铝-钢异种材料的焊接
大连理工大学科技成果——铝-钢异种金属弧焊技术
大连理工大学科技成果——铝-钢异种金属弧焊技术
一、产品和技术简介：
铝或铝合金与钢之间的热物理性能差异较大，尤其是熔点、比重、热膨胀系数等的巨大差异，导致铝与钢之间难以直接进行弧焊。
为了实现铝与钢之间的可靠焊接，经常需要在钢表面镀上锌、铝或其他金属，或者在铝与钢之间放置过渡层金属或双金属片，从而将铝与钢之间的焊接转化为铝与过渡层金属之间的连接。
然而，在钢表面镀过渡层金属增加了工艺步骤和制造成本，而且，即使增加了过渡层金属，也并不能保证铝-钢焊接接头的可靠性。
该技术可以直接将铝合金与不锈钢采用弧焊技术连接在一起，钢表面不用镀过渡层金属。
拉伸测试结果表明，铝-钢接头断裂在铝合金母材区。
该弧焊技术有利于实现铝-钢异种金属焊接制造过程自动化，提高生产效率。
二、应用范围和生产条件：
该技术可以应用于存在铝-钢异种金属连接的结构中，将铝合金与不锈钢各自的性能优势有效结合起来。
三、获得的专利等知识情况：
铝合金/钢异种金属弧焊技术为本课题组自主研发技术，相关成果已经在国内外学术期刊公开发表，具有自主知识产权。
四、规模与投资、成本估算：焊接成套设备30万。
五、提供技术的程度和合作方式：共同开发或技术转让。
六、产业化程度：目前，该项技术处于实验室阶段，受国家自然科学基金和辽宁省自然科学基金资助，技术条件较为成熟。
浅议汽车钢铝异种金属焊接技术
浅议汽车钢铝异种金属焊接技术铝合金具有密度小，比刚度和比强度高，导热、导电性能好，抗腐蚀破坏能力优异及良好的加工性能等一系列优点，被广泛用到航空航天、交通工具等领域。
汽车工业中大多采用铝合金代替钢材的方法来减轻车身重量，钢、铝异种金属的连接逐渐增多，因此，钢、铝异种金属间的焊接成为轻量化汽车制造过程中的重要工艺之一。
然而，钢和铝两种金属材料在物理和化学性能方面存在着巨大的差异，并且钢与铝的固溶度非常低，钢与铝在焊接过程中容易形成大量的脆性金属间化合物，焊接时容易出现裂纹、未熔合等，会导致接头力学性能大大降低。
因此，钢、铝异种金属焊接非常困难，是一大技术难点，加强钢与铝异种金属焊接技术的研究，对于推动钢与铝异种金属的连接及应用具有重要的意义。
一、铝和钢异种金属的焊接性分析当要焊接的两种金属的物理、化学性能相差较大，且互溶性很低时，极容易产生大量脆硬性金属间化合物，从而严重降低异种金属焊接接头的力学性能。
脆性金属间化合物对异种金属焊接接头力学性能的影响程度与其成分、形貌特征及分布状态有关。
当金属间化合物属于高脆硬相，且以针状或层片状出现在界面处时，会割裂基体，严重增大焊接接头的脆性断裂倾向，导致接头的力学性能恶化；当金属间化合物脆硬性较低，同时呈现细小颗粒状弥散分布在焊接接头时，此时它对接头力学性能的恶化作用有所减弱。
当两种金属材料之间的物理化学性能接近，而且同时能够形成间隙式连续固溶体或者具有较高的互溶性，即异种金属间具有“冶金学上的相容性”时，可以实现异种金属材料之间的有效连接。
铝和钢异种金属的主要热物理性能相差很大，性能上的差异往往会导致铝、钢焊接性较差，主要表现在以下几个方面：1.由于铝和钢的熔点相差800～1000K，两者的溶点差异性明显，当低熔点的铝及铝合金已经完全熔化时，钢还保持着固体加热状态，两者不会形成冶金结合，而是铝液漂浮在钢材表面，这就使得两者很难发生熔合现象；两者密度相差也比较大，当钢完全熔化时，铝液漂浮在钢表面上，使冷却结晶后焊缝成分非常不均匀，严重地降低了焊接接头的质量。
异种金属焊接问题及焊接工艺分析
异种金属焊接问题及焊接工艺分析摘要：近年来，我国的科学技术水平不断提高，各种新设备、新技术、新工艺应运而生，随之对我国的工程构件的质量提出了更高的要求。
但是在进行工程施工时，不论是哪一种材料，都不可能全面满足施工的需求。
为了能够满足施工的需求，人们开始将不同的材料进行有效融合，让这些材料的性能得到了充分的发挥。
同时还能够有效替代贵重金属，减少不必要的经济投入，提升企业的经济效益。
所以在社会的各个行业之中，经常可以看到异种金属焊接的广泛应用。
但是，近几年我国经常发生异种金属焊接失效的情况，造成了一定的财产损失和人员伤亡。
关键词：异种金属；焊接；焊接工艺；特点一、异种金属焊接的特点在各种加工制造行业中，采用铝合金与钢为基本材料的金属构件已经成为了一种主流，铝合金具有质量轻、耐腐蚀性强、塑性好等特点，钢则是目前机械加工行业最常见的金属材料之一。
常见的二者连接方式一般分为两种，第一种是采用粘结的方式，这种方式接头的机械强度非常有限，无法满足高强度的焊接要求，因此使用的情况比较少。
另外一种就是机械连接，机械连接虽然能够实现高强度的连接，但是无法保证连接的气密性，而且进行机械连接会留下连接痕迹，影响美观。
因此焊接成为了异种金属的连接中最常用的连接手段，由于铝与钢的物理性能存在较大的差异，所以给焊接过程带来了一定的难度，具体包括以下几点：①熔点不同。
众所周知，不同金属的熔点不同，铝材料的金属熔点低于钢。
这就导致在两者进行焊接时，铝材料已经完全融化，整体呈现液态，而钢仍处于固态。
②密度不同。
二者之间的密度也不同，由于液态的铝水比钢水的密度小，所以尽管二者同时融化，那么也会出现铝水浮在钢水上的现象，这样就会导致在进行冷却、定型时，容易出现金属之间融合不均匀的现象，导致整个金属接头性能不理想。
③热导率不同。
由于二者之间的密度和热导率都不相同，加上线膨胀系数存在很大差别，因此在进行焊接的时候，就会造成焊接接头的变形，如果变形十分严重的话，还会产生焊接金属裂纹。
铝钢异种材料焊接研究现状与发展
铝钢异种材料焊接研究现状与发展作者：郑小明来源：《数字化用户》2013年第29期【摘要】当今科技的高速发展无疑让各个领域的技术都得到了滋润的甘露，在工业这一块儿，尤其如此。
改革开放以来，国内一直实行科学发展道路，全面推出可持续发展战略，这就推动了一些产业的技术革新，像铝钢异种材料的焊接技术在新世纪的今天就有了极大的发展。
但是，从总体来讲，这些异种材料的焊接技术发展的速度还比较缓慢，整体上可走向产业化发展。
【关键词】铝钢焊接技术产业化新中国成立以来实行的科技强国战略全面推动了科学技术的发展，越来越高的经济水平也要求相应的“绿色生活”出现，随之而来的需求催化了异种材料混合的诞生，而铝合金就是其中的典型。
铝合金是由铝和钢等其他一些异种材料通过焊接技术得来的焊接物，这种新型的钢材具有轻和硬度强的特点，如今在航天航空业、船舶制造业等机械制造业方面应用得十分广泛。
不过，铝钢这种异种材料焊接则在技术上的要求更高。
这几年，通过国家的大力研究已经研究出了一些焊接技术，像常见的激光焊、钎焊、电子束焊等等，不过这些技术应用在铝钢的焊接上还存在着一些问题，需要进一步地研究才能推进铝合金材料的大量生产和广泛应用。
一、当下铝钢异种材料焊接存在的情形异种材料的焊接具有一定的难度，尤其是铝钢这一类的金属，既要分析它们各自的活泼程度、熔点等化学属性，同时又要考虑到它们结合的材料是否会具有大众所需的轻、薄等物理属性。
而且，对于一些反映比较大的材料，在接口处可能会出现变形或裂纹，从而导致接口易损且易断。
现如今在铝钢异种材料的应用方面使用得最广泛的焊接技术，莫过于通过熔化来实现焊接的熔焊、利用压力实现焊接结合的压焊以及采用不同种类的钎料来实现异种材料的融合的钎焊。
（一）熔焊技术在铝钢异种材料中的应用所谓熔焊，是非常常见的一种焊接方法，它指的是通过电流、激光和气体等方式来对两种相同和不同的材料进行对接。
在焊接的过程中，熔焊需将焊接接头拿到高温下进行融化，然后再将两个被焊的接头紧紧连接在一起，之后经过冷却、重力等工序完成两个工件的融合。
铝合金／钢异种金属熔-钎焊技术研究进展
中图分类号 ： Ｔ ４ ７ １ Ｇ ５ ．７
０ 前
言
头 强度 ， 受工 件形 状 和尺 寸 的限制 ， 但 应用 范 围和 接 头
形式受到了很 大的限制。另外 ， 一些传统 的铝合金 与
钢 机械 连接 方法 如铆 接 、 栓 连 接都 有 各 自的不 足 ， 螺 而 不 能满 足 日益 发展 的 铝 合 金／ 复 合 结 构 在 密 封 及 表 钢
铝 与铁 的热 物 理 性 能 相 差 很 大 ， 因而 给 铝 和 钢 的
熔 化焊 带来 了很 多 困难 。表 １列 出了 铝 和铁 的主 要 热
间化合物 ， 严重 恶化接 头的力学性能 ， 而使铝合金／ 从 钢熔化焊接头失去了应用价值 。对于钎焊和摩擦焊等 固相连接方法来说 ， 虽然可以得到较高的铝合金／ 钢接
参考。 １ 铝 与 钢焊 接 时存在 的 问题
焊、 钎焊 、 爆炸焊、 扩散焊 、 电阻焊和激光 焊等 ， 可分 为 熔化 焊 、 焊和 固相 焊 三大 类 。对 熔 化 焊来 说 ， 钎 由于铝
与 钢两 种金 属 在 固态 下 几 乎 不 固溶 ， 热 物 理 性 能差 且
异较 大 ， 焊 接接 头 内极 易生成 硬 而脆 的 Ｆ 在 ｅ—Ａ 金属 １
收稿 日期 ： ０ ０—１ ２ ２ １ ０— ９
物理性能参数Ｈ 。 Ｊ 从表中数据可知 ： （ ）由于铝和钢 的熔 点和密度相差均 比较大 ， １ 当 钢完全熔化时 ， 液态铝浮在钢表面上 ， 冷却结晶后焊缝 成分很不均匀 ， 严重降低 了接头的质量 。此外 ， 铝易氧
基金 项 目： 国家 自然科学基金资助 项 目（ ０ ０ ０ ９ ； ５ ９ ５９ ） 教育部博士 点基金
铝合金与不锈钢的焊接工艺
04 铝合金与不锈钢的异同点
材料特性比较
铝合金
轻质、高强、耐腐蚀，良好的导 电和导热性能，易于加工成型。
不锈钢
高强度、耐腐蚀、美观，良好的 焊接性能，但导热导电性能较差 。
焊接工艺比较
铝合金
常用的焊接方法有TIG、MIG、激光 焊等，焊接过程中需要严格控制焊接 参数和保护气体的选择。
不锈钢
常用的焊接方法有电弧焊、激光焊等 ，焊接过程中需要控制焊接速度和电 流电压，以保证焊缝质量和美观度。
航空航天领域铝合金焊接
铝合金因其轻量化和高强度特性在航空航天领域广泛应用，焊接工艺需满足高强 度和耐腐蚀要求。
不锈钢焊接实例
不锈钢厨具焊接
不锈钢厨具在生活中常见，焊接时需考虑材料的耐腐蚀和美 观性，确保焊缝光滑、无瑕疵。
石油化工领域不锈钢管道焊接
在石油化工领域，不锈钢管道焊接需确保高强度和耐腐蚀， 防止介质泄漏和腐蚀。
随着技术的进步，铝合金与不锈钢的 焊接工艺将更加高效，能够实现快速、 高质量的焊接，提高生产效率。
随着环保意识的提高，无污染或低污 染的焊接技术将受到重视，如激光焊 接、气体保护焊接等。
智能化焊接
焊接工艺将朝着智能化方向发展，通 过自动化控制系统实现精确控制焊接 参数，提高焊接质量。
对未来研究的建议
。
后热处理
某些铝合金需要进行后热处理 以提高焊接接头的性能。
焊接缺陷及预防措施
裂纹
选择适当的焊接方法和参数，控制热 输入量和冷却速度，减少裂纹的产生。
气孔
选择适当的保护气体和清洁母材表面， 控制熔池温度和保护气体的流量，减 少气孔的产生。
未熔合
控制焊接电流和速度，保持适当的焊 缝间隙和角度，减少未熔合的产生。
钢与铝的焊接-CMT技术
另一主要问题腐蚀问题，由于两种材料电化学电位差别较大，只要存在电位差，就会有电解发生（原理相当于电池），而铝电位低，因而是负极，会随着电解而腐蚀。
图-4低放大倍率的接头图图-5接头的晶向图
从图-4图中可以清楚看到，铝这边是熔焊上的，而钢这边是钎焊上的。
从图-5可以看到，IMP脆性相只有2.41µm。
在所有的实验中IMP相的厚度都是低于10 µm，因而接头的性能更多的是受母材性能的影响，而不是接头中的IMP相，在强度测试过程断裂处总是发生在铝的热影响区，有时甚至在铝基体上。表二是种测试的强度平均值
1
由于两种材料有着不同的化学和物理性能，如熔点、热膨胀系数、弹性模量等（见表-1），因而通过热加工的焊接工艺来焊接钢与铝时会面临许多问题。
名称
单位
钢
纯铝
熔点
°C
1536°C
660°C
弹性模量
N/mm²
20400
6750
密度（20℃）
g/cm³
7.87
2.7
热传导率
W/mK
46
222
标准电压（在25℃）
V
-0.44
-2.34
表1钢和铝的物理性能
最大的问题是铝与钢易形成非常硬和脆的IMP相（intermetallic phases），并且焊接热输入量越大，生成的IMP相就越多。这种脆性相严重破坏接头的静态和动态的强度，以及恶化接头的塑性。
图1二元的AL-Fe相位图
在图中左边可以看出铁在固熔状态下是可以熔解一部份铝，但当铝的含量超过12%时，晶体结构发生根本的改变，形成FeAL(β)，Fe3Al(β)混合物，这些混合物是非常硬(250-520HV)和脆的。如果铝在铁中的含量进一步提高，就会形成Fe2Al(ξ), Fe2Al5(η)和FeAl3(θ)混合物，这些混合物硬度更高(600 – 1100 HV)，更脆。这种脆性物的产生是由于铁在铝中的扩散或是铝在铁中的扩散。当两种不同材料电化学电位有差别时，就会发生分子扩散以弥补电位差，电位相差越大时（铁和铝的△E~1.22 V），扩散的趋势就越大，如果两种材料都是处于液态，则扩散就更容易。
异种金属的焊接
异种金属的焊接本文分析了异种金属焊接的研究现状、应用和发展趋势，旨在为异种金属焊接研究提供帮助。
焊接是现代工业生产中的重要金属加工工艺方法，广泛应用于造船、航空、航天、汽车工业和机械制造等领域。
随着科学技术的发展，异种金属的焊接技术发展越来越快，质量要求也越来越高。
因此，研究异种金属的焊接工艺技术已成为焊接领域的一种发展趋势。
1.异种金属的焊接研究现状1.1 铝钢异种金属焊接研究现状近年来，汽车工业为了节约燃料、保护环境、不断努力减轻汽车重量，对汽车材料提出了更高的要求。
增加铝材的使用量是其中的重要措施之一。
因此，在汽车工业生产中，采用“钢+铝”双金属焊接结构成为汽车轻量化的首选方案，这必然涉及到铝和钢两种材料之间的连接。
目前，应用于铝和钢连接的焊接方法主要有压焊、钎焊、熔焊、扩散焊、电弧焊、激光焊和磁脉冲焊等。
铝钢之间的焊接一直是焊接领域的难点和热点问题，其中脆性金属间化合物的生成是影响接头性能的主要因素。
压力焊和钎焊由于基体可以在焊接过程中保持固态，同时焊接热输入容易控制，因此接头的性能一般不受限于金属间化合物的厚度，比较适于铝钢之间的焊接。
但是这种焊接方法效率较低，对工件的尺寸和形状有特殊的要求，不适于大批量生产。
熔焊方法比较灵活，效率较高，但是金属间化合物又成为不可避免的附加产物。
虽然采用熔钎结合的方法已经获得了很好的效果，但是对于金属间化合物的生长动力学以及如何促进铝合金熔体润湿钢板表面等方面还没有系统研究，因此，解决上述问题对于促进高效的焊接方法在铝钢焊接中的应用具有重要的意义。
1.2 铜钢异种金属焊接研究现状采用钢和铜复合零部件因在性能与经济上优势互补，具有广阔的应用前景。
世界各国的研究者对铜和钢的焊接进行了实验和理论分析，目前常用的焊接方法有熔焊、压焊、钎焊和熔焊-钎焊等。
不需要删除明显有问题的段落。
每种焊接方法都有其独特的特点和适用范围。
其中，冷金属过渡焊接是一种相对较新的焊接方法，具有广阔的应用前景。
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铝-钢异种材料的焊接
铝合金具有密度小、耐蚀性好、导电性及导热性高等优良特性，使用铝合金来代替钢能够大大降低焊接结构的质量。
而钢具有良好的焊接性和力学性能，铝-钢焊接结构已广泛应用于汽车、轮船制造等行业。
铝的熔点为660℃，比钢低700-900℃，在焊接时，熔点低的铝先熔化，此时钢仍未熔化，由于铝与钢的密度差别较大，熔池中的铝会浮在钢上面，冷却后会造成焊缝成分的不均匀；铝和钢之间的线膨胀系数相差较大，会导致在焊接接头中产生较大残余应力，会导致产生焊接裂纹。
为实现铝-钢的可靠连接就需要克服铝及铝合金表面的氧化膜对连接的阻碍作用，以及使铝合金与钢的界面上不生成或减少脆性金属间化合物。
现有的焊接方法是：
1、压焊
压焊就是在焊接过程中，对焊件施加压力（加热或不加热）以完成焊接的方法。
在焊接铝和钢时，常用爆炸焊、磁脉冲焊、搅拌摩擦焊、扩散焊等方法。
2、熔钎焊
铝-钢异种材料熔钎焊同时兼备熔焊和钎焊的特点，焊接过程中，铝合金和钎料熔化，冷凝后结合在一起，形成熔焊接头；而钢未熔化，熔化的钎料借助毛细管作用被吸入和充满固态焊件间隙内，液体钎料与钢相互扩散溶解，冷凝后形成牢固的钎焊接头，可以实现铝合金与钢异种金属的连接。
3、钎焊
铝-钢异种材料的钎焊是将钎料放在焊件接缝间隙内，通过加热使其溶化，而母材不熔化，液态钎料渗入到固态焊件的间隙内，冷却凝固后便形成牢固的连接。
三种铝-钢异种材料的焊接方法中，压焊、钎焊工艺方法能够实现铝钢的连接，但对工件的尺寸形状有一定的限制，生产效率低。
熔钎焊可以通过钎料控制铝钢金属间脆性化合物，特别是激光填丝熔钎焊，具有热输入小，焊接速度快，易于实现自动化等特点，可获得优质、高效熔钎焊焊接接头，应用前景广阔。