摘要：鋁鋼異種金屬連接可實現汽車零部件的輕量化，但鋁鋼焊接產(chan) 生的金屬間化合物裂紋等嚴(yan) 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(nei) 外的研究現狀。

鍍鋅鋼

鍍鋅鋼是在鋼基體(ti) 上鍍上厚度不同的鋅層，鍍鋅分為(wei) 電鍍和熱鍍，鍍鋅層不僅(jin) 有物理屏蔽作用，且對鋼基體(ti) 有電化學保護作用。由於(yu) 鍍鋅鋼具有良好的耐腐蝕性能，被廣泛用於(yu) 交通、電力、建築、供熱設施以及儀(yi) 器儀(yi) 表和家具等行業(ye) 。特別是在汽車行業(ye) ，普通鍍鋅鋼、高強度鍍鋅鋼、超高強度鍍鋅鋼在汽車上的應用提高了車身等部件的抗腐蝕性能和服役壽命。

但是，由於(yu) 鋅層的存在，使得鍍鋅鋼板的熔化焊接非常困難，這是因為(wei) 鋅的熔點為(wei) 420℃，沸點為(wei) 908℃， 基體(ti) 鋼的熔點為(wei) 1300℃， 沸點為(wei) 2861℃，在熔化焊過程中鋅會(hui) 嚴(yan) 重蒸發和氧化，會(hui) 形成氣孔、未熔合及裂紋等缺陷。鋁及鋁合金質量輕（鋁的密度為(wei) 2.7g/cm3），比強度高，良好的導電、導熱及耐腐蝕性， 並且在低溫下能保持良好力學性能。

當今，能源、安全、環保已成為(wei) 時代的主題，隨著環境汙染，能源危機的逐步加劇，實現車輛輕量化已成為(wei) 世界各國關(guan) 注的焦點。因此，國內(nei) 外對鋁/ 鎂、鋁/ 鈦、鈦/ 鋁及鋁/ 鋼複合結構進行了大量研究。鋁/ 鋼複合結構充分利用了各自材料的優(you) 勢，減輕重量，減少汙染[3]，廣泛用於(yu) 汽車、航空、船舶等行業(ye) 。鋁鋼連接在汽車車門板中的應用如圖1 所示。

但是， 由於(yu) 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(wei) 1538℃，鋁的熔點為(wei) 660℃，鐵的密度為(wei) 7870 kg/m3，鋁的密度為(wei) 2700 kg/m3，在對鋁/ 鋼熔化焊時，在鋼完全熔化時，鋁會(hui) 漂浮在鋼之上，難以形成焊縫。而且鋁的線膨脹係數幾乎是鐵的兩(liang) 倍， 焊接時會(hui) 產(chan) 生很大的熱應力，易產(chan) 生裂紋。

由Fe-Al 二元相圖，鐵和鋁既能形成固溶體(ti) 、金屬間化合物，也能形成共晶體(ti) 。鐵在鋁中的固溶極限很小，在225～600℃，Fe 在Al 中的固溶度為(wei) 0.01%～0.022%；共晶溫度652℃時，Fe 在Al 中的溶解度為(wei) 0.53%。一係列研究表明，Fe 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(hui) 形成脆性組織， 其中根據Fe-Al 熱力學分析知，在焊接熱作用過程中，並不是所有的金屬間化合物都長大， 根據化合物形成的吉布斯自由能進行熱力學計算， 隻有Fe2Al5和FeAl3是最後穩定存在的脆性組織，這些脆性組織的存在會(hui) 降低焊接接頭的力學性能，容易使焊縫產(chan) 生裂紋。

由於(yu) Fe 在鋁中幾乎不固溶，鋁/ 鋼熔化焊很難得到良好的接頭， 為(wei) 防止鋼和鋁中間產(chan) 生脆性金屬間化合物， 需要在鋼表麵鍍上與(yu) 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/ 鋁界麵反應的作用也就不同， 鋼和鋁的焊接性存在差異。除了鍍層會(hui) 改善鋼/ 鋁的焊接性，填充材料及釺劑的選擇得到也會(hui) 提高鋼/ 鋁異種金屬的焊接性，擴大鋼/ 鋁在各行業(ye) 的應用範圍。

鋁/鋼激光焊接國內(nei) 外研究現狀

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麵，表麵金屬達到沸點，迅速熔化和氣化蒸發。金屬蒸發產(chan) 生的氣壓使表麵產(chan) 生凹陷，形成小孔。產(chan) 生的小孔增加了激光的能量吸收，產(chan) 生的熱量是小孔周圍的金屬熔化， 小孔外液體(ti) 流動和小孔內(nei) 壁表麵張力以及小孔內(nei) 腔中連續產(chan) 生的蒸汽壓力達到動態平衡。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，小孔總是處於(yu) 動態穩定。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，最後熔融金屬冷卻，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， 激光作用在鋼表麵， 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， 研究結果顯示控製焊縫熔深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。將焊縫熔深控製在500μm 以下，接頭強度可達250MPa。實驗發現少量金屬間化合物及由富鋁化合物形成的白色熔質帶出現在焊縫中。熔深為(wei) 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焊組織和性能。通過控製焊縫熔深600μm 內(nei) 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(guan) 鍵因素。Torkamany 等研究了低碳鋼/5754 鋁合金Nd:YAG脈衝(chong) 激光焊。實驗采用激光深熔焊重疊結構。研究了激光功率、脈衝(chong) 寬度、搭接因子對金屬化合物形成的影響。結果表明，隨激光峰值功率（脈衝(chong) 能量一定）、脈衝(chong) 寬度（峰值功率一定）、搭接因子（脈衝(chong) 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/ 不鏽鋼激光深熔焊方法下熔深與(yu) 焊縫成形之間的關(guan) 係。研究結果顯示在大熔深（354μm）條件下，在鋁/ 熔合區界麵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(wei) （27.2±1.7）MPa，斷裂出現三種形式：剪切脆性斷裂、解理脆性斷裂和混合型斷裂。當小熔深（108μm）時，在Al/Fe 熔合區界麵為(wei) 無裂紋的金屬間化合物，接頭強度為(wei) （46.2±1.9）MPa，斷裂形式隻有一種為(wei) 沿焊縫解理脆性斷裂。

激光深熔焊的優(you) 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(guan) 鍵因素。但是，在焊接過程中產(chan) 生的等離子體(ti) 和深熔小孔使焊接過程不穩定，很難控製。而且，激光深熔焊過程中，氣體(ti) 易進入小孔，凝固是易產(chan) 生氣孔，由於(yu) 金屬蒸汽產(chan) 生的蒸汽壓，在凝固時金屬的收縮易產(chan) 生表麵凹陷，焊縫不美觀。

1.2

激光熱傳(chuan) 導焊

當激光照射到材料表麵時，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，將光能轉化為(wei) 熱能而加以熔化，材料表麵的熱以熱傳(chuan) 導的方式繼續向材料深處傳(chuan) 遞， 最後將兩(liang) 焊件熔接在一起。激光熱導焊是激光焊接中一種重要的焊接模式, 廣泛應用於(yu) 薄件的焊接中。

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

Meco 等采用激光熱傳(chuan) 導焊模式連接2mm 厚鋼板和6mm 厚鋁板，鋼在上鋁在下的搭接形式。激光輻照鋼板表麵， 傳(chuan) 導的熱量達到鋁合金的熔點使其熔化。結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(wei) 1145HV。

1.3

激光-電弧複合焊

激光電弧複合焊技術（實驗原理圖如圖2 所示)是20 世紀70 年代發展的新型、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。電弧的加熱範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-電弧複合焊技術則利用兩(liang) 者的各自特點可得到焊縫頂部寬、熔深大的焊縫。激光產(chan) 生的等離子體(ti) 可穩定電弧， 則複合焊增加了焊接適應性和焊接效率。

HonggangDonga 等發明了一種大光斑激光與(yu) 電弧複合熱源連接異種金屬的方法。該專(zhuan) 利針對小光斑的激光-電弧複合熱源焊接不能應用於(yu) 鋼與(yu) 鋁、鋼與(yu) 銅等異種金屬的連接。此方法中激光對電弧有明顯的穩定作用， 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熱輸入的精確控製。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， 試樣的破壞位置發生在鋁合金母材一側(ce) 的焊接熱影響區， 而不是釺焊連接區。接頭強度可達153.1MPa。Qin 等采用激光-MIG 複合焊接鍍鋅鋼/ 鋁合金， 使用AlSi5焊絲(si) 。實驗結果顯示釺焊界麵產(chan) 生2～4μm 的金屬間化合物層，相組成為(wei) 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 複合焊技術， 實驗采用AlSi5、AlSi12、AlMg5三種不同的釺料以研究Si、Mg 加入後金屬間化合物對及焊縫組織和成型的影響。結果表明，增加Si 含量可以細化熔化區晶粒，增加熔化區的顯微硬度。並且熔化區Al-Si 釺料的顯微硬度比Al-Mg 釺料的顯微硬度大。對於(yu) AlSi12、AlSi5、AlMg5釺料分別得到的金屬間化合物層平均厚度為(wei) 0.90、1.49、2.64μm，文中得出Si 可以抑製Fe 的擴散，從(cong) 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所對應的金屬間化合物層的相組成為(wei) Fe2Al5、Fe4Al13、Al0.5Fe3Si0.5。而AlMg5對應的相組成為(wei) FeAl2、Fe2Al5、Fe4Al13。AlMg5、AlSi5、AlSi12釺料對應的接頭強度依次為(wei) 178.9、172.43、144MPa，得出結論為(wei) 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。文中並沒有說明Si、Mg 是如何影響接頭強度的。Thomy 等研究激光-電弧複合焊過程中激光和等離子弧的相互作用， 開發了同軸激光-電弧複合焊頭。

1.4

激光熔釺焊

釺焊是采用熔點比母材低的釺料， 通過加熱到比釺料熔點高，比母材熔點低的溫度，釺料熔化，而母材不熔化，利用液態釺料潤濕母材，在釺縫間隙毛細作用下，液態釺料自動填充到母材間隙中去，與(yu) 母材相互擴散形成連接。熔釺焊兼具釺焊和熔化焊的特點， 適於(yu) 兩(liang) 種物理性能差異大的異種材料之間的連接。鋼和鋁的熔釺焊是指鋼不熔化， 鋁和釺料熔化，在鋼/ 釺料側(ce) 是釺焊連接，在釺料/ 鋁側(ce) 是熔化焊。鋼和鋁的熔釺焊實質熔化的鋁和釺料與(yu) 固態鋼通過界麵反應結合在一起。該方法可選擇添加或不添加釺料進行焊接。

Peyre 等研究了在不使用釺料的情況下，采用激光熔釺焊的方法實現鍍鋅鋼和鋁合金的連接。結果顯示， 沿著鋼鋁界麵形成了2～20μm 厚的界麵層， 發現該層主要為(wei) Fe2Al5相， 其硬度高達1200HV，使接頭產(chan) 生裂紋，顯著降低接頭的力學性能。盡管鋅蒸發產(chan) 生氣孔，但是10μm 的鍍鋅層有利於(yu) 鋁在鋼上的潤濕鋪展。拉伸測試表明， 在鍍鋅鋼表麵塗上釺劑， 可以抑製鋅的蒸發。而對於(yu) 非鍍鋅鋼則顯示了較低的機械抗力。

有學者在激光熔釺焊過程中使用釺料， 以改變接頭的化學成分， 進而控製Fe-Al 金屬間化合物的生成，提高接頭性能。Sierra 等在鋁/ 鋼激光熔釺焊連接中采用4047（Al-12Si）釺料，得到了無明顯宏觀缺陷的連續接頭， 在鋼/ 焊縫界麵產(chan) 生薄的Fe-Al-Si 金屬間化合物層。文中使用Al-12Si 釺料來研究Si 元素對Fe-Al 金屬間化合物生長的作用。文中提出釺料中Si 可以降低鋁的熔化溫度，影響熔融鋁的粘度和表麵張力， 進而影響焊縫潤濕角及焊縫寬度。也有學者在釺料中添加Mg、Cu 等元素研究釺料合金化後對焊縫組織和性能的影響。Dharmendra等采用連續脈衝(chong) Nd:YAG 激光器對DP600 鍍鋅鋼和AA6016 鋁合金搭接接頭進行熔釺焊試驗。試驗過程采用含85%Zn 和15%Al 的Zn-Al 焊絲(si) ，試驗采用不同的激光功率、焊接速度、送絲(si) 速度。研究發現， 試驗得到的反應層厚度在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(ce) 。在焊接速度0.5、0.8m/min 時， 對應的金屬間化合物厚度分別為(wei) 8、12μm。拉伸測試結果顯示， 在金屬間化合物厚度為(wei) 8～12μm 時，機械阻力最大，在小於(yu) 8μm 時，機械阻力隨金屬間化合層的增加而增大；大於(yu) 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，由於(yu) 該層相對於(yu) 其它區域脆性很大，機械抗力極低。Laukant 等采用ZnAl2釺料進行鋁/ 鋼激光熔釺焊試驗，結果產(chan) 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 釺料，對AA6016 和低碳鍍鋅鋼進行激光熔釺焊試驗。試驗所采用的釺料為(wei) ZnAl30， 試驗結果形成的金屬間化合物主要為(wei) Fe2Al5Znx， 可能含有ZnFeAl3，厚度在10μm 左右。最近有學者對鍍鋁層高強鋼和鋁合金進行了激光熔釺焊試驗。例如，Windmann 等采用AlSi3Mn 釺料的激光熔釺焊試驗。研究發現在AlSi3Mn/Mn22B5界麵形成Al8Fe2Si 相。在Mn22B5/AlSi3Mn 界麵形成的金屬間化合物厚度為(wei) 2～7μm，接頭剪切強度為(wei) 21～74MPa。如果對鋼表麵焊前進行預熱，則接頭強度達210～230MPa。從(cong) 最近的研究來看，不管是Al-Si 釺料還是Zn-Al 釺料，都不可避免地產(chan) 生金屬間化合物， 而對於(yu) Fe-Al-Si 金屬間化合物的生長順序及Zn-Al 釺料反應相的鑒定還有待解決(jue) 。激光熔纖焊連接鋼/ 鋁技術本身是一種極具前景的工藝。

結語

激光-電弧複合焊因其高的焊接效率主要用於(yu) 較厚板的焊接， 激光熔釺焊在汽車輕量化方麵極具應用前景。通過激光熔釺焊工藝連接薄板鋁/ 鋼異種金屬，采用Al-Si、Zn-Al 釺料。然而，汽車用鍍鋅鋼/ 鋁合金激光焊仍存在很多需要解決(jue) 的問題。例如，由於(yu) 被焊材料對激光能量的吸收率較低，激光焊產(chan) 生的等離子對焊接過程的穩定性有影響；鋁鋼連接過程中產(chan) 生鐵鋁金屬間化合物脆性接頭；熔化的釺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製和預防等。

來源：激光焊接自動化