铝-钢异种材料连接技术研究进展——固相焊

首 先二 者熔 点相差 很 大 ， 从 传统 熔 焊 的角 度来 看 ， 如果暂 不考 虑金 属 间化合 物 的生 成 问题 ， 当铝 熔 化 时 ， 钢 仍处 于 固态 ， 继 续增 加 能量 至 钢熔 化后 ， 由于二 者密 度 相差 很大 ， 液态 铝浮 于液 态 钢 上 ， 无法 得 到 成分 均 匀
构 产 生 了越 来 越 浓 厚 的 兴趣 ， 也 就是 说 可 以将 不 同 材
成 。当金属 间化 合 物 达 到 一定 厚 度 时 ， 脆 性 金 属 间 化
合 物在 很小 的应 力下 就 会 开 裂 ， 直 接 带 来 的就 是 低 强
度 的接头 。 ２ 铝一 钢 异种 材料 固相连 接技 术研究 进展 ２ ． １ 扩散焊
接头 通过 了室 温和 ～１ ９ ５ ｏ Ｃ循 环 压 力试 验 且 爆 破试 验
的焊缝 ； 此外 ， 热 导率 ， 线 胀 系 数 以 及 比热 的 差 异 都会
为焊 接过程 带 来 很 大 困难 ， 非 对 称 温度 场 以及 较 大 的
接头 残余应 力都很 难 避免 。 铝钢连 接最 主要 的 问题是 铝 一铁脆 性 金 属 间化 合
法 的技术特点 ， 阐述了连接工艺、 组织和性能的关系 。对 各种 焊接方法 的优缺点及发 展现状进行 了分 析 ， 并对铝 一
钢 连 接 的研 究 方 向进 行 了预 测 。
关键 词 ： 铝 钢 焊接 异 种 金 属
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｇ４ ５ ７ ． １
的反应驱 动力 很 高 ， 富 铝 的铝 一铁 金属 间化 合 物 在 较
更 理性 的选择 。近年 来 ， 随 着航 空 航 天 、 汽车、 铁路、 造
船 等领域 采用 铝／ 钢 复合 结构 的产 品逐 渐 增 多 ， 铝 一钢 连 接技术 越 来越 受 到人 们 的关 注 ， 并 逐 渐 成 为 材 料 连 接 研究领 域 的热点 问题 。
１ 铝 一钢 异种材 料连 接 的难点
铝合 金 的复合 结 构 ， 在 大 多数 情 况 下 则 还 是 更 经 济 和
扩散 焊是一 种 固相 连 接 方 法 ， 通 过加 以适 当 的 温 度 和压力并 保持 足够 的时 间来 使 被焊 材 料 界 面发 生 扩 散 并最终 实 现 连接 。扩 散 焊有 ５个 主要 的工 艺 参 数 ： 时间 、 温度、 压力 ， 材 料 表 面状 态及 环 境 。通 过 优 化 工 艺 参数 ， 元素 的扩散 量 和金 属 间 化合 物 的 生 成 可 得 到 有 效控 制 ， 所 以扩 散 焊被 列 为 连 接 冶 金 上 不 相 容 的 异 种 材料 的有 效方法 之一 。 波音公 司和 美 国航 空 航 天 局 Ｃ ． Ｈ．Ｃ ｒ ａ ｎ ｅ等 人 在１ ９ ６ ７年就对 铝 合 金 一不 锈 钢 的扩 散 焊 进 行 了较 为
详细 的研究 。他们 开 发 出 了 当时 较 为 成 功 的技 术 ， 将 扩散焊与 电镀银结 合 ， 分别 可靠 连接 了 １ ２ ． ７ ｍ ｍ， ２ ０ ３ ． ２
ｍ ｍ和 ５ ０ ８ ｍｍ 直 径 的 ２ ２ １ ９铝 合金 和 ３ ２ １不 锈 钢 管 。 工艺 参数包 括 电镀 银 、 焊接温度 ２ ６ ０～３ ５ ０ ｏ Ｅ、 焊 接 压 力１ ３ ８～１ ７ ２ Ｍ Ｐ ａ 及 焊接 时 间 ２～ ４ ｈ 。５ ０ ８ ｒ ／ ｉ ａ 直 径 的 ｒ
基 金 项 目 ：国家 自然 科 学 基 金 （ ５ ０ ８ ７ ４ ０ ３ ３ ） 。 １ ８ ２ ０ １ ３年 第 ９期
专题综述 ｒ 缛掳
镀银 ， ２ ０ ４ ｏ Ｃ， １ １ ７ ＭＰ ａ ， １ ０ ｍ ｉ ｎ条 件 下 即 可 获得 可 靠 接
头 。室 温抗 拉强 度可 达 ２ ０ ０～２ ４ ０ ＭＰ ａ 。
物 的 生 成 。 由于二 者 彼 此 的 固溶 度 很 小 ， 并 且 该 体 系
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ６—１ ３
压 力在 一１ ９ ５℃达 到 ４ ． ８ ＭＰ ａ 。接 头抗 热震 性 ， 密 封性
及 耐蚀性 均 良好 。
美 国劳伦 斯利 福摩尔 国家 实 验室 Ｅ ． Ｒ ．Ｎ ａ ｉ ｍ ｏ ｎ等 人 在 １ ９ ８ １年进 一 步 发 展 了采 用 银 作 为 过 渡 层 扩 散 连接铝 一不锈 钢技 术 。采用 物 理气 相 沉积 银 膜 替代 电
０ 前 言
短 的 时间 内 ， 通 过液 态铝 一液 态 钢直 接 反应 、 液态铝 一
固态钢 界 面 反 应 或 固态 铝 一固态 钢 界 面 扩 散 即 可 生
节 能减 排与绿 色环 保是 二 十 一世 纪 制造 业 的重 要
课题 ， 这 就要 求设计 者将 更 多 的精 力 放在 轻 质结 构 上 。 制 造业 对轻 质结构 的需 求使 人 们 对 多种 材 料 的复合 结
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蜉掳 专题综述
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铝 一钢 异 种 材 料 连 接 技 术 研 究 进 展 — — 固 相 焊
哈 尔滨工 业 大学 先进 焊接 与连接 国 家重 点 实验 室（ １ ５ ０ ０ ０ １ ） 何 欢 陈 哲 林三 宝
范成ຫໍສະໝຸດ Baidu磊
摘要
杨 春利
详细综述 了铝钢异种材料 固相连接技术的研究进 展 ， 重点分析了扩散焊 、 摩擦 焊、 搅拌 摩擦 焊等连接方
料 组合 到 一 起 并 充 分 利 用 它 们 各 自独 特 的 性 能 。 例
如， 高 强钢 可 以满 足高 承 载 的要 求 ， 铜 是 理 想 的高 导 电
和高 导热材 料 ， 铝 合 金 在 某 种 程 度 上 与 铜 相 似但 却 更 轻并 能够很 好 的耐 大 气 腐 蚀 。尽 管 陶 瓷 、 聚 合 物 及 各 种新 型复合 材 料 在 不 断 涌 现 ， 但 传 统 金 属 材 料 如 钢 及