钢/铝异种金属焊接工艺探讨
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      随着现代科学技术的发展,异种金属之间的焊接越来越多。异种金属接头不仅可以满足单一金属自身不能满足的物理性能、化学性能和力学性能等方面的要求,而且还可以节省费用,节约能源,提高使用性能。在现代汽车工业生产中,钢结构和铝合金的结合使用成为节能减排的重要技术,采用钢和铝异种金属焊接已成为汽车轻量化的重要途径之一。

       目前国外汽车工业采用铝合金与钢的复合结构来代替部分钢构件,以减低自重,提高效率。因为铝和钢的晶体结构、物理及化学等性质大为不同(熔点、密度、线膨胀系数、导热性和热容量等),使得铝合金与钢的焊接性很差[3]。铝的化学活性较强,表面容易被稳定而致密的氧化膜覆盖,故其焊接过程中极易产生焊接夹渣,破坏了焊接接头的连续性;同时由于连接界面金属间氧化物的存在,焊接接头脆化严重,接头的力学性能大大降低;热导率和弹性模量的相差悬殊,容易引发较大的焊接应力。

        因此,钢/铝异种金属焊接一直是焊接领域的热点和难点问题。钢/铝异种金属连接方法主要有压焊、钎焊、熔焊以及这三种方法的复合方式[2]。其中,在焊接要求较高的条件下,复合方式的研究和应用越来越广泛。本文研究了钢/铝异种材料焊接的主要方法和应用特点,为汽车行业及其相关产业的应用提供参考。

    1 压焊

    压焊是焊接过程中,对焊件施加压力(加热或不加热)而完成焊接的方法。以下是几种常见的压焊工艺。

    1.1 电阻点焊和缝焊

    焊件装配成搭接接头,并压紧在两电极之间,利用电流通过焊件时产生的电阻热,熔化母材金属,冷却后形成焊点,这种方法称为电阻点焊。电阻点焊是一种高效经济的焊接方法,并且操作简便不需填充材料,易于实现自动化,特别适用于连接要求不气密的薄板搭接构件,汽车、摩托车、航天航空等行业有着广阔的应用。为了满足新型焊接材料对焊接工艺的要求[4-5],国外许多大企业已将中频点焊机器人和伺服技术点焊机器人应用于轿车车身装焊线上,特别是在发达国家,中频点焊机器人使用量已占40%,并发展到铝合金轿车的点焊作业。目前我国已有厂家正进行中频点焊机器人装焊线的建造中(沈阳宝马、北京现代、东风日产和一汽轿车等)。为了缩短与发达国家的差距必须加大力度对中频电阻焊的研究。


    目前,关于铝合金与钢的异种材料电阻点焊的研究主要有以下两类工艺方法[6]:①工艺垫片法;由于铝合金和钢的线膨胀系数、热导率等相差悬殊,导致焊接过程中热分布不平衡且容易产生偏析,所以在点焊过程中铝侧与电极之间加一个工艺垫片(一般为钢),用来改善铝一侧的析热,从而实现钢和铝之间的对称性连接;②中间过渡层法(单一材料过渡层法,复合板过渡层法)。如果钢和铝直接接触,两者容易发生界面反应产生金属间化合物,从而影响接头的抗拉强度等,所以在焊接钢和铝异种金属时在两者之间插入第三金属或者合金,避免了钢和铝之间的直接接触,其中镀锌钢板应用的最广。


    杨修荣等人[7]对轻量化汽车的焊接做了大量的研究,现代汽车除车体会由目前钢结构演变为理念先进的混合式空间结构,还会依据部位要求采用不同性能的轻质材料,以实现材料与零部件功能的最佳匹配。铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料和高强度钢、超高强度钢等轻量化材料的应用在汽车的轻量化过程中将发挥重大作用。


    日本学者LeeKwang-Jin等[8]使用磁压缝焊方法进行了低碳钢(SPCC)/A6111铝合金的焊接,在焊接界面形成一个中间过渡层。微观分析发现搭接结合呈现波浪形态,组织类似爆炸焊接。透射显微镜观察发现,过渡层由细小的铝颗粒(约100nm)和更细小的金属间化合物颗粒组成。焊接强度高,力学性能测试断裂位置位于母材。


    传统的电阻点焊工艺在现有的车身焊接制造中约占75%,应用最为广泛,操作也较为简单。但同样在新材料的应用时面临问题。电阻点焊焊铝时,电极极易被污染,300个左右的点焊就需要更换或修磨电极,生产的连续性受到影响。


    2005年,著名焊机制造商奥地利fronius公司推出一款新型的电阻点焊机,其原理非常简单,在工件和电极之间增加一条电极带,焊接时电极压住电极带,每焊完一个点,电极带自动转到下一个位置,每个焊点都是“全新的”电极,这样可以保证电极和工件的接触表面总是干净的,所以焊接质量和精度较高。其中电极带不仅可以用来保护电极,还可以改善钢和铝的接触电阻,进而改变热量分布,有效地实现了电极两端的热平衡,非常适于钢和铝的焊接。激光焊工艺具有能量集中、焊接速度快、熔深深、热影响区小、焊缝强度高、焊接变形小等优点被用于车身上较长的焊缝(如车顶、行李厢盖),或者用于高强度要求的结构件上。但其也有自身的缺点,一是对装配要求高;二是高反射率材料(如铝、铜)难焊接;三是投资成本高。

    1.2 摩擦焊

    摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所产生的热,使端面达到热塑性状态,然后迅速顶锻,完成焊接的一种压焊方法。摩擦焊方法的作用温度和时间容易控制,这样大大降低了有害相以及大晶粒结构的形成,所以该方法非常适用于连接铝和钢异种金属接头[9]。


    王希靖等[10]用该方法对大面积铸态纯铝与Q235钢进行了焊接试验,其中搅拌头转速为1230r/min,一级摩擦压力为39.2MPa,二级摩擦压力为78MPa,一级摩擦时间1.5s,二级摩擦时间2.0s,顶锻压力78MPa,顶锻时间1s,刹车时间0.2s。试验所得焊接接头飞边成形美观、焊合区性能良好,接头强度甚至可以超过铝一侧基体。研究了热处理温度对接头性能的影响,热处理温度较高时试样在铝侧断裂,伸长率随温度的升高而增大,抗拉强度随温度的升高而下降。


    摩擦焊与传统的焊接方法不同点在于焊接的整个过程中,待焊金属并没有获得使其温度达到其熔点的能量,即金属是在热塑性状态下实现的固态连接,其接头质量高,能满足焊缝强度与机体材料等强度,并且焊接效率高、质量稳定、节能环保、一致性好。在钢铝等异种材料的焊接方面具有一定的优势,因此获得了广泛的研究和应用。但是这种焊接方法对接头的形状要求特别严格,一般都是圆柱形接头(直径在60~100mm),这大大降低了其实用性。


    1.3 搅拌摩擦焊


    搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样,也是利用摩擦作为焊接热源,不同之处在于,搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头伸入工件的接缝处,通过搅拌头的高速旋转,使其与焊接工件材料摩擦,从而使连接部位的温度升高软化,同时对材料搅拌摩擦来实现焊接的。


    邢丽等[11]用该方法实现了LF防锈铝和ST12低碳钢的有效焊接,其中对接时低碳钢和防锈铝的厚度都为2。5mm,搭接时铝合金板的厚度为2mm,低碳钢的厚度为2。5cm。试验用的搅拌头是用高温合金制成的,搅拌头的转速为1180r/min,焊接速度为95~150mm/min。


    试验结果表明,焊接工艺参数合适时,可以得到表面成形良好的接头,通过对两种接头进行拉伸试验发现搭接接头塑性更好。搅拌摩擦焊焊接过程中,焊接温度较低,热输入也小,并且焊接接头变形小,接头性能优异,对材料的适应性极强,几乎可以焊接所有类型的铝合金材料。搅拌摩擦焊还提高了焊接接头的力学性能,避免了熔化焊时出现的缺陷,而且焊接接头热影响区显微组织变化较小。


    1。4 扩散焊


    两焊件紧密贴合,在真空或保护气氛中,在一定温度和压力下保持一段时间,使接触面之间的原子相互扩散完成焊接的一种压焊方法。扩散焊是在热压焊基础上,还具有钎焊的某些优点。其特点是可以焊接其它焊接方法难以焊接的材料(不同种类材料、壁厚相差大、精度很高的工件)。扩散焊可以分为两种:一种是加中间扩散层的扩散焊,另一种是不加扩散层的扩散焊。


    大量研究表明,对于铝及铝合金与钢的扩散焊,影响焊接接头力学性能的主要是因素是材料表面的氧化膜和接头界面产生的金属间化合物[12]。因此,必须提出切实可行的改进措施加强对界面氧化膜和界面反应机理的研究,实现铝及铝合金与钢扩散焊连接工程化。

    2 钎焊

    钎焊是指用比母材熔点低的金属材料作为钎料,液态钎料润湿母材和填充工件焊口间隙并使其与母材相互扩散的焊接方法。铝钢钎焊过程中,基体没有发生熔化,这样可以防止金属间化合物的大面积生成,同时焊接参数具有良好的可控性[13],可以通过调节焊接参数控制金属间化合物层的厚度,而且还可以通过控制钎料的成分来精确地控制界面反应过程,从而获得具有良好力学性能的铝钢异种金属接头。但是这种方法获得的焊接接头强度低,耐热性差,且焊接成本高、焊接效率低、焊前清整要求严格,实际应用性大大降低。

    3 熔焊

    熔焊是指焊接过程中,将焊接接头在高温等作用下至熔化状态。由于被焊接工件是紧密贴在一起的,在温度场、重力等的作用下,不加压力,两个工件熔化的熔液发生混合现象,待温度降低后,熔化部分凝结,两个工件就被牢固的焊接在一起了。在钢和铝熔焊时,一般情况下钢是不熔化的,只有铝处于熔化状态,这样可以大大降低焊缝金属间氧化物的形成[14],所以钢和铝的焊接接头兼有熔焊和钎焊的特点,焊接接头形式主要以搭接为主。当前,汽车及其相关工业对轻量化结构的需求越来大,再加上熔焊具有很灵活的操作性,焊接效率高等特点,因此在工业中的应用越来越普遍。


    铝和钢熔焊时,为了降低金属间化合物的生成,避免钢的熔化,必须有效的控制焊接热输入;为了得到性能良好的焊缝组织,要求铝及其合金能较好的润湿钢板表面。综合以上因素,电子束焊、激光焊以及氩弧焊三类方法可以用来焊接铝/钢异种金属接头,这些方法效率高,对工件没有什么特殊要求,因此应用前景十分广阔。



    4 复合方式焊接



    4.1 熔焊-钎焊


    钢一侧为钎焊,在铝一侧为熔焊。如:激光熔焊-钎焊法、脉冲熔焊-钎焊法和CMT法(异种材料冷金属过渡钎焊)。德国布莱梅激光研究所的Kreimeyer等人[15]利用非腐蚀氟化物钎剂清理金属表面的氧化膜,在氩氦混合气体的保护下,实现了钢和铝的对接接头和搭接接头的连接。激光束焊热输入小,焊接熔池温度梯度高、冷速快,金属间化合物的厚度(<2μm)得到了有效地控制,从而得到了焊接性能优质焊接接头(最大断裂强度达到188MPa)。


    用锌作为过渡层,不仅增加了铝对钢的润湿性,还减少了界面化合物的厚度。日本大阪大学的Murakami等人[16]研究表明,采用MIG电弧钎焊方法可以实现冷轧普通碳钢板和纯铝板搭接接头的连接。通过适当的增加焊接速度,可以有效地防止金属间化合物的生成,当金属间化合物层的厚度小于2.5μm时,可以得到性能良好的焊接接头,其横向拉伸强度可以达到80MPa。


    4.2 熔焊-压焊


    例如激光压焊,这种方法与常规的热压焊相比,高能量密度的激光束控制焊接过程中的热输入,可以实现压焊部位的快速加热和快速冷却[17],从而可以有效地抑制金属间化合物的生成,得到性能良好的焊接接头。


    4。3 滚压复合焊


    滚压复合焊通过对焊接速度的控制改善了铝及铝合金表面氧化膜的不利影响,有效的防止了金属间化合物的生成[17-18],增加了焊接接头的塑性,从而得到优质的焊接接头。(如:真空滚压焊、激光滚压焊等)。


    5 结论


    (1)压焊和钎焊由于基体在焊接过程中保持固态,同时可以较好的控制焊接热输入,因此金属间化合物对接头性能影响不大,比较适合钢和铝之间的焊接,但是这种焊接方法效率较低,不适于大批量生产。电阻点焊具有生产效率高、操作简便、不需填充材料、易于实现自动化等优点,迄今是汽车车身生产的主要焊接方法,然而这种焊接方法还不够成熟,不够完善,特别是在改善接头性能方面有待做进一步的研究,并且其对焊接设备的要求也较高。


    (2)熔焊方法比较灵活,效率较高,但是金属间化合物的生成又不可避免。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形成机理以及如何促进钢/铝之间的润湿性等方面还没有系统研究。


    (3)扩散焊可以焊接其它焊接方法难以焊接的材料,对于铝及铝合金与钢的扩散焊,影响焊接接头力学性能的主要因素是材料表面的氧化膜和接头界面产生的金属间化合物。因此,必须提出切实可行的改进措施加强对界面氧化膜和界面反应机理的研究,实现铝及铝合金与钢扩散焊连接的工程化。


    (4)搅拌摩擦焊点焊也是一种新兴的绿色焊接方法,迄今为止科学家们虽然做了大量的研究工作,但是还没有应用到实际生产当中,影响其应用的主要因素就是成本高、不够灵活、焊接效率差等,还需要进一步的研究。

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