大（如附表所示），因此，实现钢和 铝的可靠焊接较为困难。钢铝焊接存 在的主要问题如下［４］： １．１ 钢铝的熔点差异较大，采用静态 熔焊时低熔点的铝首先熔化，此时钢 仍处于固态，待钢熔化后，由于二者 密度的差异，液态铝和钢会发生分层， 难以形成成分均匀的焊缝金属，降低 焊接接头性能。 １．２ 若保护不力，熔焊时铝遇高温易 氧化，形成高熔点的Ａｌ２Ｏ３。Ａｌ２Ｏ３既能 形成焊缝夹渣，又影响焊缝的熔合。 １．３ 铝的热导率、线胀系数几乎是钢的
吕学勤［１２］等研究了以镍／铜过渡层 为钎料的铝合金与不锈钢的钎焊工艺 以及焊缝的组织与力学性能，并研究 了连接界面的机理。对焊缝进行ＸＲＤ、 ＳＥＭ、ＴＥＭ分析发现焊缝和母材之间 没有生成铝和铁脆性金属间化合物。 说明钎料有效地阻挡了铝、铁等原子 扩散，焊缝与铜界面上生成了少量的 ＡｌＣｕ３，但没有降低焊缝的抗剪强度。
钎焊是指采用熔点比母材低的材
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料作为钎料，将钎料和母材加热至高 于钎料熔点，而低于母材熔点，使钎 料熔化润湿母材和填充接头间隙，与 母材形成有原子间相互扩散的焊接接 头的工艺。
Ｒｏｕｌｉｎ等［１１］用Ａｌ－１２Ｓｉ共晶钎料和 氟化物钎剂Ｋ３ＡｌＦ６－ＫＡｌＦ４在６００℃温度 下炉中钎焊铝和不锈钢，发现接头界 面存在两个不同反应层ＦｅＳｉＡｌ５和ＦｅＡｌ３， 并且金属间化合物层的厚度随着保温 时间的延长而增大，接头最大剪切强 度为２１ＭＰａ；钎料中硅元素具有抑制 金属间化合物生成的作用。
Ｒａｔｈｏｄ Ｍａｎｏｊ和Ｋｕｌｓｕｎａ Ｍｕｎｅｈａｒｕ 等［６，７］采用激光滚压焊得到冷轧制低碳钢 和５Ａ０２铝合金的焊接接头，采用Ａｒ气 保护。界面生成物主要由ＦｅＡｌ２、Ｆｅ２Ａｌ５ 和ＦｅＡｌ３组成，富含Ａｌ的脆性金属间化合 物集聚在铝侧，富含Ｆｅ的略有延展性 的金属间化合物则在钢侧，随焊接速 度的增加，界面变薄并且富含Ｆｅ相增 加，剪切强度增大。焊接压力增大的 同时促进了金属间化合物的生成。试 验表明，采用激光滚压焊进行钢和铝 的焊接可改善接头的力学性能。激光 压力焊实验原理如图２所示。
ＣＯ２ 激光头
激光束
喷射
平面镜
钢板
滚柱
铝板
台子 台子移动方向
图２ 激光压力焊接的实验原理
Ｍ．Ｋｕｔｓｕｎａ等［５］采用激光滚压焊来焊 接镀锌钢和６０００铝合金，发现当焊接 速度变化时，化合物层厚度减小，界 面热循环的改变对金属间脆性物质层 的形成产生影响。压轮可以实现钢板 与铝合金板的良好接触，实现热量从 钢板向铝板快速传递。金属间脆性物 质层主要成分为脆性物质ＦｅＡｌ３。当金 属间化合物层的厚度小于１０μｍ时， 样品断裂在镀锌钢的基体金属中。激 光滚焊过程如图１所示。
作者简介：李亚江（１９５４－），男，博士毕业于山东大学焊 接专业，山东大学教授（博士生导师），从事异种材料及 特种焊接技术的教学与科研工作。
详细的研究，如采用压焊、搅拌摩擦 的塑性，使脆性增大，影响铝合金的
焊、扩散焊、电子束焊等工艺进行钢 焊接性。铝在铁中的溶解度相对较大，
铝异种材料连接，并对其焊接工艺以 含铝钢具有良好的抗氧化性，但含铝
前言
由于铝及铝合金的密度小、比强 度高，具有良好的导热性和耐腐蚀性， 因此，近年来采用钢铝双金属焊接结 构的产品越来越多，并在航空、船舶、 石油化工和车辆制造工业中显示出独 特的优势和良好的经济效益。但采用 热熔方法很难将钢和铝异种金属进行 连接，这是由于钢和铝焊接时易产生 脆性相，降低了接头的力学性能［１，２］。
山东大学李亚江等［１３］采用真空钎 焊获得了１８－８不锈钢／１０６０铝合金接头， 钎料采用Ａｌ－Ｓｉ合金，加热温度６３０℃， 保温１０ｍｉｎ。试验结果表明，钎焊界 面结合良好，界面及其附近没有孔洞 和裂纹等缺陷；断口机制为韧窝＋解理 断裂；整个接头的显微硬度从不锈钢 到铝合金逐渐降低，焊缝的硬度高于 铝合金母材。
２ 钢／铝异种金属的焊接方法
２．１ 钢／铝异种金属的压焊 从２０世纪５０年代起国内外不少研
究者研究发现冷压焊时接触面变形可 以破坏材料表面的氧化层，使钢与铝 的光洁表面较为可靠地结合在一起。 冷压焊中材料的塑性变形会增大材料 的接触面积，提高接头的焊接强度， 但是不易控制焊接质量，并且生产效 率低。随着焊接技术的进步，近年来 许多先进的压焊方法得以应用到钢／铝 焊接中，例如滚焊、爆炸焊、扩散焊、 搅拌摩擦焊等。
钢铝扩散连接时，在结合面处形 成铁铝金属间化合物，使焊接接头强 度下降。为获得良好的焊接接头，必
须采用中间过渡层的焊接方法。西安 交通大学张贵锋等［９］用５０μｍ厚的纯铜 箔作中间层，在５９０℃分别保温３０ｍｉｎ 及２小时，然后对低碳钢与铝基复合材 料进行过渡液相扩散焊（ＴＬＰ），Ａｒ 作为保护气体。观察其显微组织发现 纯铝基体上分布着直径为１５￣２０μｍ的 Ａｌ２Ｏ３颗粒。实验表明，薄弱界面并非 钢与中间层之间的界面，而是铝基复 合材料与残留中间层的界面；液相优 先溶解铝基复合材料的棱边而形成环 状缺口导致应力集中。被挤出的液相 沿铝基复合材料外表面向上扩散，而 不是流向钢侧。这是由于钢材表面Ｆｅ 原子的自由能低加之氧化膜阻碍液相 在钢侧的铺展。断口分析表明，压力 较低时接头从残留中间层内部断裂， 这是由于在铝基复合材料侧形成的金 属间化合物导致基体脆化。过渡液相 扩散焊与钎焊有本质区别。钎焊时， 钎料的熔点超过接头的使用温度，而 过渡扩散连接可在较低温度或低于结 构使用温度的条件下进行焊接。
２３．６
电阻率 弹性模量
μΩ·ｃｍ ＧＰａ
９．
２０６
２．６５
７１
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两倍，焊接过程中接头变形严重，焊后 焊接接头残余应力较大，易产生裂纹。
钢和铝异种金属之间的连接虽存 在一定的困难，但是由于能够充分发 挥两种材料的性能优势而成为焊接领 域的热点。
专 题 综 述 ＴＯＰＩＣ ＳＵＭＭＡＲＹ 焊接行业热点话题、重点方向的专题阐述与分析
钢／铝异种金属连接工艺的研究现状
Present situation about research of the connection process of steel/aluminum dissimilar metal
钢铝异种金属连接结构能够充分 发挥两种材料各自的性能优势，实现 轻量化，具有良好的经济效益。比如 在汽车制造中采用钢铝合金的异种金 属结构可以降低车体重量，从而提高 燃料利用率，减小环境污染，达到节 能减排的目的 。 ［３］ 但由于钢和铝的物 理、化学性能相差较大，焊接时容易 出现裂纹、熔合不良等缺陷，因此钢 和铝异种金属的优质、高效焊接是材 料制造领域的一项技术难题。近年来 众多学者对钢铝异种材料连接进行了
爆炸焊是钢铝焊接的一种有效连 接方法。海军工程大学朱锡等［８］采用爆 炸焊实现了板厚比接近１：１的９１７低碳 钢与５Ａ０２铝合金的复合，但是对于铝 合金，特别是镁含量较高的铝合金， 与钢采用爆炸焊连接较为困难，通常 采用复合中间层的爆炸焊方法。爆炸 焊接头在爆炸冲击波的作用下，两种 金属之间的接触面附近发生塑性变形， 形成波浪形的界面，未发现金属间化合 物的析出，界面剪切强度大于７５ＭＰａ。
搅拌摩擦焊具有较低的能量输入、 较短的焊接时间、较小的焊接变形等 优点，同时搅拌摩擦焊本身比较适于 焊接铝材。德国航空中心材料研究院 的Ｈｕｓｅｙｉｎ等［１０］采用搅拌摩擦焊技术连 接Ａｌ６０１３－Ｔ４铝合金和Ｘ５ＣｒＮｉ１８－１０不 锈钢。试验结果表明，采用搅拌摩擦 焊可以成功地连接铝、钢异种材料。 并且只有铝元素明显地向钢侧的扩散， 并未发现其他元素诸如铁、铬等的扩 散，在焊核部位的不锈钢粒子和铝之 间的扩散也不明显。接头疲劳性能比 铝母材约低３０％。 ２．２ 钢／铝异种金属的钎焊
材料
铁 低碳钢 不锈钢 纯铝
熔点 ／℃ １５３８ １５００ １４５０ ６６０
附表 钢和铝的热物理性能
比热容
密度
热导率
热胀系数
Ｊ·ｋｇ－１·℃－１ ｋｇ·ｍ－３ Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１
１０－６· Ｋ－１
４６０
７８７０
７３
１２
５０２
７８６０
７７．５
１１．７６
５００
７９８０
１６．３
１６．６
９００
２７００
２２０
熔－钎焊兼备熔焊和钎焊的特点， 常用于熔点相差较大的金属间连接。 铝、钢熔－钎焊的实质是熔化的铝与固 态的钢通过界面反应结合在一起，因 此熔化的铝与固态的钢的界面反应对 接头的焊接行为和焊接质量具有决定 性的影响。
法国第戎大学Ａｌｅｘａｎｄｒｅ Ｍａｔｈｉｅｕ等［１５］ 采用激光熔－钎焊得到了镀锌低碳钢与 铝合金的搭接接头，采用直径１．６ｍｍ 锌基焊丝，３０％Ａｒ＋７０％Ｈｅ混合气体保 护。这种方法在不采用焊剂情况下获 得金属间化合物厚度＜１５μｍ的接头， 是一种环保型焊接方法。激光把钢材 加热到熔点以下的温度，通过热传导 将热量传递给钢材之下的铝合金并使其 熔化。熔－钎焊接头由两部分组成：一 是铝侧的熔焊接头，二是钢板侧的钎 焊接头。钎焊时材料局部熔化限制金 属间化合物的生长，接头最薄弱环节 在低碳钢熔合区。接头强度不仅与金 属间化合物有关，还与焊缝形状、润 湿角等几何参数有关。
钢与铝熔焊时，由于两种金属性 能差异，很难采用常规熔焊方法实现 两者连接。钢与铝及铝合金熔焊一般 采用惰性气体保护焊（ＴＩＧ）、电子束 焊和激光焊工艺。焊接时要保证在接 头处尽量少地产生金属间化合物，通 常的做法是在钢表面镀一层过渡金属。
Ｇ．Ｓｉｅｒｒａ等［１５］采用激光深熔焊接对 ６０００铝合金和低碳钢进行搭接，钢放 置于铝合金之上。试验表明当钢在铝 合金中的穿透深度限制在５００μｍ以下 时，可得到无缺陷的焊缝。焊缝中出 现少量金属间化合物以及由富铝化合 物形成的白色熔质带。焊接接头的脆 性物质主要位于焊缝和铝合金界面处， 其中包含厚度在５￣２０μｍ之间的Ｆｅ２Ａｌ５ 和ＦｅＡｌ３。当钢在铝合金中的穿透深度 小于５００μｍ时，可限制钢在铝合金中 的扩散从而达到控制焊接接头硬度的 目的，同时可以得到２５０Ｎ／ｍｍ的最大 线性强度，接头失效位置位于焊缝和 铝合金的交界处；当穿透深度不断增 加时，失效位置会产生变化（转移至 焊缝处或钢和焊缝的交界面），伴随 着接头强度的剧烈减小。 ２．４ 钢／铝异种金属的熔－钎焊