摘要：鋁鋼異種金屬連接可實現(xiàn)汽車零部件的輕量化，但鋁鋼焊接產(chǎn)生的金屬間化合物裂紋等嚴(yán)重地影響接頭性能。本文介紹了鋁鋼激光焊的主要焊接方法，闡述了近年來國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。

鍍鋅鋼

鍍鋅鋼是在鋼基體上鍍上厚度不同的鋅層，鍍鋅分為電鍍和熱鍍，鍍鋅層不僅有物理屏蔽作用，且對鋼基體有電化學(xué)保護作用。由于鍍鋅鋼具有良好的耐腐蝕性能，被廣泛用于交通、電力、建筑、供熱設(shè)施以及儀器儀表和家具等行業(yè)。特別是在汽車行業(yè)，普通鍍鋅鋼、高強度鍍鋅鋼、超高強度鍍鋅鋼在汽車上的應(yīng)用提高了車身等部件的抗腐蝕性能和服役壽命。

但是，由于鋅層的存在，使得鍍鋅鋼板的熔化焊接非常困難，這是因為鋅的熔點為420℃，沸點為908℃， 基體鋼的熔點為1300℃， 沸點為2861℃，在熔化焊過程中鋅會嚴(yán)重蒸發(fā)和氧化，會形成氣孔、未熔合及裂紋等缺陷。鋁及鋁合金質(zhì)量輕（鋁的密度為2.7g/cm3），比強度高，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕性， 并且在低溫下能保持良好力學(xué)性能。

當(dāng)今，能源、安全、環(huán)保已成為時代的主題，隨著環(huán)境污染，能源危機的逐步加劇，實現(xiàn)車輛輕量化已成為世界各國關(guān)注的焦點。因此，國內(nèi)外對鋁/ 鎂、鋁/ 鈦、鈦/ 鋁及鋁/ 鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)進行了大量研究。鋁/ 鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)充分利用了各自材料的優(yōu)勢，減輕重量，減少污染[3]，廣泛用于汽車、航空、船舶等行業(yè)。鋁鋼連接在汽車車門板中的應(yīng)用如圖1 所示。

但是， 由于鋁和鋼的熱物理性能存在巨大差異，使得其連接非常困難。鐵的熔點為1538℃，鋁的熔點為660℃，鐵的密度為7870 kg/m3，鋁的密度為2700 kg/m3，在對鋁/ 鋼熔化焊時，在鋼完全熔化時，鋁會漂浮在鋼之上，難以形成焊縫。而且鋁的線膨脹系數(shù)幾乎是鐵的兩倍， 焊接時會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，易產(chǎn)生裂紋。

由Fe-Al 二元相圖，鐵和鋁既能形成固溶體、金屬間化合物，也能形成共晶體。鐵在鋁中的固溶極限很小，在225～600℃，F(xiàn)e 在Al 中的固溶度為0.01%～0.022%；共晶溫度652℃時，F(xiàn)e 在Al 中的溶解度為0.53%。一系列研究表明，F(xiàn)e 和Al 可以形成Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5、FeAl3等金屬間化合物。這些金屬間化合物在焊縫中會形成脆性組織， 其中根據(jù)Fe-Al 熱力學(xué)分析知，在焊接熱作用過程中，并不是所有的金屬間化合物都長大， 根據(jù)化合物形成的吉布斯自由能進行熱力學(xué)計算， 只有Fe2Al5和FeAl3是最后穩(wěn)定存在的脆性組織，這些脆性組織的存在會降低焊接接頭的力學(xué)性能，容易使焊縫產(chǎn)生裂紋。

由于Fe 在鋁中幾乎不固溶，鋁/ 鋼熔化焊很難得到良好的接頭， 為防止鋼和鋁中間產(chǎn)生脆性金屬間化合物， 需要在鋼表面鍍上與鋁和鐵都相容的金屬， 如Ni、Zn、Ag、Cu 等。這樣就能避免或是減少Fe-Al 金屬間化合物的形成或長大。鍍層金屬不同，對鋼/ 鋁界面反應(yīng)的作用也就不同， 鋼和鋁的焊接性存在差異。除了鍍層會改善鋼/ 鋁的焊接性，填充材料及釬劑的選擇得到也會提高鋼/ 鋁異種金屬的焊接性，擴大鋼/ 鋁在各行業(yè)的應(yīng)用范圍。

鋁/鋼激光焊接國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1

激光深熔焊

激光深熔焊的主要特征是深熔小孔。高功率密度的激光輻照金屬表面，表面金屬達到沸點，迅速熔化和氣化蒸發(fā)。金屬蒸發(fā)產(chǎn)生的氣壓使表面產(chǎn)生凹陷，形成小孔。產(chǎn)生的小孔增加了激光的能量吸收，產(chǎn)生的熱量是小孔周圍的金屬熔化， 小孔外液體流動和小孔內(nèi)壁表面張力以及小孔內(nèi)腔中連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力達到動態(tài)平衡。光束不斷進入小孔，小孔外的材料不斷熔化流動，隨光束的移動，小孔總是處于動態(tài)穩(wěn)定。小孔和周圍孔壁的熔融金屬隨光束移動，熔化的金屬不斷填充小孔，最后熔融金屬冷卻，形成焊縫。激光深熔焊在連接鋁鋼時，大多采用鋼上鋁下的接頭形式， 激光作用在鋼表面， 鋼板和鋁板均熔化，形成焊接小孔的一種焊接方法。

GSierra 等研究鋼在上鋁在下搭接形式的激光深熔焊時， 研究結(jié)果顯示控制焊縫熔深500 μm以下，可以減少Fe-Al 金屬間化合物生成，進而減小了焊縫的脆性。將焊縫熔深控制在500μm 以下，接頭強度可達250MPa。實驗發(fā)現(xiàn)少量金屬間化合物及由富鋁化合物形成的白色熔質(zhì)帶出現(xiàn)在焊縫中。熔深為500μm 以下時， 接頭失效位置在焊縫和鋁合金交界處，隨著熔深的增加，接頭失效位置發(fā)生變化，同時接頭強度顯著減小。Kouadri-David 等研究了鍍鋅鋼和鋁合金激光深熔焊和激光熱導(dǎo)焊組織和性能。通過控制焊縫熔深600μm 內(nèi)激光深熔焊接頭強度達140MPa。指出沿鋼厚度方向的熔深對接頭強度具有重要影響。同樣，Katsyama 等研究表明鋼在鋁中的熔深是影響接接頭性能的關(guān)鍵因素。Torkamany 等研究了低碳鋼/5754 鋁合金Nd:YAG脈沖激光焊。實驗采用激光深熔焊重疊結(jié)構(gòu)。研究了激光功率、脈沖寬度、搭接因子對金屬化合物形成的影響。結(jié)果表明，隨激光峰值功率（脈沖能量一定）、脈沖寬度（峰值功率一定）、搭接因子（脈沖能量和峰值功率一定）的增加，金屬間化合物生成量增加。JinYang 等研究了純鋁/ 不銹鋼激光深熔焊方法下熔深與焊縫成形之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示在大熔深（354μm）條件下，在鋁/ 熔合區(qū)界面形成了含有微裂紋的富鋁的Fe-Al 金屬間化合物， 接頭強度為（27.2±1.7）MPa，斷裂出現(xiàn)三種形式：剪切脆性斷裂、解理脆性斷裂和混合型斷裂。當(dāng)小熔深（108μm）時，在Al/Fe 熔合區(qū)界面為無裂紋的金屬間化合物，接頭強度為（46.2±1.9）MPa，斷裂形式只有一種為沿焊縫解理脆性斷裂。

激光深熔焊的優(yōu)點是激光能量利用率高， 焊接效率高。其中小孔對焊縫熔深和熔寬具有重要影響，熔深小孔是激光深熔焊過程中的關(guān)鍵因素。但是，在焊接過程中產(chǎn)生的等離子體和深熔小孔使焊接過程不穩(wěn)定，很難控制。而且，激光深熔焊過程中，氣體易進入小孔，凝固是易產(chǎn)生氣孔，由于金屬蒸汽產(chǎn)生的蒸汽壓，在凝固時金屬的收縮易產(chǎn)生表面凹陷，焊縫不美觀。

1.2

激光熱傳導(dǎo)焊

當(dāng)激光照射到材料表面時，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，將光能轉(zhuǎn)化為熱能而加以熔化，材料表面的熱以熱傳導(dǎo)的方式繼續(xù)向材料深處傳遞， 最后將兩焊件熔接在一起。激光熱導(dǎo)焊是激光焊接中一種重要的焊接模式, 廣泛應(yīng)用于薄件的焊接中。

在激光熱導(dǎo)焊中， 熱傳導(dǎo)在熱的傳播過程中占主導(dǎo)地位， 輻射和對流因在熱傳播過程中只占很小的份額可以忽略不計。另外， 激光熱導(dǎo)焊的熔池很小， 因此可以忽略熔池中相變潛熱的釋放以及熱物理參數(shù)隨溫度和狀態(tài)的變化對焊接熱過程的影響。

Meco 等采用激光熱傳導(dǎo)焊模式連接2mm 厚鋼板和6mm 厚鋁板，鋼在上鋁在下的搭接形式。激光輻照鋼板表面， 傳導(dǎo)的熱量達到鋁合金的熔點使其熔化。結(jié)果得到的金屬間化合物厚度在4～20μm。其中間的Fe2Al5的最大顯微硬度為1145HV。

1.3

激光-電弧復(fù)合焊

激光電弧復(fù)合焊技術(shù)（實驗原理圖如圖2 所示)是20 世紀(jì)70 年代發(fā)展的新型、高效焊接方法。激光高能量密度可得到更深的熔深， 但是對間隙的橋接性差，對裝配精度要求高。電弧的加熱范圍寬可得到更寬的焊縫， 但是電弧對間隙的橋接性好。而激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)則利用兩者的各自特點可得到焊縫頂部寬、熔深大的焊縫。激光產(chǎn)生的等離子體可穩(wěn)定電弧， 則復(fù)合焊增加了焊接適應(yīng)性和焊接效率。

HonggangDonga 等發(fā)明了一種大光斑激光與電弧復(fù)合熱源連接異種金屬的方法。該專利針對小光斑的激光-電弧復(fù)合熱源焊接不能應(yīng)用于鋼與鋁、鋼與銅等異種金屬的連接。此方法中激光對電弧有明顯的穩(wěn)定作用， 電弧的作用是熔化填充金屬和低熔點母材， 利用大光斑激光可以實現(xiàn)熱輸入的精確控制。利用該方法得到的5A02 鋁合金和鍍鋅鋼連接接頭的拉伸性能測試表明， 試樣的破壞位置發(fā)生在鋁合金母材一側(cè)的焊接熱影響區(qū)， 而不是釬焊連接區(qū)。接頭強度可達153.1MPa。Qin 等采用激光-MIG 復(fù)合焊接鍍鋅鋼/ 鋁合金， 使用AlSi5焊絲。實驗結(jié)果顯示釬焊界面產(chǎn)生2～4μm 的金屬間化合物層，相組成為FeAl2、Fe2Al5、Fe4Al13。接頭的抗拉強度最大達247.3MPa。WangShujun 等[14]同樣采用激光-MIG 復(fù)合焊技術(shù)， 實驗采用AlSi5、AlSi12、AlMg5三種不同的釬料以研究Si、Mg 加入后金屬間化合物對及焊縫組織和成型的影響。結(jié)果表明，增加Si 含量可以細化熔化區(qū)晶粒，增加熔化區(qū)的顯微硬度。并且熔化區(qū)Al-Si 釬料的顯微硬度比Al-Mg 釬料的顯微硬度大。對于AlSi12、AlSi5、AlMg5釬料分別得到的金屬間化合物層平均厚度為0.90、1.49、2.64μm，文中得出Si 可以抑制Fe 的擴散，從而減少金屬間化合物的生成。對中間層進行XRD 分析表明，AlSi5和AlSi12所對應(yīng)的金屬間化合物層的相組成為Fe2Al5、Fe4Al13、Al0.5Fe3Si0.5。而AlMg5對應(yīng)的相組成為FeAl2、Fe2Al5、Fe4Al13。AlMg5、AlSi5、AlSi12釬料對應(yīng)的接頭強度依次為178.9、172.43、144MPa，得出結(jié)論為Si 含量的增加對接頭強度不利，而Mg 的加入對接頭強度有利。文中并沒有說明Si、Mg 是如何影響接頭強度的。Thomy 等研究激光-電弧復(fù)合焊過程中激光和等離子弧的相互作用， 開發(fā)了同軸激光-電弧復(fù)合焊頭。

1.4

激光熔釬焊

釬焊是采用熔點比母材低的釬料， 通過加熱到比釬料熔點高，比母材熔點低的溫度，釬料熔化，而母材不熔化，利用液態(tài)釬料潤濕母材，在釬縫間隙毛細作用下，液態(tài)釬料自動填充到母材間隙中去，與母材相互擴散形成連接。熔釬焊兼具釬焊和熔化焊的特點， 適于兩種物理性能差異大的異種材料之間的連接。鋼和鋁的熔釬焊是指鋼不熔化， 鋁和釬料熔化，在鋼/ 釬料側(cè)是釬焊連接，在釬料/ 鋁側(cè)是熔化焊。鋼和鋁的熔釬焊實質(zhì)熔化的鋁和釬料與固態(tài)鋼通過界面反應(yīng)結(jié)合在一起。該方法可選擇添加或不添加釬料進行焊接。

Peyre 等研究了在不使用釬料的情況下，采用激光熔釬焊的方法實現(xiàn)鍍鋅鋼和鋁合金的連接。結(jié)果顯示， 沿著鋼鋁界面形成了2～20μm 厚的界面層， 發(fā)現(xiàn)該層主要為Fe2Al5相， 其硬度高達1200HV，使接頭產(chǎn)生裂紋，顯著降低接頭的力學(xué)性能。盡管鋅蒸發(fā)產(chǎn)生氣孔，但是10μm 的鍍鋅層有利于鋁在鋼上的潤濕鋪展。拉伸測試表明， 在鍍鋅鋼表面涂上釬劑， 可以抑制鋅的蒸發(fā)。而對于非鍍鋅鋼則顯示了較低的機械抗力。

有學(xué)者在激光熔釬焊過程中使用釬料， 以改變接頭的化學(xué)成分， 進而控制Fe-Al 金屬間化合物的生成，提高接頭性能。Sierra 等在鋁/ 鋼激光熔釬焊連接中采用4047（Al-12Si）釬料，得到了無明顯宏觀缺陷的連續(xù)接頭， 在鋼/ 焊縫界面產(chǎn)生薄的Fe-Al-Si 金屬間化合物層。文中使用Al-12Si 釬料來研究Si 元素對Fe-Al 金屬間化合物生長的作用。文中提出釬料中Si 可以降低鋁的熔化溫度，影響熔融鋁的粘度和表面張力， 進而影響焊縫潤濕角及焊縫寬度。也有學(xué)者在釬料中添加Mg、Cu 等元素研究釬料合金化后對焊縫組織和性能的影響。Dharmendra等采用連續(xù)脈沖Nd:YAG 激光器對DP600 鍍鋅鋼和AA6016 鋁合金搭接接頭進行熔釬焊試驗。試驗過程采用含85%Zn 和15%Al 的Zn-Al 焊絲，試驗采用不同的激光功率、焊接速度、送絲速度。研究發(fā)現(xiàn)， 試驗得到的反應(yīng)層厚度在3～23μm。在60～110J/mm 的熱輸入下，接頭抗拉強度達220MPa，斷裂位置遠離焊縫靠近鋁合金側(cè)。在焊接速度0.5、0.8m/min 時， 對應(yīng)的金屬間化合物厚度分別為8、12μm。拉伸測試結(jié)果顯示， 在金屬間化合物厚度為8～12μm 時，機械阻力最大，在小于8μm 時，機械阻力隨金屬間化合層的增加而增大；大于12 μm時， 機械阻力隨之減小。文中解釋是化合物層較薄時， 裂紋沿脆性金屬間化合物層萌生， 斷裂強度極低，化合物層較厚時，由于該層相對于其它區(qū)域脆性很大，機械抗力極低。Laukant 等采用ZnAl2釬料進行鋁/ 鋼激光熔釬焊試驗，結(jié)果產(chǎn)生了大約5μm的FeAl 金屬間化合物層， 接頭剪切力達9 kN。Rajashekhara Shabadi 等同樣采用Zn-Al 釬料，對AA6016 和低碳鍍鋅鋼進行激光熔釬焊試驗。試驗所采用的釬料為ZnAl30， 試驗結(jié)果形成的金屬間化合物主要為Fe2Al5Znx， 可能含有ZnFeAl3，厚度在10μm 左右。最近有學(xué)者對鍍鋁層高強鋼和鋁合金進行了激光熔釬焊試驗。例如，Windmann 等采用AlSi3Mn 釬料的激光熔釬焊試驗。研究發(fā)現(xiàn)在AlSi3Mn/Mn22B5界面形成Al8Fe2Si 相。在Mn22B5/AlSi3Mn 界面形成的金屬間化合物厚度為2～7μm，接頭剪切強度為21～74MPa。如果對鋼表面焊前進行預(yù)熱，則接頭強度達210～230MPa。從最近的研究來看，不管是Al-Si 釬料還是Zn-Al 釬料，都不可避免地產(chǎn)生金屬間化合物， 而對于Fe-Al-Si 金屬間化合物的生長順序及Zn-Al 釬料反應(yīng)相的鑒定還有待解決。激光熔纖焊連接鋼/ 鋁技術(shù)本身是一種極具前景的工藝。

結(jié)語

激光-電弧復(fù)合焊因其高的焊接效率主要用于較厚板的焊接， 激光熔釬焊在汽車輕量化方面極具應(yīng)用前景。通過激光熔釬焊工藝連接薄板鋁/ 鋼異種金屬，采用Al-Si、Zn-Al 釬料。然而，汽車用鍍鋅鋼/ 鋁合金激光焊仍存在很多需要解決的問題。例如，由于被焊材料對激光能量的吸收率較低，激光焊產(chǎn)生的等離子對焊接過程的穩(wěn)定性有影響；鋁鋼連接過程中產(chǎn)生鐵鋁金屬間化合物脆性接頭；熔化的釬料對鋁合金母材的冶金相容性及對母材鋼的潤濕性問題；氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等焊接缺陷的控制和預(yù)防等。

來源：激光焊接自動化