铝钢异种金属接头的焊接工艺与力学性能分析

1 铝钢异种金属焊接的难点

1.1 物理特性差异明显

铝的熔点是 660^∘C ，比钢低 700-900^∘C 。焊接过程中，熔点低的铝先熔化，钢却还未熔化。因铝和钢密度差距大，熔池里的铝会浮于钢之上，冷却后焊缝成分不均。而且，铝与钢线膨胀系数差异大，会使焊接接头内部出现较大残余应力，导致焊接裂纹产生。

1.2 易生成脆性金属间化合物

铝和钢固溶度小，连接时 Al、Fe 原子易反应生成脆性 Al - Fe 金属间化合物，像 FeAl ₂、Fe ₂ Al ₅ 以及 FeAl ₃ 等。这些化合物硬度高且脆，会极大降低接头力学性能，阻碍铝 / 钢异种复合结构件在工业生产中的广泛应用。

2 铝钢异种金属的焊接工艺

2.1 冷金属过渡焊（CMT）

冷金属过渡焊技术采用“短路过渡—电弧重燃”的周期性循环模式，在短路阶段主动回抽焊丝，使熔滴在无电弧力作用下平稳过渡，从而将热输入量降低至传统 MIG 焊的 1/3 以下。这种低热输入特性使得焊接热影响区（HAZ）宽度被严格控制在 0.5mm 范围内，有效抑制了铝钢异种金属因热膨胀系数差异导致的残余应力集中问题。

以 1050 工业纯铝与 Q235 镀锌钢的对接焊为例，采用直径 1.2mm 的ER4043（AlSi5）焊丝，在焊接速度 0.75m/min 、送丝速度 5.2m/min 、电流 85A、电压 12.6V 的优化参数组合下，接头抗拉强度达到铝合金母材（ b=95MPa ）的 70% （约 66.5MPa ）。断口扫描电镜分析显示，断裂面呈现典型的韧窝状形貌，表明断裂机制为韧性断裂。通过透射电镜观察界面微观结构，发现金属间化合物层厚度被精确控制在 2μm 以内，其显微硬度（HV280）显著低于 Fe-Al 脆性相的理论硬度值（HV500-800），这种微观结构特征有效阻断了裂纹扩展路径。

2.2 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊通过旋转工具头与工件间的摩擦产热和机械搅拌作用实现固态连接，彻底规避了熔化焊过程中金属间化合物过量生成的问题。中车集团研发的双轴肩搅拌头技术，通过上下两个轴肩同时施加轴向压力，在 6mm 厚 5083 铝合金与 Q235 钢的搭接焊中，实现了优异的冶金结合。当主轴转速设定为 800r/min 、行进速度 80mm/min 时，接头抗拉强度达到220MPa ，相当于铝合金母材（ σ_D=245MPa ）强度的 90% 。

热循环测试数据显示，该工艺将焊接峰值温度严格控制在 450^qC 以下，较传统熔化焊降低 60% 以上。这种温度控制策略使界面处 Fe-Al 金属间化合物的生成量减少 80% ，仅形成厚度约 1-2μm 的纳米级反应层。电子探针微区分析表明，化合物层主要由 Fe ₄ Al Φ₁ ₃相构成，其晶体结构与铝基体保持部分共格关系，这种特殊的相界面结构显著提高了界面结合强度。

2.3 激光焊

激光焊凭借其极高的能量密度（ ）和极小的热影响区（ 0.1-0.3mm ），在铝钢异种金属焊接中展现出独特优势。然而，铝材对 10.6μm 波长激光的反射率高达 92% ，导致能量吸收率不足 8% 。为解决这一问题，激光 -TIG 复合焊技术通过 TIG 电弧的预热作用（预热温度200-300^∘C ），使铝材表面氧化膜局部破碎，将激光吸收率提升至 60% 以上。

某汽车制造企业采用该技术进行铝合金车门（6061-T6）与镀锌钢车架（DC01）的焊接，在激光功率 3kW、TIG 电流 120A、焊接速度 1.2m/AA min 的工艺参数下，焊缝剪切强度达到 185MPa ，相当于母材强度的 85% 。生产节拍分析显示，复合焊技术使单件焊接时间从传统 MIG 焊的 120 秒缩短至 85 秒，设备综合效率（OEE）提升 30% 。光谱分析证实，复合热源作用下界面处金属间化合物层呈现梯度分布特征，靠近铝侧为薄层FeAl相（厚度约 0.5μm ），靠近钢侧为 Fe ₃ Al 相（厚度约 1.2μm ），这种结构有效缓解了界面应力集中。

3 焊接工艺对力学性能的影响

3.1 焊接参数的影响

各类焊接参数，例如焊接电流、电压、焊接速度以及送丝速度等，都会对焊接接头的力学性能产生影响。以 CMT 焊接为例，焊接电流与电压的数值大小会决定焊丝的熔化状态以及熔滴过渡形式，进而影响焊缝的成型情况和力学性能。要是焊接速度过快，焊缝就容易出现未熔合、气孔等缺陷，使得接头的力学性能降低；要是焊接速度过慢，热输入会过大，导致焊缝组织变得粗大，同样会让接头的力学性能下降。

3.2 焊丝成分的影响

焊丝成分对于铝钢异种金属焊接接头的力学性能起着至关重要的影响。在 CMT 焊接过程中，使用不同成分的焊丝，像 ER4043 和 ER5183，焊接接头的力学性能会有所不同。当采用 ER4043 焊丝时，把硅含量控制在约 5% ，能够得到性能较好的焊接接头；而使用ER5183 焊丝时，因为镁和铝会生成大量共晶相，最终形成的金属间化合物种类增多，进而使焊接接头性能变差。

4 提高焊接接头力学性能的措施

4.1 优化焊接工艺参数

通过实验以及模拟等方式，精准确定最合适的焊接工艺参数，涵盖焊接电流、电压、焊接速度、送丝速度等，从而得到力学性能优异的焊接接头。比如，在 CMT 焊接时，可采用正交实验法，详细探究不同焊接参数对焊缝表面成型以及接头力学性能的作用，以此确定最佳的焊接工艺标准。

4.2 选取适配的焊丝成分

根据铝钢异种金属的焊接要求与特点，挑选恰当的焊丝成分。例如，在 CMT 焊接过程中，选用硅含量合适的焊丝，有助于熔化的铝在钢板表面更顺畅地湿润和铺展，降低金属间化合物的产生量，提升焊接接头的力学性能。

4.3 添加中间层或过渡层

在铝钢之间添加中间层或过渡层，如铜、镍、银等金属或合金，可有效阻止 Fe - Al 脆性金属间化合物的形成，保证钎料在两种金属表面充分浸润，进而增强焊接接头的力学性能。例如，在铝合金和钢表面沉积过渡层，既能阻止 Fe - Al 脆性金属间化合物的生成，又能确保钎料在两种金属表面充分浸润。

结束语

铝钢这两种异种金属进行接头焊接时，面临诸多棘手问题，像二者物理性能差距大、焊接时容易生成脆性的金属间化合物、金属表面形成的氧化膜会阻碍焊接等。实践中，运用冷金属过渡焊、搅拌摩擦焊、激光焊、压焊等多种焊接工艺，同时配合优化焊接工艺参数、挑选合适的焊丝成分、添加中间层或过渡层等举措，就能得到力学性能不错的铝钢异种金属接头。

参考文献：

[1] 黄志伟 , 董光耀 , 曹生亮 . 焊接工艺参数对铝钢异种金属焊接接头性能和显微组织影响研究 [J]. 济源职业技术学院学报 , 2023, 22 (04): 67-71.

[2] 余腾义, 李伟, 喻高扬, 李岩, 陈树海, 刘珂. CMT 熔钎焊工艺对铝 / 钢异种金属焊接接头组织及性能的影响 [J]. 钢铁钒钛 , 2023, 44 (05):188-194.

[3] 韩善果. 铝/ 钢异种金属双光束激光焊接传热与组织性能调控研究[D]. 华南理工大学 , 2023.