金上通过采用合适的钎剂改善液态铝合金在钢板表面的铺展性、通过添加合适的合金元素调控铝合金/钢接头组织性能。

　　2.2.1 合金元素

　　目前，铝合金/钢熔钎焊接主要采用铝基和锌基填充材料，合金元素主要包括与 Al 和 Fe 都具有良好的结合性的 Si、Zn、Cu、Mn 等元素。

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　　结果表明，Si 元素的加入可以抑制 Fe-Al 金属间化合物层的生长，并且随着 Si 的质量分数的增大抑制效果越来越明显，金属间化合物层厚度减小，但 Si 质量分数过高容易在焊缝中引起热裂纹或气孔[25, 31, 43-44]。当 Cu 元素的质量分数大于一定值时金属间化合物层厚度较厚，焊缝的力学性能较差。 Cu 元素易与 Al 元素生成 Al2Cu，降低接头强度[43-44]。Zn 元素能增加铝合金在钢表面的润湿性和铺展性，但含量过多，在焊接过程中易形成气孔[21, 31]。 Mn 元素虽不能改变接头界面处金属间化合物的特征，但可以改变金属间化合物的晶粒尺寸从而提高接头强度[25]。

　　Cu、Si、Ca、Ag、Sb 等元素能够降低 Al 在钢中的扩散系数，减小 Fe-Al 金属间化合物层厚度;而 Zn、Mn、Ni、Pb 等元素能够增加 Al 在钢中的扩散系数，增加金属间化合物层厚度[45-46]。

　　合金元素的添加方式除了常用的作为熔化极、附加填充焊丝的形式外，还有以预置或同步的方式填充粉末以及添加中间层材料等方式[47-48]，同样可以取得不错的效果，但在效率上与熔化极熔钎焊接工艺方法相比稍差一些。

　　2.2.2 钎剂

　　钎剂的界面活性作用，主要体现在清除工件表面氧化膜和降低熔态钎料与母材之间的界面张力、促进熔化的填充材料及母材在未熔化钢表面的润湿铺展，改善铝合金/钢焊缝表面成形[36, 49]。

　　目前对于铝合金/钢异种金属熔钎焊接所采用的钎剂以氯盐基钎剂为主，一般以 LiCl-KCl-NaCl 系统为基础，加入一至两种低熔点的氯盐或氟盐 (KAlF4、K3AlF6、K2SiF6 等)而制成。采用合适的钎剂，对接接头可以实现通过成形槽沿钢背面和沿坡口表面进行“上坡”铺展，获得良好的焊缝背面成形和正面成形[49]。

　　在以氯化物为基础的无机钎剂里通过添加合金元素构成复合钎剂，促进钎料润湿铺展效果更加显著。研究发现，Zn、Sn 能够降低液态铝合金与钢之间的界面张力，进而提高液态铝合金在钢表面的流动性、润湿铺展性[42, 50]。但 Zn 的沸点较低、易挥发，在焊接过程中形成锌蒸气，在熔池凝固过程中来不及逸出而形成气孔。Sb 可以提高接头强度，稀土 La 可以改善金属间化合物的塑性，提高接头力学性能。

　　以氯化物、氟化物与合金元素构成的复合钎剂既可以改善液态铝合金在钢表面的润湿性和铺展性，又可以调控熔钎焊接头组织、提高接头性能，在铝合金/钢异种金属熔钎焊接中具有广泛应用的潜在技术优势。——论文作者：秦国梁 武传松

文章名称：铝合金/钢异种材料熔钎焊接工艺及其研究现状

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