浅议汽车钢铝异种金属焊接技术

摘 要：钢、铝的焊接属于异种金属的连接，由于铁、铝在熔点、热膨胀系数、导热导电性能、相互溶解度等物理化学性能方面存在差异，采用常规的熔焊方法很难实现牢固的焊接，焊接接头极易形成裂纹，缩孔等缺陷。因此，钢、铝异种金属焊接已成为汽车生产中的一大技术难题。本文

关键词：汽车；钢、铝异种金属；焊接技术

铝合金具有密度小，比刚度和比强度高，导热、导电性能好，抗腐蚀破坏能力优异及良好的加工性能等一系列优点，被广泛用到航空航天、交通工具等领域。汽车工业中大多采用铝合金代替钢材的方法来减轻车身重量，钢、铝异种金属的连接逐渐增多，因此，钢、铝异种金属间的焊接成为轻量化汽车制造过程中的重要工艺之一。然而，钢和铝两种金属材料在物理和化学性能方面存在着巨大的差异，并且钢与铝的固溶度非常低，钢与铝在焊接过程中容易形成大量的脆性金属间化合物，焊接时容易出现裂纹、未熔合等，会导致接头力学性能大大降低。因此，钢、铝异种金属焊接非常困难，是一大技术难点，加强钢与铝异种金属焊接技术的研究，对于推动钢与铝异种金属的连接及应用具有重要的意义。

一、铝和钢异种金属的焊接性分析

当要焊接的两种金属的物理、化学性能相差较大，且互溶性很低时，极容易产生大量脆硬性金属间化合物，从而严重降低异种金属焊接接头的力学性能。脆性金属间化合物对异种金属焊接接头力学性能的影响程度与其成分、形貌特征及分布状态有关。当金属间化合物属于高脆硬相，且以针状或层片状出现在界面处时，会割裂基体，严重增大焊接接头的脆性断裂倾向，导致接头的力学性能恶化；当金属间化合物脆硬性较低，同时呈现细小颗粒状弥散分布在焊接接头时，此时它对接头力学性能的恶化作用有所减弱。当两种金属材料之间的物理化学性能接近，而且同时能够形成间隙式连续固溶体或者具有较高的互溶性，即异种金属间具有“冶金学上的相容性”时，可以实现异种金属材料之间的有效连接。

铝和钢异种金属的主要热物理性能相差很大，性能上的差异往往会导致铝、钢焊接性较差，主要表现在以下几个方面：

1.由于铝和钢的熔点相差800～1000K，两者的溶点差异性明显，当低熔点的铝及铝合金已经完全熔化时，钢还保持着固体加热状态，两者不会形成冶金结合，而是铝液漂浮在钢材表面，这就使得两者很难发生熔合现象；两者密度相差也比较大，当钢完全熔化时，铝液漂浮在钢表面上，使冷却结晶后焊缝成分非常不均匀，严重地降低了焊接接头的质量。

2.钢、铝的热导率相差大约3倍，这使两者之间很难均匀加热；其线膨胀系数相差1.4～2倍，在焊接过程中必然会在焊接接头的側面产生残余热应力，使接头严重变形，而且这种变形不能通过热处理来消除，甚至导致焊缝和热影响区产生裂纹，会严重降低焊接接头的质量。

3.铝及铝合金在加热时，在铝表面易形成稳定的难熔的氧化膜（Al2O3），Al2O3既阻碍液态金属间的结合，又容易形成焊缝中的夹渣，直接导致焊接接头的强度和塑性降低。特别是焊接过程中接头内产生大量的脆Fe-Al金属间化合物，这些金属间化合物降低了焊缝的塑韧性，增大了焊缝脆性，这是铝和钢熔化焊焊接的最主要障碍。

二、钢、铝异种金属的焊接方法

根据对钢、铝异种金属的焊接性分析，钢、铝异种金属焊接后存在种种质量问题和困难，因而必须采取特殊工艺措施和选择合适的焊接方法，才能获得满意的焊接接头。目前，钢、铝的焊接工艺方法大致可以分为压焊、钎焊和熔化焊三大类。

1.压焊。压焊方法有滚焊、爆炸焊、扩散焊、搅拌摩擦焊等。激光滚焊是由滚压焊和激光焊复合而成的，激光滚焊利用高能密度激光对金属材料进行加热，通过紧随其后的滚轮对材料施加压力完成接合。应用激光滚焊焊接异种金属材料时，高能密度激光束照射在高熔点的母材一侧，加热到两种材料熔点之间的某一温度，熔点高的母材没有发生熔化，而低熔点母材在热传导的作用下熔化，然后在界面处发生液-固反应，其有助于抑制界面处金属间化合物层的生成。

扩散焊是将两种或两种以上的金属材料紧密贴合在一起，放到真空或保护气氛中一定压力和温度下保持一段时间，使两个接触面之间的原子相互扩散形成有效联接的焊接方法。温度、压力、扩散时间和表面粗糙度是影响接头质量的主要因素。

摩擦焊是一种焊接效率高、质量稳定、节能、精密、一致性好的固相连接技术，可实现异种材料的焊接，如钢、铝焊接，对钢、铝母材的种类没有附加的要求，纯铝与碳钢、纯铝与不锈钢、铝合金与碳钢以及铝合金与不锈钢等各种异种金属接头，摩擦焊都可以进行连接，

2.钎焊。钎焊是将焊件加热到高于钎料（熔点低于焊件金属）而低于焊件的熔化温度，钎料熔化并润湿焊件金属，填充接头间隙并且和母材金属互相扩散实现连接的一种焊接方法。钎焊过程中焊接参数具有良好的可控性，故金属间化合物层的厚度可以通过调节焊接参数来控制，而且界面反应过程还可以通过控制钎料的钎焊过程中焊接参数具有良好的可控性。

3.熔-钎焊。熔-钎焊焊接技术作为一种优质的异种金属材料连接方法，目前已开发出多种工艺方法，如电弧熔-钎焊、激光熔-钎焊和激光电弧复合熔-钎焊等，目前，熔-钎焊焊接技术已在钢、铝异种金属连接得到了广泛地应用。熔-钎焊是用焊接热源对两种不同材质的母材加热，基于两种母材熔点的差异，在高熔点母材金属材料不发生熔化的条件下，使低熔点母材金属和填充材料熔化，一方面，熔化的低熔点母材金属与填充材料形成熔化焊接头，另一方面，二者混合在一起铺展到高熔点母材金属表面形成钎焊接头。钢、铝熔-钎焊技术充分利用了铝与钢熔点的差异，一方面可以不受焊接接头形状的影响，实现钢、铝的优质高效连接，强度可以达到铝合金熔焊接头的强度水平；另一方面避免钢熔化形成脆性的Fe-Al 金属间化合物相，削弱焊接接头的性能。

三、结语

钢、铝异种金属的焊接结构正是实现汽车轻量化的有效手段之一。钢、铝异种金属复合结构可以充分发挥两种材料的固有优势，具有质轻、强度高以及耐蚀性好等综合优势，在汽车制造、航空航天等领域具有越来越广泛的应用。本文介绍的几种钢、铝异种金属的焊接方式均能够得到力学性能优良的燥接接头，但是由于这几种焊接方法各有优点，具体实际应用时，应结合具体情况综合应用。

参考文献：

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[3]刘国承， 田杰平， 史玉升，等. 汽车用钢焊接技术研究进展[J].激光与光电子学进展， 2015， 52（1）：28-34.

作者简介：王珂（1982-），男，吉林长春人，工程师，从事汽车焊装夹具及汽车焊接生产线工作。