铝-钢异种材料的焊接

大连理工大学科技成果——铝-钢异种金属弧焊技术
一、产品和技术简介：
铝或铝合金与钢之间的热物理性能差异较大，尤其是熔点、比重、热膨胀系数等的巨大差异，导致铝与钢之间难以直接进行弧焊。

为了实现铝与钢之间的可靠焊接，经常需要在钢表面镀上锌、铝或其他金属，或者在铝与钢之间放置过渡层金属或双金属片，从而将铝与钢之间的焊接转化为铝与过渡层金属之间的连接。

然而，在钢表面镀过渡层金属增加了工艺步骤和制造成本，而且，即使增加了过渡层金属，也并不能保证铝-钢焊接接头的可靠性。

该技术可以直接将铝合金与不锈钢采用弧焊技术连接在一起，钢表面不用镀过渡层金属。

拉伸测试结果表明，铝-钢接头断裂在铝合金母材区。

该弧焊技术有利于实现铝-钢异种金属焊接制造过程自动化，提高生产效率。

二、应用范围和生产条件：
该技术可以应用于存在铝-钢异种金属连接的结构中，将铝合金与不锈钢各自的性能优势有效结合起来。

三、获得的专利等知识情况：
铝合金/钢异种金属弧焊技术为本课题组自主研发技术，相关成果已经在国内外学术期刊公开发表，具有自主知识产权。

四、规模与投资、成本估算：焊接成套设备30万。

五、提供技术的程度和合作方式：共同开发或技术转让。

六、产业化程度：目前，该项技术处于实验室阶段，受国家自然科学基金和辽宁省自然科学基金资助，技术条件较为成熟。

浅议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。

异种金属焊接问题及焊接工艺分析摘要：近年来，我国的科学技术水平不断提高，各种新设备、新技术、新工艺应运而生，随之对我国的工程构件的质量提出了更高的要求。

但是在进行工程施工时，不论是哪一种材料，都不可能全面满足施工的需求。

为了能够满足施工的需求，人们开始将不同的材料进行有效融合，让这些材料的性能得到了充分的发挥。

同时还能够有效替代贵重金属，减少不必要的经济投入，提升企业的经济效益。

所以在社会的各个行业之中，经常可以看到异种金属焊接的广泛应用。

但是，近几年我国经常发生异种金属焊接失效的情况，造成了一定的财产损失和人员伤亡。

关键词：异种金属；焊接；焊接工艺；特点一、异种金属焊接的特点在各种加工制造行业中，采用铝合金与钢为基本材料的金属构件已经成为了一种主流，铝合金具有质量轻、耐腐蚀性强、塑性好等特点，钢则是目前机械加工行业最常见的金属材料之一。

常见的二者连接方式一般分为两种，第一种是采用粘结的方式，这种方式接头的机械强度非常有限，无法满足高强度的焊接要求，因此使用的情况比较少。

另外一种就是机械连接，机械连接虽然能够实现高强度的连接，但是无法保证连接的气密性，而且进行机械连接会留下连接痕迹，影响美观。

因此焊接成为了异种金属的连接中最常用的连接手段，由于铝与钢的物理性能存在较大的差异，所以给焊接过程带来了一定的难度，具体包括以下几点：①熔点不同。

众所周知，不同金属的熔点不同，铝材料的金属熔点低于钢。

这就导致在两者进行焊接时，铝材料已经完全融化，整体呈现液态，而钢仍处于固态。

②密度不同。

二者之间的密度也不同，由于液态的铝水比钢水的密度小，所以尽管二者同时融化，那么也会出现铝水浮在钢水上的现象，这样就会导致在进行冷却、定型时，容易出现金属之间融合不均匀的现象，导致整个金属接头性能不理想。

③热导率不同。

由于二者之间的密度和热导率都不相同，加上线膨胀系数存在很大差别，因此在进行焊接的时候，就会造成焊接接头的变形，如果变形十分严重的话，还会产生焊接金属裂纹。

铝钢异种材料焊接研究现状与发展作者：郑小明来源：《数字化用户》2013年第29期【摘要】当今科技的高速发展无疑让各个领域的技术都得到了滋润的甘露，在工业这一块儿，尤其如此。

改革开放以来，国内一直实行科学发展道路，全面推出可持续发展战略，这就推动了一些产业的技术革新，像铝钢异种材料的焊接技术在新世纪的今天就有了极大的发展。

但是，从总体来讲，这些异种材料的焊接技术发展的速度还比较缓慢，整体上可走向产业化发展。

【关键词】铝钢焊接技术产业化新中国成立以来实行的科技强国战略全面推动了科学技术的发展，越来越高的经济水平也要求相应的“绿色生活”出现，随之而来的需求催化了异种材料混合的诞生，而铝合金就是其中的典型。

铝合金是由铝和钢等其他一些异种材料通过焊接技术得来的焊接物，这种新型的钢材具有轻和硬度强的特点，如今在航天航空业、船舶制造业等机械制造业方面应用得十分广泛。

不过，铝钢这种异种材料焊接则在技术上的要求更高。

这几年，通过国家的大力研究已经研究出了一些焊接技术，像常见的激光焊、钎焊、电子束焊等等，不过这些技术应用在铝钢的焊接上还存在着一些问题，需要进一步地研究才能推进铝合金材料的大量生产和广泛应用。

一、当下铝钢异种材料焊接存在的情形异种材料的焊接具有一定的难度，尤其是铝钢这一类的金属，既要分析它们各自的活泼程度、熔点等化学属性，同时又要考虑到它们结合的材料是否会具有大众所需的轻、薄等物理属性。

而且，对于一些反映比较大的材料，在接口处可能会出现变形或裂纹，从而导致接口易损且易断。

现如今在铝钢异种材料的应用方面使用得最广泛的焊接技术，莫过于通过熔化来实现焊接的熔焊、利用压力实现焊接结合的压焊以及采用不同种类的钎料来实现异种材料的融合的钎焊。

（一）熔焊技术在铝钢异种材料中的应用所谓熔焊，是非常常见的一种焊接方法，它指的是通过电流、激光和气体等方式来对两种相同和不同的材料进行对接。

在焊接的过程中，熔焊需将焊接接头拿到高温下进行融化，然后再将两个被焊的接头紧紧连接在一起，之后经过冷却、重力等工序完成两个工件的融合。

关键 词 ： 熔 一钎焊 接 铝合金／ 复合结构 钢 异种金属焊 接 研究进展
中图分类号 ： Ｔ ４ ７ １ Ｇ ５ ．７
０ 前
言
头 强度 ， 受工 件形 状 和尺 寸 的限制 ， 但 应用 范 围和 接 头
形式受到了很 大的限制。另外 ， 一些传统 的铝合金 与
钢 机械 连接 方法 如铆 接 、 栓 连 接都 有 各 自的不 足 ， 螺 而 不 能满 足 日益 发展 的 铝 合 金／ 复 合 结 构 在 密 封 及 表 钢
铝 与铁 的热 物 理 性 能 相 差 很 大 ， 因而 给 铝 和 钢 的
熔 化焊 带来 了很 多 困难 。表 １列 出了 铝 和铁 的主 要 热
间化合物 ， 严重 恶化接 头的力学性能 ， 而使铝合金／ 从 钢熔化焊接头失去了应用价值 。对于钎焊和摩擦焊等 固相连接方法来说 ， 虽然可以得到较高的铝合金／ 钢接
参考。 １ 铝 与 钢焊 接 时存在 的 问题
焊、 钎焊 、 爆炸焊、 扩散焊 、 电阻焊和激光 焊等 ， 可分 为 熔化 焊 、 焊和 固相 焊 三大 类 。对 熔 化 焊来 说 ， 钎 由于铝
与 钢两 种金 属 在 固态 下 几 乎 不 固溶 ， 热 物 理 性 能差 且
异较 大 ， 焊 接接 头 内极 易生成 硬 而脆 的 Ｆ 在 ｅ—Ａ 金属 １
收稿 日期 ： ０ ０—１ ２ ２ １ ０— ９
物理性能参数Ｈ 。 Ｊ 从表中数据可知 ： （ ）由于铝和钢 的熔 点和密度相差均 比较大 ， １ 当 钢完全熔化时 ， 液态铝浮在钢表面上 ， 冷却结晶后焊缝 成分很不均匀 ， 严重降低 了接头的质量 。此外 ， 铝易氧
基金 项 目： 国家 自然科学基金资助 项 目（ ０ ０ ０ ９ ； ５ ９ ５９ ） 教育部博士 点基金

04 铝合金与不锈钢的异同点
材料特性比较
铝合金
轻质、高强、耐腐蚀，良好的导 电和导热性能，易于加工成型。
不锈钢
高强度、耐腐蚀、美观，良好的 焊接性能，但导热导电性能较差 。
焊接工艺比较
铝合金
常用的焊接方法有TIG、MIG、激光 焊等，焊接过程中需要严格控制焊接 参数和保护气体的选择。
不锈钢
常用的焊接方法有电弧焊、激光焊等 ，焊接过程中需要控制焊接速度和电 流电压，以保证焊缝质量和美观度。
航空航天领域铝合金焊接
铝合金因其轻量化和高强度特性在航空航天领域广泛应用，焊接工艺需满足高强 度和耐腐蚀要求。
不锈钢焊接实例
不锈钢厨具焊接
不锈钢厨具在生活中常见，焊接时需考虑材料的耐腐蚀和美 观性，确保焊缝光滑、无瑕疵。
石油化工领域不锈钢管道焊接
在石油化工领域，不锈钢管道焊接需确保高强度和耐腐蚀， 防止介质泄漏和腐蚀。
随着技术的进步，铝合金与不锈钢的 焊接工艺将更加高效，能够实现快速、 高质量的焊接，提高生产效率。
随着环保意识的提高，无污染或低污 染的焊接技术将受到重视，如激光焊 接、气体保护焊接等。
智能化焊接
焊接工艺将朝着智能化方向发展，通 过自动化控制系统实现精确控制焊接 参数，提高焊接质量。
对未来研究的建议
。
后热处理
某些铝合金需要进行后热处理 以提高焊接接头的性能。
焊接缺陷及预防措施
裂纹
选择适当的焊接方法和参数，控制热 输入量和冷却速度，减少裂纹的产生。
气孔
选择适当的保护气体和清洁母材表面， 控制熔池温度和保护气体的流量，减 少气孔的产生。
未熔合
控制焊接电流和速度，保持适当的焊 缝间隙和角度，减少未熔合的产生。

然而，当焊接接头的IMP脆性相的厚度非常薄时(< 10 µm )，它的脆性特点就变成次要的，这时玻璃=柔软的）
另一主要问题腐蚀问题，由于两种材料电化学电位差别较大，只要存在电位差，就会有电解发生（原理相当于电池），而铝电位低，因而是负极，会随着电解而腐蚀。
图-4低放大倍率的接头图图-5接头的晶向图
从图-4图中可以清楚看到，铝这边是熔焊上的，而钢这边是钎焊上的。
从图-5可以看到，IMP脆性相只有2.41µm。
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。表二是种测试的强度平均值
1
由于两种材料有着不同的化学和物理性能，如熔点、热膨胀系数、弹性模量等（见表-1），因而通过热加工的焊接工艺来焊接钢与铝时会面临许多问题。
名称
单位
钢
纯铝
熔点
°C
1536°C
660°C
弹性模量
N/mm²
20400
6750
密度（20℃）
g/cm³
7.87
2.7
热传导率
W/mK
46
222
标准电压（在25℃）
V
-0.44
-2.34
表1钢和铝的物理性能
最大的问题是铝与钢易形成非常硬和脆的IMP相（intermetallic phases），并且焊接热输入量越大，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，以及恶化接头的塑性。
图1二元的AL-Fe相位图
在图中左边可以看出铁在固熔状态下是可以熔解一部份铝，但当铝的含量超过12%时，晶体结构发生根本的改变，形成FeAL(β)，Fe3Al(β)混合物，这些混合物是非常硬(250-520HV)和脆的。如果铝在铁中的含量进一步提高，就会形成Fe2Al(ξ), Fe2Al5(η)和FeAl3(θ)混合物，这些混合物硬度更高(600 – 1100 HV)，更脆。这种脆性物的产生是由于铁在铝中的扩散或是铝在铁中的扩散。当两种不同材料电化学电位有差别时，就会发生分子扩散以弥补电位差，电位相差越大时（铁和铝的△E~1.22 V），扩散的趋势就越大，如果两种材料都是处于液态，则扩散就更容易。

异种金属的焊接本文分析了异种金属焊接的研究现状、应用和发展趋势，旨在为异种金属焊接研究提供帮助。

焊接是现代工业生产中的重要金属加工工艺方法，广泛应用于造船、航空、航天、汽车工业和机械制造等领域。

随着科学技术的发展，异种金属的焊接技术发展越来越快，质量要求也越来越高。

因此，研究异种金属的焊接工艺技术已成为焊接领域的一种发展趋势。

1.异种金属的焊接研究现状1.1 铝钢异种金属焊接研究现状近年来，汽车工业为了节约燃料、保护环境、不断努力减轻汽车重量，对汽车材料提出了更高的要求。

增加铝材的使用量是其中的重要措施之一。

因此，在汽车工业生产中，采用“钢+铝”双金属焊接结构成为汽车轻量化的首选方案，这必然涉及到铝和钢两种材料之间的连接。

目前，应用于铝和钢连接的焊接方法主要有压焊、钎焊、熔焊、扩散焊、电弧焊、激光焊和磁脉冲焊等。

铝钢之间的焊接一直是焊接领域的难点和热点问题，其中脆性金属间化合物的生成是影响接头性能的主要因素。

压力焊和钎焊由于基体可以在焊接过程中保持固态，同时焊接热输入容易控制，因此接头的性能一般不受限于金属间化合物的厚度，比较适于铝钢之间的焊接。

但是这种焊接方法效率较低，对工件的尺寸和形状有特殊的要求，不适于大批量生产。

熔焊方法比较灵活，效率较高，但是金属间化合物又成为不可避免的附加产物。

虽然采用熔钎结合的方法已经获得了很好的效果，但是对于金属间化合物的生长动力学以及如何促进铝合金熔体润湿钢板表面等方面还没有系统研究，因此，解决上述问题对于促进高效的焊接方法在铝钢焊接中的应用具有重要的意义。

1.2 铜钢异种金属焊接研究现状采用钢和铜复合零部件因在性能与经济上优势互补，具有广阔的应用前景。

世界各国的研究者对铜和钢的焊接进行了实验和理论分析，目前常用的焊接方法有熔焊、压焊、钎焊和熔焊-钎焊等。

不需要删除明显有问题的段落。

每种焊接方法都有其独特的特点和适用范围。

其中，冷金属过渡焊接是一种相对较新的焊接方法，具有广阔的应用前景。

专题综述滋蕊铝/钢异种金属旋转摩擦焊接研究现状朱瑞灿1'4'5,赵衍华！，王浩$,秦国梁$%,刘顺刚％,张凌东&(1.首都航天机械有限公司，北京100076#2.山东大学，济南250061#3.中国电建集团核电工程公司，济南2500674.清华大学，北京100072#5.机械科学研究总院，北京100044#%.火箭军驻北京地区第一军代表室，北京100076)摘要：根据铝/钢异种金属焊接冶金特点及旋转摩擦焊接工艺特点,分析认为旋转摩擦焊最适合铝/钢异种金属轴对称件焊接的工艺。

分别介绍了连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊接工艺对铝/钢异种金属焊接接头的组织和性能的影响。

总结了铝/钢异种金属摩擦焊接技术研发中亟待解决的主要科学问题，铝/钢旋转摩擦焊过程中摩擦界面及其附近剧烈的塑性流变对IMCs生成的影响规律和机制需要进一步的研究;需要开发相应的工艺措施促进铝/钢接头界面成以Fe-AlIMCs为标志的冶金结合，并使IMCs%。

最，研究揭示铝/钢摩擦界面IMCs生成机理、相的组成、形态、分布等冶金行为，对铝/钢旋转摩擦焊接头的组织性能调控具要，铝/钢异种金属焊接结构性能的理。

关键词：铝/钢异种金属；旋转摩擦焊；焊接工艺；力学性能；金属间化合物中图分类号：TG457.10前言、、等工业的迅速发展，能和等问题，节能发的-铝合金具、、成等优点，是结的主要结；但单一铝合金能满要求，铝合金/钢(铝/钢)复合结3能够充分发挥两种材料的性能优势，的的强度等性能，、、冶金、等工域具应[+]，发动机铝/钢异种金属[2]、开发用铝/钢异种金属合钻杆⑻及LNG中铝/钢过接头等,均为典型的铝/钢异种金属管式焊接结构，而这些铝/钢复合结构的应用与开发都面临着铝/钢异种金属高强、高可靠性焊接技术瓶颈。

铝/钢异种金属焊接是制备铝/钢复合结构的关键加工制造工艺，常规的3接、螺栓连接等机械连接方法虽然可以实现铝/钢的连接，但存密性差、效果差等缺点，因此难等行业对铝/钢复合结构的要求，需要合适的焊接工艺实现铝/钢异种金属、可靠连接"收稿日期：2020-09-16基金项目：山东省重大科技创新工程项目(2018CXGC0810)doi:10.12073/j.hj.202009160021铝/钢异种金属焊接性分析图1为Fe-Al二元合金相图⑷。

8.1 异种材料的分类、组合及焊接性特点
8.1.1 异种材料的分类和组合
材料种类繁多，性能各异，按工程实际需要，异种材料的分类和组合在工程中是多种
多样的。从材料的组合与特点看，异种材料的分类和焊接组合主要包括异种钢的焊接、异
种有色金属的焊接、钢与有色金属的焊接、金属与非金属的焊接四种情况，见表 8-1。
表81异种材料焊接的分类组合及特点分类异种材料焊接组合焊接问题实例1异种钢焊缝化学成分不均匀熔合区塑性降低脆性层产生裂纹应力分布不均匀如珠光体钢与奥氏体钢的焊接复合钢的焊接结构等2钢与有色金属氧化导致的未熔合气孔裂纹接头力学性能低如钢与铝的焊接钢与铜的焊接3异种有色金属氧化性导致的未熔合脆性相气孔裂纹如铜与铝的焊接铝与钛的焊接等4金属与非金属界面结合润湿性脆性相裂纹接头性能下降如钢与石墨的焊接金属与陶瓷的焊接金属间化合物与钢的焊接等各种类型的钢铁材料在现代工业中应用最广泛不同化学成分和金相组织的异种钢焊接在工程结构中也应用较多这类结构件主要分以下几种情况
(3) 材料的表面状态 材料的表面状态，如表面氧化层（氧化膜）、结晶表面层、吸 附的氧离子和水分、油污、杂质等，直接影响异种材料的焊接性，必须给予充分重视。生 产中往往由于表面氧化膜和其他吸附物的存在给焊接带来极大的困难。
此外，焊接异种材料时，必定会产生一层成分、组织及性能与母材不同的过渡层，过 渡层的性能给焊接接头的整体性能有很大的影响。过大的熔合比，会增加母材对焊缝金属 的稀释率，使过渡层更为明显；焊缝金属与母材的化学成分相差越大，熔池金属越不容易 充分混合，过渡层越明显；熔池金属液态存在的时间越长，越容易混合均匀。所以，焊接 异种材料时需要采取相应的工艺措施来控制过渡层，以保证接头的性能。
4
性能的不均匀性以及出现过大的焊接应力。这种过大的焊接应力是由于线膨胀系数的不同 引起的，因此不能通过热处理的方法消除，会使异种材料焊接件的使用性能和可靠性大大 降低。严格地说，完全均质的焊接接头实际上是不存在的，因为焊缝金属与基体金属之间 总会有化学成分和组织性能上的某些不均匀性，特别是对于异种材料的焊接，但这并不影 响结构的组合及特点

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。

浅谈钢铝转换接头焊接工艺曹先俊（中国化学工程第三建设有限公司，安徽淮南232000）摘要：钢铝转换接头在空分工艺中被广泛运用，因其异种接头本身的焊接特点，必须采取特殊的工艺措施和选择合适的焊接方法，才能获得满意的焊接质量。

本文从钢与铝的焊接特点，逐步论述钢铝转换接头的焊接工艺。

关键词：钢铝转换接头焊接工艺0前言随着空分装置在工业上的不断发展，钢与铝在其工艺上被广泛地运用。

因而，在空分工艺施工当中难免会遇到钢铝异种金属焊接问题。

而钢铝异种金属焊接因它们之间的物理性能，化学成分的差别，在焊接过程中会产生许多焊接难题。

特别在施工现场，很难有效地解决这些焊接难题，也不能保证钢铝异种金属的焊接质量。

多年的施工实践，发现如果在钢与铝接头部位使用钢铝转换接头代替钢铝异种金属焊接，能快捷、方便、有效地保证了焊接质量。

如何掌握钢铝转换接头的焊接工艺，是选择正确的工艺措施和焊接方法的关键。

本论文将阐述在空分装置中，钢铝转换接头的焊接工艺。

1钢与铝焊接特点及主要问题由于铁与铝在焊接过程中处于化合物状态，使焊缝的强度和硬度提高，塑性降低，因此钢与铝的焊接性较差，故焊接时存在以下问题：1）被焊接头容易被氧化；2）焊缝成分不均匀；3）焊接变形较大；4）焊接接头容易产生裂纹。

钢与铝焊接时，存在以上困难，必须采取特殊的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，如采用摩擦焊、楔焊法、真空扩散法等焊接方法又不符合现场实际情况。

因此，使用钢铝转换接头可有效避免焊接难度，提高焊接质量。

2钢铝转换接头焊接特点及主要问题钢铝转换接头一般是通过机械压紧方法使钢与铝形成接头。

在使用过程中，接头铝部分与铝材质焊接，钢部分与钢材质焊接。

但由于钢与铝的热导率、线性膨胀系数相差较大（见表1），焊接时易引起接头部分严重变形，甚至导致裂纹。

因此，如何掌握焊接工艺是保证钢铝转换接头焊接质量的关键。

表1铝的热特性值（与铁、铜的比较）3钢铝转换接头焊接工艺利用机械加工方法车削坡口；坡口形式可根据焊接方法，焊接条件，使用目的来确定，主要依据ASMEB16.25中的壁厚划分及坡口形状，并使其符合ASME ，ANSI 等相应标准。

铝钢异种金属焊接
• 铝钢异种金属焊接概述 • 铝钢异种金属焊接的难点与挑战 • 铝钢异种金属焊接的焊接方法与材料
选择 • 铝钢异种金属焊接的应用案例 • 铝钢异种金属焊接的发展趋势与未来
展望
01
铝钢异种金属焊接概述
铝钢异种金属焊接的定义
01
铝钢异种金属焊接是指将铝和钢 两种不同金属通过焊接工艺连接 在一起的过程。
压力容器制造中的应用
总结词
在压力容器制造中，铝钢异种金属焊接的应用主要是为了满足压力容器的密封性和耐腐蚀性要求。
详细描述
压力容器是一种用于存储气体或液体的设备，需要具备高强度、密封性和耐腐蚀性。通过铝钢异种金 属焊接，可以实现压力容器的制造，提高其密封性和耐腐蚀性，延长使用寿命。这种技术的应用对于 保证压力容器的安全性和可靠性具有重要意义。
电弧焊接
适用于大型结构件或厚板的铝钢异种 金属焊接，具有较高的生产效率和较 低的成本。
焊接材料选择
铝侧填充材料
01
选择与母材铝相容性好、熔点接近的铝填充材料，以保证焊接
质量。
钢侧填充材料
02
选择与母材钢相容性好、熔点接近的钢填充材料，以保证焊接
质量。
过渡层材料
03
在铝钢异种金属之间添加过渡层材料，以减小熔合区的不均匀
焊接接头的强度和耐腐蚀性
强度下降
由于铝和钢的物理性质存在较大差异 ，导致焊接接头处的强度可能低于母 材。这限制了铝钢异种金属焊接在需 要高强度连接的应用场景中的使用。
耐腐蚀性问题
铝和钢的电化学性质不同，导致在焊 接接头处容易出现电化学腐蚀。这种 腐蚀可能削弱焊接接头的强度，影响 其使用寿命。
03
热导率差异
铝的热导率较高，而钢的热导率较低。 这意味着在焊接过程中，铝的热量散 失较快，而钢的热量散失较慢，导致 焊接困难。

冷却结晶后焊缝成分不均匀 , 使得焊接接头的性能降 低 。目前 ,铝与钢很难用熔化焊直接焊接 。 ( 2 ) 铝及其合金与钢焊接过程中 , 在铝母材表面
焊接 2006 ( 4 )
・17・ 爆炸焊是利用炸药爆炸时的可控能量 , 迫使两种 或两种以上的金属形成高质量的冶金结合的连接方 法 。爆炸焊是一种高压过程 , 在这个过程中由于两种 金属材料的碰撞 , 其表面的薄膜以塑性的方式从基体 上喷射出去 ,爆炸焊的时间非常短 , 以致结合材料间的 反应区 (或热影响区 ) 很小 , 而且少数原子由于碰撞速 度高 ( 200 ～500 m / s)而变成“ 浆状物 ” ,爆炸完成后“ 浆 状物 ” 迅速地冷却 ,剧变区形成一种金属与另一种金属 的熔合线 ,从而实现两种金属的连接 。 在各种焊接方法中 , 爆炸焊可以焊接的异种金属 的组合的范围最广 , 原则上讲爆炸焊可以应用于一切 异种金属的连接
接能够得到强度较高的连接接头 , 但是连接接头的气 密性无法保证 , 而且连接后一般会留下明显的连接痕 迹 ,这对一些表面要求非常高的工件 (如汽车覆盖件 ) 很难满足要求 。焊接作为一种最常用的连接手段 , 在 异种金属的连接中得到了较为广泛的应用 。
1 铝 /钢异种金属的焊接性
表 1列出了铝和铁的一些主要的物理参数 。从表 1 对两种金属物理性能参数的比较来看 ,铝与钢的金属性 能有很大的差异 。性能的差异是导致铝与钢焊接性较差 [1] 的主要原因 。铝与钢焊接中存在的主要问题有 :
[9]
镀锌钢板进行了摩擦焊的试验研究 ,试验得到的搭接接 头强度要好于相同条件下铝与非镀锌钢得到的接头强 度 ; X射线分析表明焊接接头有金属间化合物生成 ,化合 物主要以 Fe4 A l13和 Fe2 A l5 形式存在

激光功率：3.5KW
焊接速度：2.2m/min. 离焦量：-1mm 保护气体：90%Ar+10%He (25L/min.侧
吹，与板材平面成40度角）
铝
钢
渗透层 ≤0.5mm 图1 钢与铝搭接激光焊示意图
铝合 金板
镀锌 钢板 图2 镀锌钢板与铝合金焊接接头微观组织
3. 小结
异种材料焊接性较差，需采取特殊工艺措施来获得符合要
铝和钢的激光焊接
课程名称：激光焊接工艺实践 承担单位：浙江工贸职业技术学院
钢铝异种材料的激光焊接
1. 教学目标
了解不同性质的两种材料（异种材料）的焊接性特点，
学习分析生产这中常用的铝和钢的焊接性问题，掌握激光 焊接工艺要点。
2. 钢和铝异种材料的激光焊接
2.1 异种材料的焊接特点
1）异种材料焊接的概念
这些性能差异越大，焊接性越差。异种材料焊接的主要问题包括如下几个方面：
b.异种材料焊接过程中容易在接头处形成新的组织或化合物，使接头性能恶化；
d.异种材料焊接接头因热应力和低塑性容易导致产生裂纹。
2.2 钢与铝焊接的主要困难
（1）由于两种材料的熔点、导热系数、线胀系数、力学性能差 异大，焊接时不同时熔化，难熔合而导致裂纹倾向较大； （2）熔焊过程容易生成脆性化合物：FeAl3、Fe2Al、Fe2Al7等；
（3）铝在高温时生成的Al2O3影响熔合；
根据钢铝焊接时容易出现的问题，需要采取的措施如下： （1）在钢的表面钎焊一薄层Zn或Ag等过渡金属后熔焊；
（2）对接时，坡口开在钢一侧，焊接时热源偏向铝侧，防止
过渡层蒸发；
（3）采用惰性气4mm厚碳钢与铝板搭接,钢在上面：
是指不同化学成分、不同组织性能的两种材料的焊接。 生产实践中经常会涉及到不同钢材之间的焊接，如珠光体钢 和奥氏体钢；钢与有色金属之间的焊接，如钢和铝的焊接；有色 金属之间的焊接，如铜和铝的焊接；甚至工程上要求金属和非金

铝钢异种金属焊接研究现状摘要：随着经济和科技的快速发展，铝及其合金具有密度小、比强度高、能显著降低结构的重量，而钢铁合金具有强度高，塑韧性较好、价格便宜、可加工性好的特性，广泛应用于机械加工制造。

因此，采用“铝+钢”复合结构可以充分发挥铝钢各自优势，提高结构强度，减轻结构质量，是实现汽车轻量化的有效途径之一。

铝／钢异种金属焊接是制备铝／钢复合结构的关键加工制造工艺，常规的铆接、螺栓连接等机械连接方法虽然可以实现铝／钢的连接，但存在气密性差、减重效果差等缺点，因此难以满足航空航天等行业对铝／钢复合结构的要求，需要合适的焊接工艺实现铝／钢异种金属高强度、可靠连接。

关键词：铝／钢异种金属；旋转摩擦焊；焊接工艺引言铝和钢之间的焊接问题都是难点，但是铝及铝合金应用非常广泛，人们越来越关注铝与钢的连接问题。

首先介绍了钢铝异种金属的焊接性问题，然后介绍了当前存在的集中焊接方式，各有利弊，有些焊接研究还不够深入，需要广大学者进一步努力，推动异种金属焊接技术的不断进步。

1铝／钢异种金属焊接性分析铝与铁的物理性能差异较大，使得了铝／钢异种金属熔化焊接性很差：①铝的熔点和密度比钢低，这导致铝先比钢熔化，当钢熔化时，液态铝浮在钢表面，结晶后焊缝成分不均匀，难以获得高质量的接头；而且在焊接过程中，铝易氧化形成薄膜，使液态铝在钢表面的润湿能力降低，产生夹渣等缺陷，降低接头质量；②铝的热导率、线膨胀系数、弹性模量分别约为铁的３倍、２倍和０．３３倍，相差较大，会使接头严重变形，并在内部产生较大的残余应力，易产生裂纹。

因此，铝／钢采用传统的熔化焊接时会产生大量脆硬的金属间化合物，难以获得优质的接头，但因铝／钢复合结构能够满足某些特定的使用要求，有着广泛的应用前景，引起了国内外研究者的广泛关注。

摩擦焊作为一种固态连接工艺，热输入低，在异种材料连接方面有着其它焊接工艺难以取代的优势。

近些年来，国内外学者针对铝／钢摩擦焊展开了较多的研究。

铝与钢异种金属焊接的深入研究及其发展概况的分析【摘要】：随着社会的不断发展，人们对环保问题越来越重视，我国的汽车行业为了大力的提倡保护环境的理念，一直在努力减轻自身的重量。

铝建材的使用是重要措施之一，很多企业采用了铝与钢的异型金属焊接方式，很大程度的减轻了汽车的自身重量，本文就铝与钢的焊接问题进行研究与讨论。

【关键词】：铝；钢；异形金属；焊接；中图分类号：g71一、铝与钢异形金属焊接首先我们对铝和钢的物理特性进行研究和分析，铝的熔点为660℃、比热为900℃、密度为2700p、热导率为220、电阻率为265、弹性模量是71；铁的熔点为1538℃、比热为460℃、密度为7870p、热导率为73、电阻率为13.30、弹性模量为210；铝和铁的熔点为0.44℃、比热为1.96℃、密度是0.34p、热导率为3.01、电阻率为0.20、弹性模量为0.33，从以上物理数据我们可以看出，铝和钢的金属性能有很大的区别，这也是导致铝与钢焊接性能差的原因，其中主要存在的问题有：⑴铝和钢很难进行直接的焊接，因为它们的熔点和密度不同，钢的熔点较铝高，当铝熔为液体时，钢仍然处于固态；其次密度问题当钢融化后，液态的铝会浮在钢水上，当液体冷却后它们所焊接的成分不均匀，导致焊接头性能降低。

⑵钢和铝的热导数相差很大，容易产生焊接头变形和产生裂纹。

二、焊接方式目前，我国铝和钢的焊接方式主要以下几种：摩擦焊接、爆炸焊接、电弧焊接、钎焊接、激光焊接、扩散焊接和磁脉冲焊接等。

⑴摩擦焊接。

摩擦焊接是以机械能作为能源的固相连接法。

它主要是利用机械的两表面相互摩擦产生热来进一步实现金属的连接。

对于铝和钢来说，摩擦焊是非常有效的焊接方式。

摩擦焊可以有效的破坏铝表面的氧化膜，降低它的有害作用。

在1981年有研究学者证明金属间的化合物是影响铝与钢实现焊接的主要问题。

科学家们通过大量的试验最终得出结论，虽然摩擦焊可以把铝与钢很好的进行焊接，并得出焊接接头，但是要做出复杂的形状是不能使用这个模式的，所以我们还需继续研究与探讨。