隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，異種金屬之間的焊接越來(lái)越多。異種金屬接頭不僅可以滿足單一金屬自身不能滿足的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能等方面的要求，而且還可以節(jié)省費(fèi)用，節(jié)約能源，提高使用性能。在現(xiàn)代汽車工業(yè)生產(chǎn)中，鋼結(jié)構(gòu)和鋁合金的結(jié)合使用成為節(jié)能減排的重要技術(shù)，采用鋼和鋁異種金屬焊接已成為汽車輕量化的重要途徑之一[1-2]。

　　目前國(guó)外汽車工業(yè)采用鋁合金與鋼的復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)代替部分鋼構(gòu)件，以減低自重，提高效率。因?yàn)殇X和鋼的晶體結(jié)構(gòu)、物理及化學(xué)等性質(zhì)大為不同（熔點(diǎn)、密度、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性和熱容量等），使得鋁合金與鋼的焊接性很差[3]。鋁的化學(xué)活性較強(qiáng)，表面容易被穩(wěn)定而致密的氧化膜覆蓋，故其焊接過(guò)程中極易產(chǎn)生焊接夾渣，破壞了焊接接頭的連續(xù)性；同時(shí)由于連接界面金屬間氧化物的存在，焊接接頭脆化嚴(yán)重，接頭的力學(xué)性能大大降低；熱導(dǎo)率和彈性模量的相差懸殊，容易引發(fā)較大的焊接應(yīng)力。

　　因此，鋼/鋁異種金屬焊接一直是焊接領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。鋼/鋁異種金屬連接方法主要有壓焊、釬焊、熔焊以及這三種方法的復(fù)合方式[2]。其中，在焊接要求較高的條件下，復(fù)合方式的研究和應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文研究了鋼/鋁異種材料焊接的主要方法和應(yīng)用特點(diǎn)，為汽車行業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用提供參考。

　　1壓焊

　　壓焊是焊接過(guò)程中，對(duì)焊件施加壓力（加熱或不加熱）而完成焊接的方法。以下是幾種常見(jiàn)的壓焊工藝。

　　1.1電阻點(diǎn)焊和縫焊

　　焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電流通過(guò)焊件時(shí)產(chǎn)生的電阻熱，熔化母材金屬，冷卻后形成焊點(diǎn)，這種方法稱為電阻點(diǎn)焊。電阻點(diǎn)焊是一種高效經(jīng)濟(jì)的焊接方法，并且操作簡(jiǎn)便不需填充材料，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，特別適用于連接要求不氣密的薄板搭接構(gòu)件，汽車、摩托車、航天航空等行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用。為了滿足新型焊接材料對(duì)焊接工藝的要求[4-5]，國(guó)外許多大企業(yè)已將中頻點(diǎn)焊機(jī)器人和伺服技術(shù)點(diǎn)焊機(jī)器人應(yīng)用于轎車車身裝焊線上，特別是在發(fā)達(dá)國(guó)家，中頻點(diǎn)焊機(jī)器人使用量已占40%，并發(fā)展到鋁合金轎車的點(diǎn)焊作業(yè)。目前我國(guó)已有廠家正進(jìn)行中頻點(diǎn)焊機(jī)器人裝焊線的建造中（沈陽(yáng)寶馬、北京現(xiàn)代、東風(fēng)日產(chǎn)和一汽轎車等）。為了縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距必須加大力度對(duì)中頻電阻焊的研究。

　　目前，關(guān)于鋁合金與鋼的異種材料電阻點(diǎn)焊的研究主要有以下兩類工藝方法[6]：①工藝墊片法；由于鋁合金和鋼的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等相差懸殊，導(dǎo)致焊接過(guò)程中熱分布不平衡且容易產(chǎn)生偏析，所以在點(diǎn)焊過(guò)程中鋁側(cè)與電極之間加一個(gè)工藝墊片（一般為鋼），用來(lái)改善鋁一側(cè)的析熱，從而實(shí)現(xiàn)鋼和鋁之間的對(duì)稱性連接；②中間過(guò)渡層法（單一材料過(guò)渡層法，復(fù)合板過(guò)渡層法）。如果鋼和鋁直接接觸，兩者容易發(fā)生界面反應(yīng)產(chǎn)生金屬間化合物，從而影響接頭的抗拉強(qiáng)度等，所以在焊接鋼和鋁異種金屬時(shí)在兩者之間插入第三金屬或者合金，避免了鋼和鋁之間的直接接觸，其中鍍鋅鋼板應(yīng)用的最廣。

　　楊修榮等人[7]對(duì)輕量化汽車的焊接做了大量的研究，現(xiàn)代汽車除車體會(huì)由目前鋼結(jié)構(gòu)演變?yōu)槔砟钕冗M(jìn)的混合式空間結(jié)構(gòu)，還會(huì)依據(jù)部位要求采用不同性能的輕質(zhì)材料，以實(shí)現(xiàn)材料與零部件功能的最佳匹配。鋁合金、鎂合金、工程塑料、復(fù)合材料和高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼等輕量化材料的應(yīng)用在汽車的輕量化過(guò)程中將發(fā)揮重大作用。

　　日本學(xué)者LeeKwang-Jin等[8]使用磁壓縫焊方法進(jìn)行了低碳鋼（SPCC）/A6111鋁合金的焊接，在焊接界面形成一個(gè)中間過(guò)渡層。微觀分析發(fā)現(xiàn)搭接結(jié)合呈現(xiàn)波浪形態(tài)，組織類似爆炸焊接。透射顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，過(guò)渡層由細(xì)小的鋁顆粒（約100nm）和更細(xì)小的金屬間化合物顆粒組成。焊接強(qiáng)度高，力學(xué)性能測(cè)試斷裂位置位于母材。

　　傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝在現(xiàn)有的車身焊接制造中約占75%，應(yīng)用最為廣泛，操作也較為簡(jiǎn)單。但同樣在新材料的應(yīng)用時(shí)面臨問(wèn)題。電阻點(diǎn)焊焊鋁時(shí)，電極極易被污染，300個(gè)左右的點(diǎn)焊就需要更換或修磨電極，生產(chǎn)的連續(xù)性受到影響。

　　2005年，著名焊機(jī)制造商奧地利fronius公司推出一款新型的電阻點(diǎn)焊機(jī)，其原理非常簡(jiǎn)單，在工件和電極之間增加一條電極帶，焊接時(shí)電極壓住電極帶，每焊完一個(gè)點(diǎn)，電極帶自動(dòng)轉(zhuǎn)到下一個(gè)位置，每個(gè)焊點(diǎn)都是“全新的”電極，這樣可以保證電極和工件的接觸表面總是干凈的，所以焊接質(zhì)量和精度較高。其中電極帶不僅可以用來(lái)保護(hù)電極，還可以改善鋼和鋁的接觸電阻，進(jìn)而改變熱量分布，有效地實(shí)現(xiàn)了電極兩端的熱平衡，非常適于鋼和鋁的焊接。激光焊工藝具有能量集中、焊接速度快、熔深深、熱影響區(qū)小、焊縫強(qiáng)度高、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)被用于車身上較長(zhǎng)的焊縫（如車頂、行李廂蓋），或者用于高強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)件上。但其也有自身的缺點(diǎn)，一是對(duì)裝配要求高；二是高反射率材料（如鋁、銅）難焊接；三是投資成本高。

　　1.2摩擦焊

　　摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端面達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法。摩擦焊方法的作用溫度和時(shí)間容易控制，這樣大大降低了有害相以及大晶粒結(jié)構(gòu)的形成，所以該方法非常適用于連接鋁和鋼異種金屬接頭[9]。

　　王希靖等[10]用該方法對(duì)大面積鑄態(tài)純鋁與Q235鋼進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，其中攪拌頭轉(zhuǎn)速為1230r/min，一級(jí)摩擦壓力為39.2MPa，二級(jí)摩擦壓力為78MPa，一級(jí)摩擦?xí)r間1.5s，二級(jí)摩擦?xí)r間2.0s，頂鍛壓力78MPa，頂鍛時(shí)間1s，剎車時(shí)間0.2s。試驗(yàn)所得焊接接頭飛邊成形美觀、焊合區(qū)性能良好，接頭強(qiáng)度甚至可以超過(guò)鋁一側(cè)基體。研究了熱處理溫度對(duì)接頭性能的影響，熱處理溫度較高時(shí)試樣在鋁側(cè)斷裂，伸長(zhǎng)率隨溫度的升高而增大，抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而下降。

　　摩擦焊與傳統(tǒng)的焊接方法不同點(diǎn)在于焊接的整個(gè)過(guò)程中，待焊金屬并沒(méi)有獲得使其溫度達(dá)到其熔點(diǎn)的能量，即金屬是在熱塑性狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的固態(tài)連接，其接頭質(zhì)量高，能滿足焊縫強(qiáng)度與機(jī)體材料等強(qiáng)度，并且焊接效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保、一致性好。在鋼鋁等異種材料的焊接方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此獲得了廣泛的研究和應(yīng)用。但是這種焊接方法對(duì)接頭的形狀要求特別嚴(yán)格，一般都是圓柱形接頭（直徑在60~100mm），這大大降低了其實(shí)用性。

　　1.3攪拌摩擦焊

　　攪拌摩擦焊方法與常規(guī)摩擦焊一樣，也是利用摩擦作為焊接熱源，不同之處在于，攪拌摩擦焊焊接過(guò)程是由一個(gè)圓柱體形狀的焊頭伸入工件的接縫處，通過(guò)攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的溫度升高軟化，同時(shí)對(duì)材料攪拌摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接的。

　　邢麗等[11]用該方法實(shí)現(xiàn)了LF防銹鋁和ST12低碳鋼的有效焊接，其中對(duì)接時(shí)低碳鋼和防銹鋁的厚度都為2.5mm，搭接時(shí)鋁合金板的厚度為2mm，低碳鋼的厚度為2.5cm。試驗(yàn)用的攪拌頭是用高溫合金制成的，攪拌頭的轉(zhuǎn)速為1180r/min，焊接速度為95～150mm/min。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接工藝參數(shù)合適時(shí)，可以得到表面成形良好的接頭，通過(guò)對(duì)兩種接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)搭接接頭塑性更好。攪拌摩擦焊焊接過(guò)程中，焊接溫度較低，熱輸入也小，并且焊接接頭變形小，接頭性能優(yōu)異，對(duì)材料的適應(yīng)性極強(qiáng)，幾乎可以焊接所有類型的鋁合金材料。攪拌摩擦焊還提高了焊接接頭的力學(xué)性能，避免了熔化焊時(shí)出現(xiàn)的缺陷，而且焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織變化較小。

　　1.4擴(kuò)散焊

　　兩焊件緊密貼合，在真空或保護(hù)氣氛中，在一定溫度和壓力下保持一段時(shí)間，使接觸面之間的原子相互擴(kuò)散完成焊接的一種壓焊方法。擴(kuò)散焊是在熱壓焊基礎(chǔ)上，還具有釬焊的某些優(yōu)點(diǎn)。其特點(diǎn)是可以焊接其它焊接方法難以焊接的材料（不同種類材料、壁厚相差大、精度很高的工件）。擴(kuò)散焊可以分為兩種：一種是加中間擴(kuò)散層的擴(kuò)散焊，另一種是不加擴(kuò)散層的擴(kuò)散焊。

　　大量研究表明，對(duì)于鋁及鋁合金與鋼的擴(kuò)散焊，影響焊接接頭力學(xué)性能的主要是因素是材料表面的氧化膜和接頭界面產(chǎn)生的金屬間化合物[12]。因此，必須提出切實(shí)可行的改進(jìn)措施加強(qiáng)對(duì)界面氧化膜和界面反應(yīng)機(jī)理的研究，實(shí)現(xiàn)鋁及鋁合金與鋼擴(kuò)散焊連接工程化。

　　2釬焊

　　釬焊是指用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作為釬料，液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材和填充工件焊口間隙并使其與母材相互擴(kuò)散的焊接方法。鋁鋼釬焊過(guò)程中，基體沒(méi)有發(fā)生熔化，這樣可以防止金屬間化合物的大面積生成，同時(shí)焊接參數(shù)具有良好的可控性[13]，可以通過(guò)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)控制金屬間化合物層的厚度，而且還可以通過(guò)控制釬料的成分來(lái)精確地控制界面反應(yīng)過(guò)程，從而獲得具有良好力學(xué)性能的鋁鋼異種金屬接頭。但是這種方法獲得的焊接接頭強(qiáng)度低，耐熱性差，且焊接成本高、焊接效率低、焊前清整要求嚴(yán)格，實(shí)際應(yīng)用性大大降低。

　　3熔焊

　　熔焊是指焊接過(guò)程中，將焊接接頭在高溫等作用下至熔化狀態(tài)。由于被焊接工件是緊密貼在一起的，在溫度場(chǎng)、重力等的作用下，不加壓力，兩個(gè)工件熔化的熔液發(fā)生混合現(xiàn)象，待溫度降低后，熔化部分凝結(jié)，兩個(gè)工件就被牢固的焊接在一起了。在鋼和鋁熔焊時(shí)，一般情況下鋼是不熔化的，只有鋁處于熔化狀態(tài)，這樣可以大大降低焊縫金屬間氧化物的形成[14]，所以鋼和鋁的焊接接頭兼有熔焊和釬焊的特點(diǎn)，焊接接頭形式主要以搭接為主。當(dāng)前，汽車及其相關(guān)工業(yè)對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)的需求越來(lái)大，再加上熔焊具有很靈活的操作性，焊接效率高等特點(diǎn)，因此在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。

　　鋁和鋼熔焊時(shí)，為了降低金屬間化合物的生成，避免鋼的熔化，必須有效的控制焊接熱輸入；為了得到性能良好的焊縫組織，要求鋁及其合金能較好的潤(rùn)濕鋼板表面。綜合以上因素，電子束焊、激光焊以及氬弧焊三類方法可以用來(lái)焊接鋁/鋼異種金屬接頭，這些方法效率高，對(duì)工件沒(méi)有什么特殊要求，因此應(yīng)用前景十分廣闊。

　　4復(fù)合方式焊接

　　4.1熔焊-釬焊

　　鋼一側(cè)為釬焊，在鋁一側(cè)為熔焊。如：激光熔焊-釬焊法、脈沖熔焊-釬焊法和CMT法（異種材料冷金屬過(guò)渡釬焊）。德國(guó)布萊梅激光研究所的Kreimeyer等人[15]利用非腐蝕氟化物釬劑清理金屬表面的氧化膜，在氬氦混合氣體的保護(hù)下，實(shí)現(xiàn)了鋼和鋁的對(duì)接接頭和搭接接頭的連接。激光束焊熱輸入小，焊接熔池溫度梯度高、冷速快，金屬間化合物的厚度（＜2μm）得到了有效地控制，從而得到了焊接性能優(yōu)質(zhì)焊接接頭（最大斷裂強(qiáng)度達(dá)到188MPa）。

　　用鋅作為過(guò)渡層，不僅增加了鋁對(duì)鋼的潤(rùn)濕性，還減少了界面化合物的厚度。日本大阪大學(xué)的Murakami等人[16]研究表明，采用MIG電弧釬焊方法可以實(shí)現(xiàn)冷軋普通碳鋼板和純鋁板搭接接頭的連接。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑黾雍附铀俣龋梢杂行У胤乐菇饘匍g化合物的生成，當(dāng)金屬間化合物層的厚度小于2.5μm時(shí)，可以得到性能良好的焊接接頭，其橫向拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到80MPa。

　　4.2熔焊-壓焊

　　例如激光壓焊，這種方法與常規(guī)的熱壓焊相比，高能量密度的激光束控制焊接過(guò)程中的熱輸入，可以實(shí)現(xiàn)壓焊部位的快速加熱和快速冷卻[17]，從而可以有效地抑制金屬間化合物的生成，得到性能良好的焊接接頭。

　　4.3滾壓復(fù)合焊

　　滾壓復(fù)合焊通過(guò)對(duì)焊接速度的控制改善了鋁及鋁合金表面氧化膜的不利影響，有效的防止了金屬間化合物的生成[17-18]，增加了焊接接頭的塑性，從而得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。（如：真空滾壓焊、激光滾壓焊等）。

　　5結(jié)論

　?。?）壓焊和釬焊由于基體在焊接過(guò)程中保持固態(tài)，同時(shí)可以較好的控制焊接熱輸入，因此金屬間化合物對(duì)接頭性能影響不大，比較適合鋼和鋁之間的焊接，但是這種焊接方法效率較低，不適于大批量生產(chǎn)。電阻點(diǎn)焊具有生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)便、不需填充材料、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，迄今是汽車車身生產(chǎn)的主要焊接方法，然而這種焊接方法還不夠成熟，不夠完善，特別是在改善接頭性能方面有待做進(jìn)一步的研究，并且其對(duì)焊接設(shè)備的要求也較高。

　?。?）熔焊方法比較靈活，效率較高，但是金屬間化合物的生成又不可避免。采用熔釬結(jié)合的方法已經(jīng)獲得了很好的效果，但是對(duì)于金屬間化合物的形成機(jī)理以及如何促進(jìn)鋼/鋁之間的潤(rùn)濕性等方面還沒(méi)有系統(tǒng)研究。

　?。?）擴(kuò)散焊可以焊接其它焊接方法難以焊接的材料，對(duì)于鋁及鋁合金與鋼的擴(kuò)散焊，影響焊接接頭力學(xué)性能的主要因素是材料表面的氧化膜和接頭界面產(chǎn)生的金屬間化合物。因此，必須提出切實(shí)可行的改進(jìn)措施加強(qiáng)對(duì)界面氧化膜和界面反應(yīng)機(jī)理的研究，實(shí)現(xiàn)鋁及鋁合金與鋼擴(kuò)散焊連接的工程化。

　?。?）攪拌摩擦焊點(diǎn)焊也是一種新興的綠色焊接方法，迄今為止科學(xué)家們雖然做了大量的研究工作，但是還沒(méi)有應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，影響其應(yīng)用的主要因素就是成本高、不夠靈活、焊接效率差等，還需要進(jìn)一步的研究。