鋼/鋁合金異質焊接技術研究進展綜述

1，在汽車工業(yè)發(fā)展過程中，車體結構輕量化具有重要意義，在汽車制造過程中使用鋁材是獲得更為輕便的新型汽車的一個重要方法，并將因此而提高汽車的燃料效率及改善安全和動力性能[1-4]：

（1）減少車體運行阻力；

（2）降低車體牽引功率；

（3）改善環(huán)保、減少振動、降低噪聲。

在各種車體輕量化過程中，焊接是機械制造中的關鍵技術之一，尤其在汽車工業(yè)中，車身大量采用高比強的鋁合金材料，而車機架多采用鋼，鋼與鋁的異質材料連接對焊接技術要求很高，目前用于車體的鋁合金與鋼的連接工藝中，還主要采用鉚接的方法；同時由于焊接智能化程度較低，焊接質量不夠穩(wěn)定，在焊接工序后專門安排人工補焊工位，浪費了人力物力。因此，隨著高質量汽車節(jié)能降耗的要求日益提高以及城市城際軌道交通的大發(fā)展的特定要求，鋼/鋁合金異質焊接指向產業(yè)化目標。探索合理的焊接方法、焊接工裝、焊接材料以及合適的焊接工藝成為汽車工業(yè)節(jié)能型車體焊接技術研究的重點。

2，鋼/鋁合金異質焊接研究現狀

鋁合金與鋼的物理性能差異較大，以7075A 鋁合金和鋼為例，在鋁合金/鋼異質焊接過程中，由于熔點、熱膨脹系數等差異較大，焊接過程中存在氣孔、夾雜等多種問題。上海地鐵明珠線二期采用鋁合金車體焊接結構，軌道交通9 號線則進一步采用鋼/鋁鉚接車體結構，在國內外，各大汽車廠商也在鋁合金車體焊接結構、甚至是鎂合金車體焊接結構進行了廣泛的研究。因此，在車體焊接結構領域，鋁合金/鋼引起了國內外專家學者的極大關注。

2.1 目前主要的焊接方法

針對鋁合金/鋼連接的焊接技術主要的包括，電阻焊接、激光焊接、儲能焊接、攪拌摩擦焊接等方法[1-2]。在鋁合金智能化控制的研究方面，陳善本教授等；

[3]針對箭體結構的智能化焊接進行了研究，目前已經用于上海某航空航天研究所某型火箭的箭體焊接制造。林忠欽教授等；

[4]也對轎車車身制造質量控制技術、車身輕量化技術等進行了廣泛的研究。張繼誠等；

[5]研究了雙相鋼焊接的組織性能變化，M. Geiger 等；

[6]利用攪拌摩擦焊接技術，實現DC04 鋼與AA518鋁合金、AA6061 鋁合金的焊接。G. Sierra 等；

[7]開發(fā)了一種新的焊接鍍鋅鋼板(DC04)和鋁合金(6016T4)的技術，反應生成的界面中間層如圖1 所示。

該技術利用激光和氬弧在固相鋼和液相鋁合金之間實現了連接。通過激光焊實現鋁合金的熔化，而后通過氬弧焊接對鋼進行加熱從而誘導鋼鋁連接。由于界面反應而形成2-40μm 的反應層，連接強度能夠達250N/mm。失效測試結果表明，失效發(fā)生在鋁合金一側熔合區(qū)或者鋼一側的反應層。Y.C. Chen 等[8]針對3mmAC4C 鋁合金與1mm 的鍍鋅鋼板搭接焊接結構，利用攪拌摩擦焊方法，分析了界面的組織分布特征，分析結果發(fā)現界面形成FexAly 等金屬間化合物。Mustafa 等[9]利用爆炸焊接方法，實現了鋁合金與低合金高強鋼或雙相鋼的焊接。試驗發(fā)現界面的反應層較薄，雙相鋼焊接接頭優(yōu)于低合金高強鋼的焊接接頭。Mohamad Noh 等[10]利用攪拌摩擦焊接方法，在較低轉速的條件下，實現中溫鋼和鋁合金的焊接。在摩擦時間為6s 時，中間層厚度達到480μm，摩擦時間為20s 時，中間層厚度達到196μm。通過控制摩擦焊接時間，能夠控制中間反應層的厚度。

Ranfeng Qiu 等[11]利用電阻點焊技術對A5052 鋁合金和冷軋鋼、SUS304 不銹鋼連接進行了研究，研究結果表明，界面反應層的分布對屈服強度影響較大。L. Tricarico 等[12]研究了Fe/Al爆炸焊接接頭，針對AA1050/ASTMA516 鋼的連接問題，采用爆炸焊接方法獲得過渡焊接接頭。S.D. Kore 等[13]利用電磁沖擊焊接技術實現了對鋁合金與不銹鋼的焊接。4.09KJ 的能量作用下，能夠實現0.25mm 厚的鋁合金與1mm 厚不銹鋼的焊接。針對超薄的鋁鋼焊接，H.T. Zhang等[14]利用冷金屬過渡技術僅需要熔化金屬表面的鋅層即可實現超薄鋁鋼焊接，最小可達到0.3mm 厚度，其焊接接頭斷裂位置如圖2 所示。M. Benachour 等[15]研究了雙絲焊接條件下的焊縫失效條件下的裂紋長大現象。針對鋁合金/鋼焊縫界面的中間層，Kwang Lee[16]等利用透射電鏡在界面中間層區(qū)域發(fā)現了100nm 大/小的鋁合金微粒子以及彌散分布的金屬間化合物。接近于焊縫位置的A6111 基體也表現了微細的晶粒結構。獲得了SPCC/A6111 鋁合金電磁壓力縫焊搭接接頭。

        此外，針對激光焊接、激光釬焊、攪拌摩擦焊、冷金屬過渡技術、電阻點焊鋁/鋼焊縫碳遷移、焊縫變形、焊接應力、疲勞等進行了模擬分析[17-26]，如圖3 所示。

在工業(yè)中，鋁合金/鋼焊接接頭已有應用。如在造船行業(yè)，鋁合金/鋼過渡接頭已經廣泛應用于豪華游輪的建造中，首先在鋼甲板上焊鋼質圍欄，然后將鋁上層建筑焊接在鋼質圍欄上，這就完成了鋁上層建筑與鋼船體的連接[2]。在汽車工業(yè)中，車身的鋁合金/鋁合金焊接接頭已經實現了自動化焊接，但由于車體型材較薄，鋁合金/鋼過渡接頭制備技術還不成熟，目前大部分采用鉚接技術。國內某汽車公司開發(fā)了一項利用點焊焊接鋼和鋁異種材料的技術，并將這一技術應用于最新的馬自達MX-5 跑車，這種焊接技術適用于制備形狀難以改變的合金材料，如鋁鑄件和高強度不銹鋼等。

2.2 電阻點焊技術在車身材料焊接中的應用

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，對汽車外殼材料的性能提出了更高的要求，并促進了產品用材的更新?lián)Q代。如為了改善汽車外殼的抗腐蝕性能，提高汽車的使用壽命，在汽車車身制造中大量采用鍍鋅鋼板代替普通冷軋鋼板；為了減輕車身總體重量，節(jié)省能源消耗，世界各大汽車公司正在開發(fā)鋁合金或鎂合金車身的汽車。由于在汽車車身等薄板結構的裝配制造中，大量采用電阻點焊方法，為保證焊接質量，研究鋁合金、鍍鋅鋼板高強鋼等新材料的電阻點焊性能已成了非常迫切的任務，近年來，各國焊接工作者就此方面做了大量的理論及實際研究工作，并取得了一定的成績[27]。電阻焊(resistance welding)是將被焊工件壓緊于兩電極之間，并施以電流，利用電流流經工件接觸面及鄰近區(qū)域產生的電阻熱效應將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)，使之形成金屬結合的一種方法。鋁合金熔點低、屈服強度低、導電導熱性能良好以及存在表面氧化膜等特點，給電阻點焊帶來了很大的困難，在鋁合金點焊電極壽命研究方面，美國沃特盧大學的Lum, L 研究了5182 鋁合金電阻點焊電極壽命中，研究表明：從電極衰退到最終失效主要經歷了鋁剝離、鋁與銅合金化、電極端面蝕斑及電極端面凹坑四個階段，蝕斑和凹坑起源于鋁的剝離和合金化。

電阻焊接被認為是進行鋁制車身裝配過程中所采用的一種最簡便快捷的焊接技術。目前，汽車用高強鋼板電阻焊、鋁合金電阻焊已經進入工業(yè)化階段，目前各國焊接學家對高強鋼電阻焊的研究主要集中在各種高強鋼的可焊性、焊接規(guī)范參數對焊點組織性能的影響、焊接程序和工藝的優(yōu)化等方面。

3．鋼/鋁焊接技術的應用及探討

3.1 產品背景：

隨著國內汽車工業(yè)及鐵路機車的迅速發(fā)展，車用鋁合金零件的應用正越來越廣泛。高強度鋁合金零件在很多場合可替代鋼制零件，為降低能耗和提高性能，以擴大鋁合金在汽車上的用量實現汽車的輕量化是當前的技術發(fā)展趨勢。同時也因此對傳統(tǒng)的制造技術提出了新的要求。所涉及的內容包括，車體材料高強度鋁合金與車底鋼質材料的焊接技術以及基于鋁合金/鋼焊縫的質量保障保障系統(tǒng)。

車體、框架、底架通常用Al- Mg-Si 系高強度6005A 鋁合金、Al- Zn-Si 系7075 高強度鋁合金（抗拉強度在570Mpa 以上）等；車底為鋼質材料，其工藝特點主要為：

（a） 淬火條件下強度高、塑性差、焊接性很差、裂紋敏感性強；

（b） 焊接時焊縫及近縫區(qū)晶界液化嚴重；

（c） 材料的焊接對氣孔尤其是氫氣孔的敏感性強。

3.2 存在問題：

目前國內車體鋁合金/鋼連接處于研發(fā)狀態(tài)的主要采用電阻焊接、電弧焊接以及激光焊接技術，但是，在車體、框架、底架與車底材料之間的連接方面，還主要采用鉚接工藝，這是因為焊接質量不穩(wěn)定，焊接一次合格率低。

目前車體焊接結構連接問題可以歸納為：

（1） 鉚接工藝，耗費大量材料的同時，也難以滿足現場和焊接質量要求；

（2）由于焊接工藝變化范圍大，焊后變形復雜，難以精確控制，由于局部焊接變形導致整體結構的嚴重變形，導致無法進行熱加工連接產品。

3.3 發(fā)展需求：

鋁合金的生產制造工藝已經成熟，目前針對汽車工業(yè)、航空工業(yè)以及造船工藝的大型鋁型材已經進入工業(yè)化階段，在國內外節(jié)能降耗大趨勢的背景下，汽車、列車輕量化幾乎成為必然趨勢，車體鋼/鋁結構一體化趨勢尤為明顯，目前，在車體與底座的連接中，使用大量的鉚接材料，車身重量大大增加。從車體焊接技術開發(fā)的發(fā)展趨勢來看，有兩方面的需求：

（1）新型的焊接技術，解決目前車體結構與底座的連接問題，實現整車的輕量化為高速列車耗能降低提供技術支持。

（2）迫切要求采用先進、高效的焊接自動化生產方式。車體的可靠性與
產品質量的要求不斷提高，尤其是近年對焊接質量頒布的多項強制性標準，迫切要求對車體結構焊接質量建立可靠的質量保障體系，實現對焊接質量的科學、嚴格、系統(tǒng)的控制。因此，開展此項研究對推動焊接技術在車體輕量化領域中應用以及提高軌道交通、高速鐵路焊接制造現代化水平具有重要意義。

．結論

綜合了國內外的鋼/鋁焊接技術研究進展現狀，可見汽車車身鋼鋁結構一體化已經取得了非常重要的進展。但是，各種不同材料的力學性能、連接技術以及形成規(guī)律的研究還不完善，當前鋼鋁結構一體化的研究工作迫切需要圍繞如下方面展開：

(1) 開展鋼鋁結構一體化汽車零部件關鍵技術研究，包括鋼/鋁焊縫成形、鋼/鋁焊接接頭的力學性能、耐蝕性能。

(2) 深入研究鋼/鋁焊縫界面微觀條件下的成形機理，包括元素擴散與力學性能之間的關系等。