ｒ蜉掳专题综述 ～
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（１５０００１） 何欢陈哲林三宝 范成磊杨春利
摘要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 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：ＴＧ４５７．１
０前 言
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
构产生了越来越浓厚的兴趣，也就是说可以将不同材 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
铝合金的复合结构，在大多数情况下则还是更经济和
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
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 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 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：２０１３—０６—１３ 基金项目：国家自然科学基金（５０８７４０３３）。
１８ ２０１３年第９期 的反应驱动力很高，富铝的铝一铁金属间化合物在较
CMT焊接
目前国内外低热输入焊接新工艺CMT(cold metal transfer)一冷金属过渡焊是低热输入焊接工艺中的佼佼者，CMT技术是福尼斯公司开发的一种低热输入焊接工艺。该技术在熔滴短路时电源输出电流几乎为零，同时焊丝回抽帮助熔滴脱落，实现熔滴“冷”过渡，大大降低了焊接过程的热输入。
1.CMT焊接研究现状
图1 CMT焊与P-MIG焊熔滴过渡形式分布
CMT技术的发展过程经历了几个阶段:90年代初，奥地利福尼斯公司是为研究钢铝的异种焊接而开始;到90年代末，开发了无飞溅引弧技术(SFI，此技术为CMT的研究奠定了基础;在接下来的几年到1999年，使得CMT技术得以问世;到2010年，Fronius公司对CMT焊接系统进行开发，发展到了CMT Advanced和CMT
Advanced +P焊接技术。发展到现在，CMT焊与P-MIG焊熔滴过渡形式电流电压的分布如图1所示，CMT技术的热输入量达到的范围明显的小于P-MIG。
CMT技术创新的将熔滴过渡过程与送丝运动相结合，该创新处大大降低了焊接过程的热输入量，真正实现了无飞溅焊接。此焊接工艺不仅提高焊后工件表面质量，还减小金属的损失，降低焊接过程中的烟尘、有害气体，对环境的污染进一步减小是一种绿色环保的焊接技术。目前CMT焊接的研究主要涉及到薄板焊接、异种焊接、钎焊等，利用的均是其热输入低的特点。CMT焊可以焊接薄板低至0.3mm的超薄板，CMT焊接工艺己研究应用的有3 mm及以下的铝合金焊接、镁铝异种焊接、铝钢异种焊接、钦铜异种焊接等。CMT技术问世后专家学者不断的进行研究，目前关于CMT技术复合热源也出现了。国外学者利用CMT-GMAW焊接镍基超耐热不锈钢，河北科技大学也正在研究利用CMT与高频复合焊接铝锂合金。
2. CMT焊接原理与特点 CMT(冷金属过渡技术)的熔滴过渡形式是在短路过渡基础上开发的，普通的
焊接方法与设备PPT完整全套教学课件目录•焊接方法概述•焊接设备基础知识•弧焊方法及设备•电阻焊方法及设备•其他焊接方法及设备•焊接安全与环保要求
焊接方法概述01通过加热或加压，或两者并用，使两个分离的物体产生原子（分子）间结合力而连接成一体的连接方法。焊接定义根据焊接过程中金属所处状态及工艺特点，可将焊接方法分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。
焊接分类焊接定义与分类熔化焊利用局部加热的方法将连接处的金属加热至熔化状态而完成的焊接方法。包括气焊、电弧焊、电渣焊、激光焊等。压力焊焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法。包括电阻焊、摩擦焊、冷压焊等。钎焊采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温
度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。常见焊接方法介绍根据被焊材料的物理性质、化学性质及冶金相容性选择焊接方法。材料性质根据被焊结构的形状、尺寸、厚度及接头形式选择焊接方法。结构特点根据被焊结构的使用性能要求选择焊接方法，如承载能力、耐腐蚀性、气密性等。使用性能根据生产条件选择焊接方法，如设备条件、工艺水平、生产环境等。
生产条件焊接方法选择依据
焊接设备基础知识02提供焊接所需的电能，包括弧焊电源、电阻焊电源等。焊接电源将焊丝按照一定速度连续送给焊枪的机构，保证焊接过程的稳定性。送丝机构夹持焊条或焊丝进行焊接操作的工具，具有导电、导热和夹持功能。焊枪与焊钳控制焊接设备的启动、停止、电流电压调节等功能的系统。控制系统焊接设备组成及作用根据焊接工艺要求选择适当的焊接设备，如弧焊、电阻焊、激光焊等。考虑设备的可靠性、稳定性和安全性，选择品牌知名度高、售后服务好的设备。根据生产规模和生产节拍选择设备的功率和效率，确保满足生产需求。根据预算和投资回报率进行设备选型和
配置，实现经济效益最大化。设备选型与配置原则定期对焊接设备进行维护保养，包括清洁设备表面、检查紧固件、更换磨损件等。按照设备使用说明书要求进行操作和维护，避免误操作导致设备损坏。对于设备出现的故障，及时联系售后服务人员进行维修处理，确保设备正常运行。建立设备维护保养和故障排除档案，记录设备维护保养和故障处理情况，
铝/ 钛异种金属焊接技术
异种材料复合构件能够最大限度利用材料各自的优点，起到“物尽其用”的效果，获得更好的经济效益和社会效益[1]。铝/钛异种金属复合结构同时兼有铝合金密度低、经济性好和钛合金强度高、耐腐蚀性好等优点，能够减轻结构重量、节约能源，在航空航天、武器装备、交通运输等领域拥有广阔的应用前景，飞机机舱散热片、机翼蜂窝夹层、座位导轨和高速列车车厢等结构均可采用铝/钛复合结构[2]。特别是近年来，随着航空发动机和飞机结构设计对“减轻重量、提高推重比、增加有效载荷”的要求越来越高，将铝合金与钛合金焊接形成复合结构的需求越来越迫切。
但是，由于铝、钛都是活性金属、极易氧化，且两者之间的物理、机械性能存在较大差别，如两者的熔点相差约800℃，两者的晶格类型、晶格参数等结晶化学性能差异很大，铝的热导率和线膨胀系数分别是钛的16倍和3倍。因此铝/钛异种金属的焊接性很差，接头的强度不能满足要求，铝/ 钛异种金属的焊接既是热点也是难点，目前还没有一种成熟的工艺可以用于实际生产[3]。
铝/ 钛异种金属焊接技术现状
目前，国内外主要对铝/钛异种金属的钎焊、扩散焊、熔- 钎焊、爆炸焊等连接方法进行了探索。康慧等[4] 以Al-11.5Si合金为基, 通过添加不同含量的Sn和Ga元素配置成9种钎料对LF21铝合金和TC4钛合金进行了真空钎焊，结果表明：在结合界面上生成层状脆而硬的脆性相是铝/钛钎焊时所存在的主要问题；在钎料中加入Sn和Ga元素可有效抑制脆性相的形成、改善接头性能；当Sn和Ga元素含量分别为10%
和0.2% 时接头的剪切强度达到67MPa。曲文卿等[5] 采用高频感应钎焊进行了钛合金管与铝合金管的连接，由于加热时间短、脆性相来不及产生，因而获得了力学性能和密封性能较好的接头。吕世雄等[6] 采用交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法也实现了TC4钛合金/LF6铝合金的连接。
采用扩散焊方法能够在一定程度上克服铝/钛焊接时熔点相差较大的问题，因此国内外学者进行了较多的研究。Yao等[7] 研究了铝/钛扩散焊接头形成机理和焊接工艺对LF6 铝合金/TA2 纯钛异种材料扩散焊接头强度的影响规律，接头最高剪切强度为83MPa。Sohn 等[8] 采用Al-10Si-1Mg 箔片作为中间层，对纯钛和纯铝进行了液相扩散连接，其界面结构和元素分布如图1 所示，研究结果发现接头中存在Ti7Al5Si12 连续金属间化合物反应层和不连续的Al12Si3Ti5 金属间化合物，并认为Si元素可抑制界面反应、减少金属间化合物，接头剪切强度最高为80MPa。
