钢与铝的焊接

钢与铝的焊接

摘要：

最近的调查显示，在工业中钢与铝的异种连接将提高部件的性能，尤其是在汽车工业这两种材料的连接可以降低能耗。由于钢与铝采用热加工方式过程中，易产生IMP（Intermetallic phases）脆性相是非常脆的，会恶化接头的机械性能。因而直到现在，钢与铝的异种接头绝大多数仍采用机械方式进行连接（压紧，铆接…）。在国外，也有尝试采用激光和挤压联合的工艺；国内也有研究所和高校尝试采用电子束焊的工艺。本文介绍的一种新的GMAW工艺来焊接镀锌钢板和铝合金（如5，6系列）

前言

尤其在运输系统中（如航空、航天、汽车）中，减少重量（意味着降低能耗）是一项重要的任务，这可以通过选用不同特性的材料来完成。钢和铝是工业应用中最广泛的两种材料，铝由于其耐腐蚀性好、焊接性能好，重量低、因而可以降低产品的重量和能耗，许多航空和汽车部件已经开始采用铝材，

因而可以综合两种材料的优点：重量降低，导热性和导电性高

因而钢与铝这两种材料的连接具有经济的优点

然而直到现在钢与铝的连接仍然大多数采用机械方式，如压紧，铆接。而目前热加工的连接方法有，摩擦焊，点焊，爆炸焊，但这些工艺受许多条件的限制（如工件几何形状、尺寸），激光焊和激光-压焊工艺更为复杂。

困难和要求

PROBLEMS AND DEMANDS

热加工焊铝存在许多问题，不同的化学和物理性能（熔点、热膨胀系数、弹性模量）、以及铝在钢中易形成非常脆的IMP相，并且，热输入量越多，生成的IMP相就越多，这种脆性相严重破坏接头的静态和动态的强度，图1显示二元的AL-Fe相位图，图中可以看出，只有微量的铝才能熔解在铁中，当含铝量达到12%时，晶体结构就会发生变化，形成FeAL，Fe3Al混合物，这些化合物是非常硬和脆。如果铝扩散到铁中的量更多，IMP相就会形成Fe2Al, Fe2Al5 和FeAl3脆性化合物，这种情况同样发生铁扩散到铝这边。这种扩散是通过不同的化学电位促使的。同时侵蚀也是一个大的问题，电位差别大导到大量的电化学腐蚀发生，因而前文提及热加工钢与铝会受到许多条件限制。一个合格的铝与钢的接头要求IMP 相厚度不能超过10 µm

测试和结果

TESTS AND RESULTS

本文的结论是在研究钢与铝的焊接十二年之久基础上得出的，板材的厚度范围是0.8-3mm，焊接方法是一种新的GMAW-CMT 工艺，这种工艺方式钢板是镀锌的，填充材料采用铝基，通过熔化铝材和钎焊钢表面的锌形成焊缝接头。基础实验条件是采用机器人焊接、搭接接头形式，电弧集中在熔化铝和填充焊丝。并且同样适用于搭接焊缝、角焊、法兰接、对接焊缝，测试的材料为Al Mg 0.4 Si 1.2 (EN-AW 6016) 和DDS 47 G 47 G U (7.5 µm 双面镀锌).；

Al Mg 0,8 Si 0,9 (EN – AW 6120) / DDS G 40(10 µm双面镀锌),；Al Mg 3 (EN-AW 5754) / / DDS G 40 (10 µm z双面镀锌), Al Mg 5 Mn (EN-AW5182) / CS G 90 (20 µm双面镀锌).

图-1显示低放大倍率的图片

图-2显示异种接头中的IMP相

图-1清晰显示接头铝这边是熔焊上的，钢这边是钎焊的

图-2显示IMP相厚度为2.1 µm

在所有的实验中IMP相的厚度都是低于10 µm，因而接头的性能更多的是受母材性能的影响，而不是接头中的IMP相，在强度测试过程断裂处总是发生在铝的热影响区，有时甚至在铝基体上。表-1是抗拉强度的平均值

母材tensile strength [MPa]

AlMg 0,4 Si 1,2 (1 mm)

DDS 47 G 47 G U (1mm) 145

AlMg 0,4 Si 1,2 (1 mm)

CS G 90 (1,5 mm) 166,7

AlMg 3 (1mm)

DDS G 40 (1 mm) 130,3

AlMg 5 Mn (1mm)

DDS G 40 (1 mm) 134,5

AlMg 5 Mn(1mm)

CS G 90 (1,5 mm) 175,13

Table 2: Tensile strength (DIN 50123)

当焊接热处理强化的铝合金（6×××）时，热影响区强度会损失30 – 40 %，因而这种接头热影响区是最薄弱的环节。图-1显示AW6016 / DDS 47 G 47 G 接头的强度/mm厚，最低的拉伸强度约为铝基材料的60%

对于工作硬化铝合金（5***）由于重结晶，热影响区的强度也会降低，强度降低幅度是同预处理和焊接过程的热输入量是相关的，断裂处主要发生在热影响区，这种接头的强度比预期的更低，可能由于近缝区重结晶的原因。数据的得出条件是，Al Mg 5 Mn，焊接速度据不同的厚度，焊接位置和接头的形式，范围为30-70cm/min，焊接过程无任何飞溅，没有对母材进行特殊处理，没有添加任何的钎剂。耐腐蚀性测试（盐浴测试，气候测试）显示，处理过的（如阴极化学涂层）试件没有被腐蚀，也没有发生晶间腐蚀和接触腐蚀。选择一个正确接头形式对降低腐蚀倾向也是有帮助的，第一条疲劳强度测试使用的是搭接接头，显示有相对好的效果。

总结

从实验数据为看，钢与铝的连接是可能，当然它有些特定的前提，如钢需要镀锌，特殊的焊丝，特殊的低能量焊接工艺，实验数据显示相相当好抗拉强度耐腐蚀性能和抗疲劳强度。而且还证明了IMP相的值是小于2 µm，这是防止钢与铝接头脆性断裂的关键