劉愛(ài)國(guó)，郭效盟

(沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 110159)

0 前言

交通運(yùn)輸、航空航天、船舶等行業(yè)為了減輕運(yùn)載工具重量、降低燃料消耗和溫室氣體排放量，越來(lái)越多地使用鋁/鋼異種金屬?gòu)?fù)合承力結(jié)構(gòu)，從而對(duì)鋁/鋼異種金屬焊接技術(shù)需求越來(lái)越旺盛。鋁合金和鋼的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、比熱容及熱膨脹系數(shù)等熱物理參數(shù)相差極大，而且室溫下鐵在鋁中的溶解度極低，易反應(yīng)生成多種高硬度金屬間化合物（Intermetallic compounds,IMCs），使鋁/鋼的焊接一直是焊接領(lǐng)域的一大難題?？刂平宇^界面處IMCs 的生成及其尺度，是成功進(jìn)行鋁/鋼焊接的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外研究工作者采用多種方法成功實(shí)現(xiàn)了鋁/鋼的連接。文獻(xiàn)中較多見(jiàn)的連接方法大體可以分為5 類：①機(jī)械連接方法，包括自沖鉚接、熱熔自攻絲等[1-2]；②固相焊方法，包括攪拌摩擦焊[3-4]、擴(kuò)散焊、超聲焊等；③熔化焊方法，包括激光焊[5]、電弧焊[6]等；④電阻點(diǎn)焊；⑤釬焊[7-9]。機(jī)械連接方法盡管不會(huì)在界面產(chǎn)生IMCs，但會(huì)帶來(lái)附加重量，對(duì)結(jié)構(gòu)減重不利；固相焊方法焊接時(shí)母材不熔化，可以很好地控制界面IMCs 的生成，但對(duì)接頭形狀適應(yīng)性較差，不適合焊接復(fù)雜形狀的接頭，而且需要特殊工具，設(shè)備也相對(duì)比較昂貴[10]；釬焊很難獲得高強(qiáng)度的焊接接頭；電阻點(diǎn)焊效率高、易于自動(dòng)化，但由于鋁合金和鋼的電阻率、熱導(dǎo)率差異很大，容易導(dǎo)致因熱不平衡而出現(xiàn)熔核偏析現(xiàn)象；激光焊熱輸入控制精確，可以有效控制界面IMCs 的生長(zhǎng)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于鋁/鋼異種金屬焊接研究[11]。但激光設(shè)備價(jià)格昂貴、鋁合金對(duì)激光的強(qiáng)烈反射導(dǎo)致能量利用率低等一系列問(wèn)題的存在，使其應(yīng)用受到了一定的限制[12]。

盡管采用電弧焊方法焊接鋁/鋼異種金屬就不得不面對(duì)界面處產(chǎn)生的IMCs，但電弧焊方法具有成本低、效率高、操作靈活、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，在鋁/鋼焊接研究領(lǐng)域的應(yīng)用一直受到國(guó)內(nèi)外研究工作者的廣泛關(guān)注。除了借助爆炸焊制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)作為過(guò)渡段實(shí)現(xiàn)熔化焊外[13]，要實(shí)現(xiàn)鋁/鋼的直接電弧熔化焊幾乎是不可行的。廣泛采取的方法是對(duì)鋁/鋼接頭進(jìn)行電弧熔釬焊。該文將對(duì)鋁/鋼電弧熔釬焊的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 鋁/鋼電弧熔釬焊方法

所謂電弧熔釬焊，就是在采用電弧對(duì)異種金屬進(jìn)行焊接時(shí)，高熔點(diǎn)金屬母材不熔化，低熔點(diǎn)金屬，包括填充金屬和母材，熔化并鋪展在高熔點(diǎn)母材金屬表面，形成釬焊接頭；焊縫和低熔點(diǎn)金屬母材之間形成熔化焊連接[14]。典型的鋁/鋼電弧熔釬焊搭接接頭如圖1[15]所示。電弧熔釬焊可以采用的電弧焊方法包括鎢極氬弧焊（Tungsten inert-gas arc welding,TIG）、熔化極氬弧焊（Metal inert-gas arc welding,MIG）、TIGMIG 雙面電弧焊、激光-電弧復(fù)合焊等多種方法。

圖1 典型的鋁/鋼電弧熔釬焊搭接接頭[15]

1.1 鋁/鋼TIG 電弧熔釬焊

前已述及，控制接頭界面處IMCs 的生成及其尺度，是成功進(jìn)行鋁/鋼焊接的關(guān)鍵，而嚴(yán)格控制熱輸入，是控制IMCs 的生成及其尺度的關(guān)鍵。

TIG 焊在小電流焊接時(shí)電弧仍然非常穩(wěn)定，是一種公認(rèn)的低熱輸入電弧焊方法，特別是冷絲TIG 焊的熱輸入很容易控制，非常適合于鋁/鋼的熔釬焊。焊接鋁合金時(shí)，需要利用陰極霧化作用清除母材表面的氧化膜，因此，鋁/鋼TIG 熔釬焊只能使用交流TIG焊方法。Kumar 等學(xué)者[16]采用不同波形的交流TIG焊接了AA6061-T6 鋁合金和鍍鋅鋼，研究了電流波形對(duì)電弧行為、溫度分布、接頭形狀、IMCs 形成的影響。結(jié)果表明：三角波的焊接熱循環(huán)峰值溫度最高，正弦波的最低；設(shè)定電流一定時(shí)，潤(rùn)濕距離按正弦波、矩形波、方波、三角波的順序增大，而焊道高度則相應(yīng)減小；正弦波產(chǎn)生的IMCs 厚度最小，而三角波的最大。

1.2 鋁/鋼MIG 電弧熔釬焊

采用MIG 方法進(jìn)行鋁/鋼熔釬焊則無(wú)需考慮交直流的問(wèn)題。MIG 的優(yōu)勢(shì)是焊接效率高，但和高效率相伴隨的高熱輸入?yún)s非常不利于鋁/鋼的熔釬焊。Sachin 等學(xué)者[17]用MIG 焊接了A5086 鋁合金和IS2062不銹鋼，所用焊絲分別為ER5356 鋁合金焊絲和ER 308LSi 不銹鋼焊絲。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：焊縫中出現(xiàn)了未熔合、氣孔等缺陷。

和直流MIG 焊相比，脈沖MIG 焊在控制熱輸入方面更有優(yōu)勢(shì)，而短路過(guò)渡方式，可以使熱輸入更低。Das 等學(xué)者[18]采用短路過(guò)渡脈沖MIG 方法成功焊接了AA5754 鋁合金和熱浸鋅鋼板，接頭形式為搭接，焊絲采用的是AA4043 鋁合金焊絲，接頭強(qiáng)度達(dá)到了208 MPa。

采用同樣焊接工藝參數(shù)的交流脈沖MIG 比直流脈沖MIG 熔池溫度更低，接頭中IMCs 厚度更小，接頭強(qiáng)度更高。Su 等學(xué)者[19]采用交流雙脈沖MIG 焊接了5052 鋁合金和鍍鋅鋼板，接頭形式為搭接，焊絲為4047 鋁硅合金焊絲。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：斷裂發(fā)生在鋁合金母材上，或者焊縫上，斷裂強(qiáng)度為201 MPa；而直流脈沖MIG 接頭斷裂發(fā)生在IMCs 層上，斷裂強(qiáng)度為115 MPa。

短路過(guò)渡的確是降低MIG 熱輸入的有效途徑，但短路過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺會(huì)嚴(yán)重影響電弧的穩(wěn)定性和接頭質(zhì)量。福尼斯公司開(kāi)發(fā)的冷金屬過(guò)渡（Cold metal transfer,CMT）焊方法是一種無(wú)飛濺短路過(guò)渡MIG 方法，通過(guò)在短路瞬間切斷電源電壓輸出、靠送絲機(jī)構(gòu)回抽完成熔滴過(guò)渡的方式，成功實(shí)現(xiàn)了無(wú)飛濺短路過(guò)渡MIG，被認(rèn)為是鋁/鋼電弧熔釬焊的理想方法[20-23]。

1.3 鋁/鋼雙面電弧熔釬焊

傳統(tǒng)的熔釬焊是一種單面焊工藝，背面鋪展成形所需熱量需要靠熱傳導(dǎo)從正面?zhèn)鬟^(guò)去，效率很低，當(dāng)板厚增大時(shí)問(wèn)題更加嚴(yán)重。而且背面缺少惰性氣體的保護(hù)，而鋁在高溫下非常容易氧化，因此熔釬焊單面焊雙面成形非常困難，導(dǎo)致大多數(shù)鋁/鋼焊接研究采用的都是搭接接頭。但在實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)接接頭才是更常用的接頭形式。

為此，Zhang 等學(xué)者[24]和Ye 等學(xué)者[25]提出了采用MIG-TIG 雙面電弧焊方法焊接了5052 鋁合金和Q235 鋼板，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2[25]所示。焊接時(shí)，MIG 焊槍位于工件正面，TIG 焊槍位于工件背面。2把焊槍分別由獨(dú)立的電源供電，同步焊接。由于工件兩面被電弧同時(shí)加熱，背面成形不再依賴熱傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的熱量實(shí)現(xiàn)，其熱輸入可以比傳統(tǒng)的MIG 更低。而且背面有氬氣保護(hù)，鋁合金潤(rùn)濕鋪展更好，焊縫成形更好。

圖2 鋁/鋼MIG-TIG 雙面電弧焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[25]

1.4 鋁/鋼激光-電弧復(fù)合熔釬焊

激光-電弧復(fù)合熱源可以充分發(fā)揮激光熱源能量密度高、熱輸入控制精確的優(yōu)點(diǎn)，又可以克服其設(shè)備昂貴、對(duì)裝配精度要求高及鋁合金對(duì)激光反射強(qiáng)等缺點(diǎn)，是一種高效、高質(zhì)量的焊接方法。趙昕等學(xué)者[26]采用激光-CMT 復(fù)合熱源焊接了6A01-T5 鋁合金和SU 301L-DLT 不銹鋼板，接頭形式為對(duì)接，焊絲為ER2319鋁銅焊絲。結(jié)果表明：提高激光功率、增大送絲速度或降低焊接速度均可提高鋁在鋼側(cè)的潤(rùn)濕鋪展效果，接頭的平均抗拉強(qiáng)度約為164.9 MPa，可以達(dá)到鋁合金母材的67.3%。

2 鋁/鋼電弧熔釬焊焊接性

采用電弧熔釬焊可以實(shí)現(xiàn)鋁/鋼的焊接，但鋁/鋼電弧熔釬焊焊接性是不好的。鋁/鋼電弧熔釬焊接頭的焊接性問(wèn)題包括接頭強(qiáng)度、裂紋、氣孔、變形等多個(gè)方面。導(dǎo)致鋁/鋼電弧熔釬焊接頭出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的主要影響因素包括：鋁和鋼的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、比熱容、熱膨脹系數(shù)差異巨大；液態(tài)鋁對(duì)鋼的潤(rùn)濕性很差；鐵在鋁中的溶解度極小，會(huì)形成多種FexAly型脆性IMCs 等。其中界面處生成脆性IMCs 是公認(rèn)的最主要問(wèn)題。

鐵鋁相圖如圖3[1]所示。平衡狀態(tài)下可能形成的FexAly型IMCs 主要有FeAl3，F(xiàn)e2Al5，F(xiàn)eAl2，F(xiàn)e2Al3，F(xiàn)eAl，F(xiàn)e3Al 等。FexAly型IMCs 形成的自由能按如下順序排列[16]：

圖3 鐵鋁相圖[1]

富鋁的FeAl3和Fe2Al5形成自由能低，是在鋁/鋼電弧熔釬焊接頭中最常見(jiàn)到的IMCs[27-28]。這2 種富鋁的IMCs 比富鐵的IMCs（FeAl2，F(xiàn)e2Al3，F(xiàn)eAl，F(xiàn)e3Al）脆性更大，對(duì)接頭性能危害更大。特別是Fe2Al5，其晶體結(jié)構(gòu)比較特殊，在c軸方向上大約有30%的空位，生長(zhǎng)更快且形狀不規(guī)則，導(dǎo)致接頭性能嚴(yán)重下降。

當(dāng)采用鋁硅焊絲進(jìn)行焊接時(shí)，硅會(huì)取代部分鋁原子，從而形成Fe(Al,Si)3，F(xiàn)e2(Al,Si)5[29]，Al7.2Fe2Si 等 三元IMCs。

IMCs 層是受擴(kuò)散控制的過(guò)程的結(jié)果，其厚度l可以按如式（2）計(jì)算[30]：

式中：K0為常數(shù)；Q為形成IMCs 的最小能量；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；t為擴(kuò)散時(shí)間。從式（2）可知：決定IMCs 厚度的是焊接時(shí)的溫度和高溫停留時(shí)間。焊接溫度越低、高溫停留時(shí)間越短，IMCs 的厚度越小。而焊接熱輸入是決定焊接溫度和高溫停留時(shí)間的最關(guān)鍵因素。要減小IMCs 的厚度，最根本的措施就是盡量減小焊接熱輸入。

影響IMCs 形成的另一個(gè)重要因素是熔融金屬中所含的合金元素。Su 等學(xué)者[30]采用純鋁、Al-5Si，Al-12Si，Al-4.5Mg 焊絲焊接了5052 鋁合金和鍍鋅鋼板，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Mg 元素?zé)o法阻止IMCs 層的生長(zhǎng)，而Si 溶解到IMCs 中可以阻礙Al 原子的擴(kuò)散，減小IMCs層厚度，提高接頭的力學(xué)性能。

關(guān)于FexAly類IMCs 層厚度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響，文獻(xiàn)上有很多不一致甚至相互矛盾的結(jié)果[31]。比較一致的看法是，當(dāng)IMCs 層厚度小于10 μm 時(shí)，對(duì)接頭強(qiáng)度基本沒(méi)有不利影響；當(dāng)厚度小于2 μm 時(shí)，甚至對(duì)接頭強(qiáng)度有提升作用；而厚度大于10 μm 以后，接頭強(qiáng)度會(huì)大幅下降[6,10]?？刂艻MCs 厚度是鋁/鋼焊接研究的一個(gè)非常重要的內(nèi)容。

3 控制IMCs 的方法

界面處形成的IMCs 是導(dǎo)致鋁/鋼電弧熔釬焊接頭質(zhì)量問(wèn)題的最主要原因，提高接頭性能的主要途徑就是控制IMCs 的生長(zhǎng)，包括減小IMCs 層的厚度和改變IMCs 的形態(tài)。減小IMCs 厚度的方法包括：減小焊接熱輸入、降低熱源能量密度、添加具有抑制IMCs 生長(zhǎng)的合金元素、采用中間層等。

MIG 方法焊接時(shí)一般熔滴過(guò)渡方式為射流過(guò)渡，焊接電流較大，熱輸入較高。采用脈沖MIG 焊是降低熱輸入的一個(gè)方法。Yagati 等學(xué)者[32]采用脈沖MIG 進(jìn)行的鋁/鋼熔釬焊，結(jié)果表明：IMCs 厚度可以控制到1.5～4.0 μm 范圍內(nèi)。交流雙脈沖MIG 焊降低熱輸入的效果更好。Su 等學(xué)者[18]采用交流雙脈沖MIG 焊接的鋁/鋼熔釬焊接頭中IMCs 厚度為2～3 μm，而對(duì)照組中采用直流脈沖MIG 焊接的鋁/鋼熔釬焊接頭中IMCs 厚度為6 μm 左右。

要減小MIG 焊的熱輸入，就需要采用短路過(guò)渡方式而不是射流過(guò)渡方式進(jìn)行焊接。Das 等學(xué)者[18]采用短路過(guò)渡脈沖MIG 焊接了AA5754 鋁合金和鍍鋅鋼板，成功將IMCs 厚度控制在了0.68～6.10 μm 范圍內(nèi)。Zhang 等學(xué)者[15]采用CMT 焊接1060 純鋁和熱浸鋅鋼板，將IMCs 厚度控制到了4 μm。Madhavan等學(xué)者[22]則將CMT 熔釬焊的鋁/鋼接頭IMCs 厚度控制到了1.5 μm 以下。

TIG 可以用很小的焊接電流進(jìn)行焊接，比MIG 更容易控制對(duì)工件的熱輸入。Kumar 等學(xué)者[16]采用不同波形交流TIG 焊接了AA6061-T6 鋁合金和鍍鋅鋼，發(fā)現(xiàn)三角波焊出的接頭IMCs 厚度最大，為7.3 μm，而正弦波焊出的接頭IMCs 厚度最小，為3.1 μm。Hasanniah等學(xué)者[10]采用脈沖TIG 焊焊接鋁鎂合金和帶有鋁覆層的鋼板，成功將IMCs 厚度控制到了2.5 μm 以下。

Ye 等學(xué)者[25]采用MIG-TIG 雙面電弧焊方法焊接5052 鋁合金和Q235 鋼板對(duì)接接頭的試驗(yàn)結(jié)果表明：由于雙電弧的加熱作用，而且背面有氣體保護(hù)，使得MIG-TIG 雙面電弧焊的熱輸入比傳統(tǒng)的MIG 更低，接頭中形成的IMCs 最大厚度僅有2.03 μm，而傳統(tǒng)的MIG 接頭中的IMCs 厚度為4.20 μm，而且其中有裂紋。雙面電弧焊對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了148.1 MPa，為傳統(tǒng)MIG 接頭的2.5 倍。

IMCs 的生長(zhǎng)受溫度控制，增大母材上熱源的覆蓋面積，可以降低能量密度，從而降低熔池的峰值溫度。Kumar 等學(xué)者[29]提出了采用焊槍擺動(dòng)增大加熱面積的方法焊接鋁/鋼接頭。母材為AA6061-T6 鋁合金和鍍鋅鋼板，填絲為AA4043 焊絲，焊接方法為交流TIG。電弧擺動(dòng)降低了熱源能量密度，減小了IMCs 的厚度。焊絲的擺動(dòng)還增大了潤(rùn)濕鋪展的尺度，使焊道更加平滑均勻。

Si 和Zn 是鋁/鋼焊接中研究最廣泛的元素，因?yàn)樗鼈兛梢砸种艶e2Al5的形成和長(zhǎng)大，而且是很多商品化焊材的組成元素。Zn 能夠降低反應(yīng)層的脆性，顯著提高接頭力學(xué)性能[1]。Su 等學(xué)者[30]焊接5052 鋁合金和鍍鋅鋼板的研究，結(jié)果表明：由于鎂元素沒(méi)有阻礙鋁原子擴(kuò)散的作用，采用Al-4.5Mg 焊絲的接頭和采用純鋁焊絲的接頭中生成的IMCs 厚度都比較大，最大厚度達(dá)到了30 μm。而溶解到IMCs 中的硅元素可以阻礙鋁原子的擴(kuò)散，從而減小IMCs 的厚度，采用Al-5Si 焊絲的接頭中IMCs 的厚度大約為7 μm，采用Al-12Si 焊絲的接頭中IMCs 的厚度只有4 μm。

采用中間層可以有效減少鋁鐵的直接接觸，減緩鋁鐵之間的反應(yīng)，從而在相同的熱輸入下減小IMCs的厚度。常用的中間層材料包括鋅、鋁、銅等。在鋁和鋼之間加入鋅中間層有助于增強(qiáng)熔融金屬的潤(rùn)濕性，還能降低IMC 的厚度，因此，大量的鋁/鋼熔釬焊研究使用的都是鍍鋅鋼板[30]。但鋅的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)很低，鋅的蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致焊縫中產(chǎn)生氣孔[33-34]。為解決這一問(wèn)題，Hasanniah 等學(xué)者[31]采用冷軋焊的方法在St-12 鋼表面制備了Al-1050 覆層，采用TIG 進(jìn)行了帶鋁覆層的St-12 鋼板和Al-5052 鋁合金的焊接，接頭形式為搭接，填絲采用的是Al-Si 焊絲。結(jié)果顯示，鋁覆層顯著減小了IMCs 層的厚度，使其下降到了4 μm 以下，接頭剪切強(qiáng)度則達(dá)到了197 MPa。

Wu 等學(xué)者[35]采用等離子弧焊方法焊接了DP1180超高強(qiáng)鋼和5A06 鋁合金，焊接時(shí)采用了銅中間層，接頭結(jié)構(gòu)如圖4[35]所示?；旌辖宇^由銅側(cè)的銅/鋼熔焊接頭、未熔化的銅、液相擴(kuò)散反應(yīng)形成的銅鋁界面層構(gòu)成。銅形成了鋁鐵之間的擴(kuò)散屏障，防止了鐵鋁IMCs 的形成。銅鋁界面處形成了銅鋁IMCs，但其脆性比鐵鋁IMCs 的要小，從而使接頭性能獲得了提高。

圖4 帶銅中間層的鋁/鋼等離子弧焊接頭結(jié)構(gòu)示意圖[35]

彭聰?shù)葘W(xué)者[36]研究了用激光-MIG 復(fù)合焊焊接304 不銹鋼和5052 鋁合金搭接接頭時(shí)，添加Cu 及Ni薄片作為中間層對(duì)接頭性能的影響。結(jié)果表明：在添加銅或鎳中間層后，會(huì)形成Al-Cu 化合物或Al-Ni化合物，減少了Fe-Al 化合物的產(chǎn)生?；瘜雍穸确謩e降低75.00% 和87.50%，平均硬度分別降低9.60%和4.60%。

Xu 等學(xué)者[37]研究了Ni 中間層厚度對(duì)鋁/鋼激光焊搭接接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)中間層厚度從0 μm 增加到50 μm 過(guò)程中，熔深先增大再減小，在中間層厚度為20 μm 時(shí)達(dá)到最大，接頭剪切拉力也達(dá)到最大，比未添加中間層的接頭提高了92%。

為了改變IMCs 沿結(jié)合界面平行分布的特征，Cong 等學(xué)者[28]在采用TIG 焊填加Zn15%Al 焊絲焊接對(duì)接的5052 鋁合金和Q235 鋼板時(shí)，在焊槍后方10 mm處放置了一個(gè)同步移動(dòng)的鉆頭，在焊接時(shí)，對(duì)熔池進(jìn)行攪拌，試驗(yàn)原理如圖5[28]所示。結(jié)果表明：連續(xù)的片層狀I(lǐng)MCs 被破碎，界面抗剪強(qiáng)度得到了提高，高達(dá)182 MPa。

圖5 攪拌輔助焊接原理示意圖[28]

石玗等學(xué)者[38]采用小功率激光對(duì)鋼板表面進(jìn)行了毛化處理，隨后進(jìn)行了鋁/鋼的TIG 熔釬焊，接頭形式為搭接。鋼板表面經(jīng)毛化處理后，鋼側(cè)界面由平直變?yōu)榘疾蹱顝澢?，IMCs 由沿界面均勻連續(xù)分布變?yōu)榘疾蹆?nèi)數(shù)量較多的非均勻分布，使接頭強(qiáng)度得到了提高。

4 改善潤(rùn)濕性和鋪展性的方法

改善鋁在鋼表面潤(rùn)濕性和鋪展性的方法主要有：采用鍍層/覆層、采用釬劑、采用輔助磁場(chǎng)、進(jìn)行預(yù)熱或輔助加熱等。

為研究鋼的表面狀態(tài)對(duì)鋁/鋼熔釬焊接頭質(zhì)量的影響，Yagati 等學(xué)者[32]采用脈沖MIG 工藝分別在無(wú)鍍層鋼板、鍍鋅鋼板、熱浸鋅鋼板表面上搭接焊了A6061-T6 鋁合金板。結(jié)果表明：鋁在鍍鋅鋼板上的潤(rùn)濕和鋪展最好，接頭強(qiáng)度也最高；熱浸鋅鋼板次之；無(wú)鍍層鋼板最差。

Qin 等學(xué)者[39]在采用MIG 焊接5052 鋁合金和鍍鋅鋼板對(duì)接接頭時(shí)，采用了一種由73.6% KAlF4+18.4%K3AlF6+8% K2SiF6（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）組成的釬劑，覆蓋在熔池表面的釬劑減弱了鋅的揮發(fā)，并和鋅一起促進(jìn)了填充金屬的鋪展，從而使接頭強(qiáng)度得到了提高。

Dong 等學(xué)者[40-41]采用鋅基帶釬劑的藥芯焊絲焊接了5A02-H34 鋁合金和無(wú)鍍層的Q235B 碳鋼板。焊劑顯著提高了熔融金屬在鋼板上的潤(rùn)濕性。生成的IMCs 的厚度約為15 μm，搭接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到111 MPa。在對(duì)接接頭中，預(yù)留1.5 mm 寬的間隙可以很好地促進(jìn)液態(tài)金屬的潤(rùn)濕，改善焊縫成形，提高接頭強(qiáng)度，不留間隙會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)濕惡化，鋼板側(cè)面和背面成形不良。

為了提高鋁在鋼表面的鋪展性，Wang 等學(xué)者[14]采用MIG 搭接焊的5052 鋁合金和鍍鋅鋼板時(shí)施加了焊接方向的外加交變磁場(chǎng)，試驗(yàn)裝置如圖6[14]所示。磁場(chǎng)產(chǎn)生了垂直于焊接方向的電磁力，使電弧和熔滴在熔寬方向上產(chǎn)生擺動(dòng)，增大了液態(tài)金屬的鋪展性，提高了接頭強(qiáng)度。在焊接方向施加磁場(chǎng)克服了施加軸向磁場(chǎng)導(dǎo)致的波浪狀焊道問(wèn)題[42-43]。

圖6 電磁場(chǎng)輔助MIG 焊裝置示意圖[14]

Ye 等學(xué)者[44-45]提出了一種高頻電協(xié)同電弧焊方法（High frequency electric cooperated arc welding,HFAW）用于鋁/鋼的熔釬焊。HFAW 方法原理如圖7[46]所示。在MIG 焊槍前部坡口兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)電極，和MIG焊槍同步移動(dòng)。2 個(gè)電極和高頻電源相連，高頻電流從一個(gè)電極出發(fā)，經(jīng)熔池到另一個(gè)電極形成回路。焊接時(shí)，母材先被高頻電流預(yù)熱，在熔滴到達(dá)母材前，焊劑首先熔化、活化，使填充金屬的鋪展性、潤(rùn)濕性得到極大提高，而且趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)使整個(gè)坡口加熱更均勻，使背面成形更好[45]。

圖7 HFAW 方法原理[46]

Zhang 等學(xué)者[27]在進(jìn)行7005 鋁合金和321 不銹鋼MIG 熔釬焊時(shí)，采用TIG 電弧對(duì)不銹鋼板進(jìn)行輔助加熱，以提高熔融金屬的鋪展性。試驗(yàn)裝置如圖8[27]所示。TIG 輔助電弧距離MIG 電弧35 mm，同步移動(dòng)。填絲為1100 純鋁焊絲。TIG 電弧改善了鋁的潤(rùn)濕性，使其在鋼的上表面、端面和背面全部鋪展開(kāi)。而且IMCs 中Cr，Ni 元素的含量增加，提高了IMCs 層的性能。帶TIG 輔助電弧加熱焊出的對(duì)接接頭抗拉強(qiáng)度為146.7 MPa，遠(yuǎn)高于沒(méi)有輔助加熱的接頭的96.7 MPa。

圖8 TIG 輔助電弧加熱鋁/鋼焊接裝置示意圖[27]

Qin 等學(xué)者[47]在MIG 熔釬焊6013-T4 鋁合金和鍍鋅鋼板時(shí)，采用大光斑Nd:YAG 激光進(jìn)行輔助加熱，試驗(yàn)裝置如圖9[47]所示。接頭形式為搭接，填絲為ER4043 焊絲。大光斑激光在MIG 焊槍前對(duì)鍍鋅鋼板進(jìn)行預(yù)熱，以提高熔融鋁的鋪展性。結(jié)果表明：隨著焊接電流和激光功率的增加，接頭抗拉強(qiáng)度增大到一個(gè)最大值后下降。最大可達(dá)到247.3 MPa。IMCs層厚度可控制在2～4 μm。

圖9 激光+MIG 復(fù)合焊裝置圖[47]

5 結(jié)束語(yǔ)

鋁/鋼焊接既是焊接領(lǐng)域的熱點(diǎn)，也是焊接領(lǐng)域的難點(diǎn)，鋁/鋼電弧熔釬焊是其全面走向工程應(yīng)用最具希望的幾種焊接方法之一。多年來(lái)焊接領(lǐng)域的研究工作者在鋁/鋼電弧熔釬焊研究上付出了艱辛的努力，取得了巨大的成就。在IMCs 控制方面，探索出了包括減小焊接熱輸入、降低熱源能量密度、添加具有抑制IMCs 生長(zhǎng)的合金元素、采用中間層等多條技術(shù)路線；在鋪展和潤(rùn)濕性改善方面，提出了采用鍍層/覆層、采用釬劑、采用輔助磁場(chǎng)、預(yù)熱或輔助加熱等多種方法，使鋁/鋼焊接接頭性能得到不斷的提高。但是，鋁/鋼電弧熔釬焊還有許多問(wèn)題需要解決，例如厚大工件的熔釬焊問(wèn)題，對(duì)接接頭熔釬焊的背面成形問(wèn)題，熔釬焊的效率問(wèn)題，無(wú)鍍層鋼板的無(wú)釬劑熔釬焊問(wèn)題等等，還需要焊接研究工作者不斷去攻克。