铝钢异种焊接工艺研究毕业论文.doc

山东交通学院毕业论文 毕业设计开题报告书题目： 铝钢异种焊接工艺研究 专 业： 材料成型及控制工程 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 2013年2月27日开题报告书（第1页）研究的目的、意义及国内外发展概况1.1.目的及意义：异种钢焊接的研究意义及目的在于采用异种钢制造的焊接结构，不仅能满足不同工作条件对材质提出的不同要求，而且可节约大量的贵重材料，降低成本，发挥不同材料的性能优势。异种钢焊接结构在机械、化工、电力及核工业登行业得到广泛应用，异种钢的焊接焊接也越来越受到重视。 1.2.国内外发展概况：铝及铝合金因质量轻、塑性好、耐腐蚀性强等特点被广泛应用于各种加工制造领域，是目前应用最广的一种轻金属；而钢是一种最普通、最常用的黑色金属，在制造业中的主导地位至今无法撼动。随着越来越多的铝及铝合金结构在制造业中的应用，铝与钢的连接成了人们关心的问题。目前，实现铝与钢的连接的连接方法有：粘结、机械连接（铆接、螺栓来接等）和焊接。粘结得到的连接接头的机械强度有限，只能在一些对接头强度有限，只能在一些对接头强度要求很低的场合应用。尽管机械连接能够得到强度较高的连接接头,但是连接接头的气密性无法保证,而且连接后一般会留下明显的连接痕迹,这对一些表面要求非常高的工件(如汽车覆盖件)很难满足要求。焊接作为一种最常用的连接手段,在异种金属的连接中得到了较为广泛的应用。论文提纲或设计总体方案前 言1.铝钢异种焊接的介绍2.铝钢异种焊接的焊接性及应用3.铝钢异种焊接的焊接方法4.铝钢异种焊接的焊接工艺要点5.铝钢异种焊接的影响因素和焊接组织结 论致 谢参考文献 开题报告书（第2页）论文的应用价值或设计项目的市场预测 异种焊接在现代的工业生产中，已成为一种重要的金属加工工艺方法，广泛地应用于造船、航空、航天、汽车工业及机械制造等许多现代工业部门, 随着科学技术的发展，异种金属的焊接技术发展越来越快，并且质量要求也越来越高。为适应焊接技术发展的需要，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。进度计划第一周 搜集、阅读参考资料第二周 提交开题报告第三、四周 进行资料的学习研究第五、六、七、八周 准备设计所需的具体资料第九、十、十一周 编写设计论文、准备答辩第十二周 答辩 主要参考文献1 刘中青,刘凯. 异种金属焊接技术指南m . 北京:机械工业出版社, 1986.2 森井泰. 异种金属摩擦压力焊性质研究 j.轻金属溶接,1997,15(10):17-23.3 j，tienhoven，bpathiraj，jmeijerimlser joining of steelaluminum joints in t corifigumtionjijamaterials processing conference2006107：52584 hitoshi，ozaki，muneharu，kutsunalaser roll welding of dissimilar metal joint of zinc coated steel and aluminum alloyj1alger materials proceasing confereoce2006，505：2983025 郑远谋. 爆炸焊与异种金属的焊接 j . 焊接技术,2001, 30 (5) : 2526.6 狄建华,吕春玲,宋新社. ly12铝合金与a3钢爆炸焊接条件的确定 j . 华北工学 院学报, 2001, 22 (1) : 6669学生提交报告日期： 2013年 3 月 5 日指导教师签字： 2013年 月 日说明 学生在接到设计任务书后的一周内，应在调研的基础上，填写该开题报告书并经指导教师审查通过后，方可进行下一阶段的工作。本科生毕业设计(论文)中期检查表论文（设计）题目：铝钢异种焊接工艺研究系部机械工程学院专业材料成型及控制工程年级姓名学号指导教师职称学历进度计划第一周 搜集、阅读参考资料第二周 提交开题报告第三、四周 进行资料的学习研究第五、六、七、八周 准备设计所需的具体资料第九、十、十一周 编写设计论文、准备答辩第十二周 答辩已完成内容 已搜集整理和详细阅读了大量相关的参考资料，完成了开题报告书的撰写工作，学习并熟练掌握了铝钢异种焊接的意义及焊接方法，明确了此次毕业设计的思路和研究方向，并已初步构建了毕业论文的大体轮廓且已撰写完成一部分的内容。尚须完成内容搜集有关的英文资料并做好翻译，再做好整理，最后做好全面的检查，准备答辩。存在的问题和拟采取的法网上搜集的资料比较混乱，需要自己从图书馆里大量借阅书籍文献来整理、归类。指导教师意见签名：2013年4月21日 摘 要 本论文对异种金属的研究现状,近年来铝钢焊接的各种常见的焊接方法(压焊，搅拌摩擦焊接，钎焊，熔焊)进行综述，认为铝钢的异种材料焊接关键在于对金属间脆性化舍物层进行控制。详细介绍了压焊，钎焊在控制化合物层厚度上的优势。指出各种焊接方式在实际生产中的不足，并对铝钢焊接研究方向进行展望。分析了铝与钢的焊接性,综述了国内外铝与钢异种金属焊接的研究与发展状况,重点介绍了目前应用于铝与钢连接的焊接方法,并对各种焊接方法的优缺点作了分析比较。关键字： 异种金属，铝钢异种金属钎焊，搅拌摩擦焊abstract this paper on the research status of dissimilar metals, in recent years, various common methods of welding of aluminum and steel welding (welding, friction stir welding, brazing, and welding) review, that is the key to welding of aluminum-steel different materials to control the among of brittle metal shed. detailed information on pressure welding and brazing in controlling the thickness of compound layer on the edge. noted deficiencies in various welding methods in actual production and prospect in studies on aluminum and steel welding direction. analysis of weldability of aluminum and steel, review of dissimilar metals welding of aluminum and steel in the world research and development, focuses on the current connection should be used in aluminum and steel welding method and comparison analysis on the advantages and disadvantages of various welding methods.key words: dissimilar metals, aluminum brazing dissimilar metals, friction stir welding目 录 前言 .1 1 铝钢异种焊接的介绍.2 2 铝钢异种焊接的焊接性及应用 .32.1 铝钢异种焊接的焊接性.32.2 铝钢异种焊接的应用.3 2.2.1 电力、电子和电化学工业中的应用.42.2.2 工程结构中的应用.4 3 铝钢异种焊接的焊接方法.5 3.1 铝和钢的摩擦焊 .5 3.2 铝和钢的爆炸焊 .5 3.3 铝和钢的钎焊 .6 3.4 铝和钢的扩散焊 .6 3.5 铝和钢的电弧 .7 3.6 铝和钢的激光焊 .7 3.7 铝和钢的磁脉冲焊 .8 3.8 铝钢搅拌摩擦钎焊. .9 3.9 铝钢嵌入式搅拌摩擦点焊.10 3.9.1 日本开发的传统搅拌摩擦点焊简介.10 3.9.2 日本开发的传统搅拌摩擦点焊存在的问题 .11 3.9.3 铝钢嵌入式搅拌摩擦点焊工艺的提出 .124 铝钢异种焊接的焊接工艺要点.134.1 焊接材料.134.2 焊前准备.134.2.1表面清理 .134.2.2垫板. 134.2.3预热.134.3焊接工艺及参数 .144.3.1氧化皮问题 .144.3.2导热性问题.144.3.3热膨胀问题.144.3.4焊穿问题.144.3.5气孔问题.144.3.6烧损问题.154.3.7时效问题.154.3.8相变问题.155 铝钢异种焊接的影响因素和焊接组织 .16 5.1 热影响区组织 .16 5.2 焊缝区组织 .165.3 焊接材料的选择 .16结论.18致谢.19参考文献.20前 言由于近年来众多学者对铝/钢异种材料连接进行了详细的研究，焊接方法几乎涉及到焊接领域的各种方法，大体上分为压焊，搅拌摩擦焊，钎焊，熔焊。文中分别阐述了这几种方法的研究现状，比较了几种方法的优势与劣势，对今后的研究进行展望。由于铝及铝合金的密度小、强度高、具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，因此，近年来采用铝钢双金属焊接结构的产品越来越多，并在航空、造船、石油化工、原子能和车辆制造工业中显示出独特的优势和良好的效益。近年来，环保问题越来越受到重视，汽车工业为了节约燃料、保护环境、不断努力减轻汽车重量，因此对汽车用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, 所以在汽车工业生产中，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（滚焊与爆炸焊、摩擦焊、搅拌摩擦焊）、钎焊、熔焊、扩散焊、电弧焊、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。而熔焊方法比较灵活，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铝钢异种焊接的介绍近年来，由于能源问题和车辆尾气排放问题的日益严重，汽车轻量化得到世界各国越来越多的重视。铝合金具有强度高，质量轻等特点，使用铝合金来代替钢部件可以有效地减少车身重量。此外，铝合金和钢的混合结构在航空、化工、国防等工业部门均有广泛的应用。但使用热力学方法很难将铝和钢连接在一起，这主要是由于铝和钢的焊接接头有金属间的脆性物质，从而降低了接头的力学性能。近年来，环保问题越来越受到重视，汽车工业为了节约燃料、保护环境、不断努力减轻汽车重量，因此对汽车用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, 所以在汽车工业生产中，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。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。而熔焊方法比较灵活，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。随着异种材料连接结构的应用前景不断扩大，其连接技术也会越来越受到重视。连接方法的选择要根据不同的异种材料组合、不同的结构形状以及不同的应用环境来确定。钎焊技术是目前异种材料连接的最重要的方法，其他方法都存在各自的局限性。熔钎焊、电子束钎焊、激光钎焊、活性软钎焊和搅拌摩擦焊等都是近年发展起来的新方法，在异种材料的连接方面还处于研究阶段。在新技术不断发展的今天，适用于异种材料组合的连接技术越来越多，新技术的不断发展为异种材料的连接提供着新的技术保障。为解决铝与异种高强金属材料焊接过程中的工具磨损问题，西安交通大学焊接研究所特种焊室先后开发了两种新型焊接工艺搅拌摩擦钎焊(fsb)与嵌入式搅拌摩擦点焊（efssw），并均已申报国家专利。两种技术均采用无针搅拌头，既避免了针的磨损，又获得了无匙孔的光滑外观；同时所得接头均断裂于铝母材内而非原始待焊接面。由此证明了两种新技术分别相对于传统搅拌摩擦焊与搅拌摩擦点焊的优越性。其中搅拌摩擦钎焊不仅成功用于铝/钢焊接，还可采用多道搅拌摩擦钎焊技术制备铝/钢双金属复合板材。本文简要介绍fsb与efssw的思路、优点与机理方面的初步研究结果。2 铝钢异种金属的焊接性及应用2.1铝钢异种焊接的焊接性 表2.1列出了铝和铁的一些主要的物理参数1。从表1对两种金属物理性能参数的比较来看,铝与钢的金属性能有很大的差异。性能的差异是导致铝与钢焊接性较差的主要原因。 表2.1不同金属元素参数统计表tab. 2.1 parameters of different metals table特性alcufe熔点/66010831535沸点/251923102450比热容/j(kgk)899.2376.8481.5密度/gcm2.78.987.85线膨胀系数/k 2416.812热导率/w(mk)217.7395.866.7(1) 由于钢的熔点比铝的熔点高,在焊接过程中,当铝完全熔化为液态时,钢仍处于固态,而且两者的密度相差很大,当钢完全熔化后,液态铝浮在钢水上面,冷却结晶后焊缝成分不均匀,使得焊接接头的性能降低。目前,铝与钢很难用熔化焊直接焊接。(2) 铝及其合金与钢焊接过程中,在铝母材表面焊接形成难熔的alo(熔点高达2073 )氧化膜,这种氧化膜也可以存在于熔池表面,熔池温度越高,表面氧化膜越厚,氧化膜的存在阻碍液态金属的结合,容易使焊缝产生夹渣。(3) 铝及其合金与钢的热导率、线膨胀系数相差很大,焊后焊接接头变形严重,并且有很大的残余应力存在,易产生裂纹。此外,铁在铝中的固溶度几乎为零(在225-600 时,铁在铝中的固溶极限为0.01%-0.022%) ,且铁与铝可以产生多种硬而脆的金属间化合物,如feal,feal,feal,feal,feal及feal等,这些金属间化合物的存在,增加了焊接接头的脆性,降低了其塑性和韧性。2.2异种金属的焊接应用 随着镁合金在汽车、电子、航空航天等高新技术领域的逐渐推广应用, 镁合金与其他金属的连接问题将是今后镁合金焊接的前沿课题。例如在汽车制造方面，将会遇到镁合金与钢、镁合金与铝合金的熔焊问题；在自行车制造中，还需要解决镁合金和铝合金管接头的钎焊问题等。由于镁合金密度低、熔点低、热导率和电导率大, 并且热膨胀系数大、易氧化，且氧化物的熔点很高，使镁合金和铝合金异种金属的焊接过程中会产生一系列的困难，因此，解决镁/铝异种金属的焊接难题已经成为国内外众多研究者关注的焦点。进入21世纪以来，随着各种金属材料在航空航天、民用领域的拓展，钢铁材料已经逐步被非铁金属所取代, 而其中非铁金属与钢铁以及异种非铁金属的焊接将成为今后金属材料焊接领域的前沿。并且随着新的异种金属连接方法的不断出现和改进以及金属的加工技术的提高，镁/铝异种金属接头在工业中的应用将会达到2.9%，因此采用不同的焊接工艺对镁/铝异种金属进行焊接，以及深入地研究镁/铝异种非铁金属焊接工艺以及接头的组织结构性能的研究，将会对镁/铝异种金属接头的推广使用具有十分重要的现实意义。爆炸焊的异种金属用来制作连接异种金属过渡接头。过渡接头通常用于两个方面： 2.2.1电力、电子和电化学工业中的应用如铜-铝、铜-钛、铜-钢、铜-不锈钢、铝-钢、铝-钛-钢、铝-钛-不锈钢和银-铜等的过渡接头，以连接相应的异种导电材料。例如，连接输电线路的铜-铝接头，电解铜、镍和锌工业中的铜-钛过渡接头等。2.2.2工程结构中的应用例如锆合金-不锈钢、因科镍和钼-不锈钢的管接头的两端，在与相应的管材连接之后用于工程中。钛-不锈钢管接头在阿波罗宇宙飞船上，一头连接钛制作的登月仓和燃料箱，另一头连接不锈钢制作的燃料管道。电冰箱用的铜-铝过渡管接头。造船工业中连接铝质上层建筑和船体钢质甲板的铝-钢板接头。连接低温真空设备的铝-钢管接头。另外，用同种或异种材料的管接头现场爆炸焊，连接了5000km长的通讯电缆、数千千米长的石油管道（接头达数十万个）和1090km的天然气管道等。 大量异种金属材料的爆炸焊有许多卓有成效的应用。因此，爆炸焊作为一种焊接新工艺和新技术，在焊接异种金属材料方面有得天独厚和无可替代的优势。爆炸焊是异种金属焊接的最佳工艺和焊接技术的一大发展，而具有重要的技术和经济价值。在我国这种焊接技术应引起更多的重视和获得更大的发展。3 铝钢异种金属的焊接方法 目前,应用于铝和钢连接的焊接方法主要有:摩擦焊、爆炸焊、钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊、电弧焊、压焊、激光焊；熔焊和磁脉冲焊等。3.1铝和钢的摩擦焊摩擦焊是以机械能为能源的一种固相连接方法,它是利用两表面间机械摩擦所产生的热来实现金属连接的2。摩擦焊对铝和钢焊接而言是一种行之有效的焊接方法。一方面,焊接过程中,高速旋转产生的作用力破坏了铝表面的氧化膜,从而降低或消除了氧化膜的有害作用;另一方面,由于摩擦焊是在金属不发生熔化的条件下实现的,因此焊接过程可以抑制铝/铁金属间化合物的生成。1977年,日本森井泰对铝与钢的焊接接头进行了研究。1981年, elliott等人对前人的研究作了总结,认为金属间化合物是影响铝与钢焊接的主要问题,并讨论了焊后回火处理、合金元素和工艺参数对金属间化合物的产生和长大的影响,认为1m是金属间化合物厚度的临界值,小于此临界值化合物的存在可以增加接头的结合强度,大于此值则使焊接接头强度降低。elrefaey ahmed等人用2 mm厚的铝板和1 mm厚的镀锌钢板进行了摩擦焊的试验研究,试验得到的搭接接头强度要好于相同条件下铝与非镀锌钢得到的接头强度; x射线分析表明焊接接头有金属间化合物生成,化合物主要以fe4al13和fe2al5 形式存在。大量的研究表明,尽管摩擦焊能够得到优质的铝和钢焊接接头,但是有些复杂形状的工件很难用摩擦焊实现,因此摩擦焊在铝与钢焊接的应用中受到了一定程度的限制。3.2铝和钢的爆炸焊 爆炸焊是利用炸药爆炸时的可控能量,迫使两种或两种以上的金属形成高质量的冶金结合的连接方法3。爆炸焊是一种高压过程,在这个过程中由于两种金属材料的碰撞,其表面的薄膜以塑性的方式从基体上喷射出去,爆炸焊的时间非常短,以致结合材料间的反应区(或热影响区)很小,而且少数原子由于碰撞速度高(200-500m/s)而变成“浆状物”,爆炸完成后“浆状物”迅速地冷却,剧变区形成一种金属与另一种金属的熔合线,从而实现两种金属的连接。在各种焊接方法中,爆炸焊可以焊接的异种金属的组合的范围最广,原则上讲爆炸焊可以应用于一切异种金属的连接。华北工学院狄建华等人用q235薄板作中间材料实现了ly12铝合金与q235钢的爆炸焊连接,得到了性能良好的爆炸焊焊接接头。对铝和钢爆炸焊焊接接头的力学性能特性作了分析,分析认为金属熔化层的厚度、硬度及其缺陷决定了爆炸焊焊接接头的力学性能,熔化层的厚度和硬度越大,接头的力学性能越差。目前,爆炸焊是铝及其合金与钢的连接中常用的一种焊接方法,该焊接方法得到的焊接接头的强度要高于铝母材的强度,而且接头的气密性好,特别适合于表面积相当大的铝板与钢板的平板包覆。但是,爆炸焊工艺控制较为困难,焊接过程要根据实际情况严格控制炸药量、爆炸速度以及界面间隔等,给焊接带来了较大的困难。3.3铝和钢的钎焊铝及其合金的钎焊问题,是近年来研究最多、发展较快的研究领域之一,其中,国内外许多研究机构对铝及其合金与钢的钎焊作了较多的研究。1986年,王文亭用高频钎焊、火焰钎焊、真空钎焊等多种钎焊方法进行了lf21与1cr18ni9ti不锈钢的钎焊研究。研究中发现,在钎焊接头形成了大量的铝/铁金属间化合物,这些脆性的金属间化合物的存在,严重影响了焊接接头的性能,钎焊接头不能满足使用性要求。哈尔滨工业大学董义对铝与不锈钢的接触反应钎焊作了研究,试验材料为工业纯铝与1cr18ni9ti不锈钢。研究结果表明,硅钎焊膏能够实现铝与不锈钢的连接,但是在钎焊接头中不可避免地产生了脆性相,脆性相主要是fe4al13和fesi2 的混合物。通过分析发现,中间化合物层的厚度太薄时,钎焊接头没有实现致密性连接,接头强度低;化合物层较厚时,由于大量脆性化合物的存在,钎焊接头也很难满足实用性要求。因此,实际生产中只能在保证充分反应的前提下尽可能地提高反应速度,增大反应效率。从目前的研究状况看,钎焊在实现铝与钢异种金属的优质连接方面还需要做进一步的研究。 吕学勤等人研究了钎料为镍铜过渡层铝合金与不锈钢的钎焊工艺方法以及焊缝的组织与力学性能，并研究了连接界面的机理。对焊缝使用xrd、sem、tem等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。说明钎料有效的阻挡了铝铁等原子扩散，焊缝与铜界面上生成了少量的aicu，但没有降低焊缝的抗剪强度4。 激光钎焊搅拌摩擦焊接的原理图铝和钢在使用激光焊接时，经常使铝处于熔化状态，钢处于固态，所以既有钎焊的特点又具有熔焊的特点。采用激光钎焊与其它方式相比有以下优点：由于是局部加热，元件不易产生热损伤，热影响区小。重复操作稳定性好。焊剂对焊接工具污染小，且激光照射时间和输出功率易于控制，激光钎焊成品率高。激光钎焊多用波长106wm的激光作为热源，可用光纤传输，因此可在常规方式不易焊接的部位进行加工，灵活性好，聚焦性好，易于实现多工位装置的自动化。3.4铝和钢的扩散焊 扩散焊一般是以间接热能为能源的一种固相连接方法,焊接过程通常在真空或保护气氛下进行。焊接时两被焊工件的表面在高温和较大压力下接触并保温一定时间,以达到原子间距离,通过原子的相互扩散而实现材料的连接。扩散焊作为一种特种连接技术广泛应用于异种材料的连接。calderon等人通过对铝与钢扩散焊焊接接头的时效处理,研究了化合物层对焊接接头性能的影响。研究发现:化合物层是在焊后时效的过程中生成的,并且焊接接头强度随化合物层厚度的增加而降低。尽管扩散焊是异种材料连接的一种有效手段,而且能够得到优质的焊接接头,但是焊接过程需要在真空或保护气氛的条件下实现,因此扩散焊容易受工件尺寸及其形状的影响。此外,焊接过程需要较长的保温时间,焊接效率低,难以满足批量生产的要求。3.5铝和钢的电弧焊铝与钢两种金属性质的巨大差异决定了用常规电弧熔化焊方法很难实现铝与钢的焊接。在熔化焊得到的焊接接头内,生成了大量硬而脆的al-fe金属间化合物,这些金属间化合物的存在使得焊接接头不具有使用性能。为了解决铝与钢熔化焊中的金属间化合物问题,maryam等人提出,可以通过在铝与钢两种金属之间夹一金属中间层来减少金属间化合物的生成 。但事实证明这种方法的焊接效果并不理想。由此可见,通过常规熔化焊的方式很难实现铝与钢的焊接。近来, cmt (cold metal transfer)技术的提出和发展为铝与钢异种金属的焊接提供了技术支持。奥地利福尼斯公司利用cmt技术通过对焊接热输入量的精确控制,在保证钢母材不发生熔化的前提下让铝母材熔化,熔化的铝母材及填充金属在钢母材表面铺展并与之形成钎焊连接,得到了优质的铝钢连接接头6。vrakovr等人用m ig焊也实现了铝与钢的焊接。试验材料为:0.9mm和1.5mm厚的热镀锌钢板(dx53z)、1.1mm 和1.5mm 厚的铝镁合金板(almg0.4si1.2) ,焊丝为s-alsi5。试验结果分析表明:尽管焊接接头中仍有金属间化合物存在,但是化合物层的厚度比较薄,一般要小于5m;拉伸试验表明接头有着很高的强度,剪切试验中破坏部位主要发生在母材的热影响区,熔化的铝将钢板表面的镀锌层熔化,并且在熔池边缘的热影响区形成了一个锌的楔形堆积区,焊接热影响区没有发生严重的锌烧损现象。3.6铝和钢的激光焊与电弧焊一样,用激光深熔焊的方法进行铝与钢的焊接时,在焊接接头处会生成大量硬而脆的金属间化合物,得到的焊接接头不具有使用性,因此激光深熔焊无法实现铝与钢的熔焊连接。近几年来,随着激光钎焊技术的不断发展,国内外许多科研工作者已经将该项焊接技术应用于异种金属的连接,并收到了良好的焊接效果。laukant h等人受到了激光钎焊原理的启发,用激光填丝实现了铝合金与钢的连接,且焊接过程不需要添加任何钎剂 。试验中采用了两种形式的焊接接头:搭接接头和带有法兰的对接接头。焊接过程中严格控制激光的能量输入,在保证镀锌钢板不被熔化的前提下,将铝合金板材熔化,熔化的铝合金及填充金属与镀锌钢板形成钎焊接头。试验中采用了锌基锌铝合金焊丝,焊丝中铝(以znal2化合物形式存在)的质量百分含量为2%,其余为锌。试验材料为0.9mm厚的dx56d和dc04钢板及1.1mm厚的aa6016铝镁硅合金板,试板尺寸为115mm200mm。激光钎焊的焊接接头截面图对焊缝进行硬度测量发现,焊缝的硬度几乎与铝合金母材的硬度相当。扫描电镜分析结果表明:焊接接头内生成了金属间化合物,但化合物层的厚度非常薄,最大厚度小于5m;对化合物的成分做能谱分析显示:化合物主要以fe2al5 存在,化合物中各元素的质量百分含量分别为al为70%、fe为20%、zn为5%、si为5%。拉伸试验结果表明:搭接接头拉伸试验的破坏位置主要发生在焊接热影响区;而对接接头拉伸试验的破坏位置主要发生在母材与焊缝连接的过渡部分。疲劳试验结果表明:对接接头的疲劳破坏位置主要发生在铝合金母材与焊缝连接过渡部分;搭接接头的疲劳破坏位置主要发生在靠近铝合金母材的后焊缝区域。2004年, kutsuna m等人设计了一套激光滚焊装置,并且用该装置实现了a5052铝合金与spcc钢的滚焊,取得了良好的焊接效果。长春理工大学石岩等人7使用连续一脉冲双激光焊接钢与铝合金。连续激光匹配适当的脉冲激光进行双光束焊接，可以使用功率连续激光实现较深的焊接。双光束焊接过程中，由于脉冲激光的作用，焊缝中的fe穿入al中，在焊缝底部铝铁交界处形成了高硬度、高脆性的铝铁化合物。焊缝剪切强度达到128mpa，剪切断口面呈准解理断裂形貌。gsierra等人使用激光深熔焊接对6000铝合金和低碳钢进行搭焊焊接。实验中钢放置在铝合金上面。当将钢在铝合金中的穿透深度限制在500trm以下时，可以得到无缺陷的焊缝。焊缝中有铝熔解于铁的化合物以及由富铝化合物形成的白色熔质带。焊接接头区域的脆性物质主要位于焊缝和铝合金界面处包含了厚度在5txm到20trm之间的fe2al，和feal，。当钢在铝合金中的穿透深度小于5001山m时，可以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250nram的最大线性强度，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(位于焊缝处或者钢和焊缝的交界面处)，从而引起强度的剧t减小。铝钢的熔焊，通过降低焊接时的热量输入，尽量避免钢的熔化，从而减少金属间化合物生成数量，这种方法效率极高，是一种很有发展前景的焊接方法。3.7铝和钢的压焊 滚焊和爆炸焊用来制备铝钢复合板。王建民使用防锈铝合金，q235钢进行了铝合金一纯铝一钢爆炸复合板。使用纯铝1060为中间过渡层。复合板的铝合金一纯铝界面呈正弦波形，纯铝一钢的结合面近似直线结合。结合界面的剪切强度在75mpa以上。纯铝一钢的结合界面有金属间化合物生成，且硬度值达最高。作者认为高塑性变形和高应变率导致材料的高密度位错以及动态再晶，导致金属硬度值提高。复合板的硬化对其使用性能很不利。 mkutsuna，mratllods使用激光滚压焊来焊接镀锌钢和6000铝合金。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。作者认为通过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的传递。金属间脆性物质层主要成分为脆性物质feal，当金属间化合物层的厚度小于109纳米时，样品断裂在镀锌钢的基体金属中。kojinishimoto”使用激光压力焊接镀锌钢和纯铝。实验中，作者使用不同工艺参数焊接两种金属。当压轮的低倍显微镜铝合金一纯铝一钢界面形态压力超过1.96kn，激光功率等于或小于1400w时，接头强度较高。在拉伸试验或者剥离实验中，样品在a1050基体处失效。3.8铝钢的搅拌摩擦钎焊 为了避免钢材与针的直接接触导致的对针的严重磨损，搅拌摩擦钎焊（friction stir brazing，fsb）8在所用工具、压入深度、能量利用重点方面均不同于传统搅拌摩擦焊。 （1）fsb所采用的工具为无针工具，这是fsb区别于fsw的一个显著特征。 （2）fsb要求柱状工具的压入深度较浅，无须穿透al母材而达到铝/钢界面，这是fsb 区别于搭接搅拌摩擦焊（fslw）的一个显著特征。 （3）在这种使用无针工具的情况下，上/下界面之间的破膜、机械混合因丧失了针的搅拌作用而难以实现。 为此，提出采用冶金途径-即预置中间层，利用冶金反应（共晶反应、还原反应）、溶解代替机械破膜与机械混合，以实现上/下界面之间的洁净、致密连接。该思路的特点在于充分挖掘摩擦加热及al母材热传导快的可能潜力，以降低对界面处机械搅拌的要求，从而免去对针的磨损。只要界面温度适可，便有可能在免机械搅拌情况下，实现上/下界面之间的致密、牢固的连接。相比而言，传统搅拌摩擦焊更侧重于利用强烈塑性变形及其引发的动态再结晶来形成致密、牢固的接头。当加入锌钎料后，基于活用搅拌摩擦热源的思路，以清洁、高效的摩擦热使锌充分液化，通过钎料的熔化、母材的快速溶解、氧化膜的破碎与分散、多余液态金属的挤出，即可在待焊上/下界面间获得牢固而致密的焊接, 从而完成焊接过程。这样，便同时解决了经典搅拌摩擦焊存在的或工具磨损（有针情况下），或很容易地沿原始界面开裂（无针情况下）的问题。因此，从应用范围角度看，搅拌摩擦钎焊的适用范围更广，不仅可以用于铝/铝搭接，更适于铝/钢类含有较硬异种材料搭接的工况，是传统搅拌摩擦焊的重要补充。 fsb的应用主要分两个方面：其一，用于铝/钢异种金属的焊接；其二，用于制备铝钢双金属复合板、复合型材与复合管（图3.1）。 图3.1铝钢双金属复合板figure 3.1 aluminum-steel bimetal composite plate 3.9铝钢嵌入式搅拌摩擦点焊3.9.1日本开发的传统搅拌摩擦点焊简介 2001年，日本川崎重工公司与马自达公司合作首次报道了“搅拌摩擦点焊（friction spot joining，fsj或fri-ction stir spot welding，fssw）”技术9, 当时的主要目的是用于代替铝/铝板材间的电阻点焊。令人惊奇的是，与搅拌摩擦焊一样，搅拌摩擦点焊技术在1-2年内便也极为迅速地获得了成功的工业应用。目前，搅拌摩擦点焊技术已被用于汽车生产，如局部采用搅拌摩擦点焊技术（车门等）的马自达rx-8已于2003年4月投放市场。国内亦有跟踪报道与研究。 由日本川崎重工与马自达公司合作开发的传统搅拌摩擦点焊所用“工具”的重要特点有：（1）有针，且针外周加工有螺纹，以促进板厚方向的塑性流动与混合；（2）肩端为内凹式, 以扩大搅拌区空间沿板厚方向扩展，进而改善上/下界面间的竖向混合。该技术包括下述工序：（1）压入针（pl- unging）；（2）搅拌、一体化（stir-ring），一般持续摩擦时间1-5s；（3）拔出针（drawing out）。传统搅拌摩擦点焊的接合机理可简要概括为：利用搅拌工具摩擦与压入（旋压），使第二母材软化并强迫其产生塑性流动（环向与轴向复合流动，特别是伴随工具下压过程出现的沿板厚方向的轴向对流流动），从而形成一“搅拌区”。该搅拌区的特点为：其位置在紧邻针的“外周”,沿板厚方向成功获得了跨越原始焊接界面的上/下混合；呈不连续椭圆状。正是由于“搅拌区”的形成从而实现了上/下板材间的混合与可靠连接。早期关于搅拌摩擦点焊的研究主要集中于证明搅拌摩擦点焊相对于电阻点焊的优点。在薄板铝材焊接方面, 业已证明传统搅拌摩擦点焊相对于电阻点焊主要具有以下显著优点： （1）性能优：铝材搭接点焊的性能指标包括拉剪强度、剥离强度与疲劳强度。关于拉剪强度已证明，当焊接规范（特别是工具加压摩擦时间）合适，形成足够大的搅拌区时，搅拌摩擦点焊接头拉剪强度将略高于电阻点焊接头，且分散性小。这得益于搅拌摩擦点焊为固相接合。但当摩擦时间过长时，引起压入深度过深，板材减薄严重，接头断裂载荷因之受影响。 （2）极为显著的节能优势：铝板电阻点焊有诸多弊端，包括：所需焊接电流大（钢材的3倍以上）；配电系统所需容量大；回路损耗大（包括焊钳本体、二次电缆、变压器损耗）；能量利用率极低，仅为16.7%（为此常须用硬规范）。当采用搅拌摩擦点焊时，对于常用铝合金薄板，驱动电机的电流峰值降至约14a；搅拌摩擦点焊的耗能可小至0.4wh/点，仅为电阻点焊（40wh/点）的1%-5%。 （3）设备系统大为简化，设备投资小：无需大容量配电系统、焊接变压器、水冷系统、气压系统等设施。 （4）易于管理：避免了频繁的电极修磨与更换。3.9.2日本开发的传统搅拌摩擦点焊存在的问题由日本川崎重工10与马自达汽车开发的传统搅拌摩擦点焊技术主要存在下述缺点：（1）在接头外观方面，存在明显的匙孔。其原因在于使用的工具为经典的有针工具。（2）在适宜材质方面，仅适于上/下板材均为屈服强度较低的铝材；不适于接头下板为屈服强度较高的钢材。其原因在于由于钢的硬度、屈服强度远高于铝材，由此导致两方面的缺点：一是工具的端部在与钢材的摩擦中易被钢材磨损，缩短了钢制工具的使用寿命；二是在工具压入过程中由于钢材难以发生朝上翻卷的强烈塑性变形, 因而钢材向上嵌入铝材（位于上板位置）的程度，即上/下界面间的混合程度极为有限，由此导致接头界面结合强度极低。 针对上述传统搅拌摩擦点焊的缺点，西安交通大学焊接研究所特种焊室提出了一种适于铝与较硬异种材料（如碳钢、不锈钢等）搭接的“嵌入式搅拌摩擦点焊”方法。 3.9.3铝钢嵌入式搅拌摩擦点焊接头由图3.2可知，接头正面无匙孔；背面的饱满情况、外翻情况随压入深度增大而趋于明显。图3.2a-e依次为从左至右各接头拉剪测试后断口宏观形貌。接头断裂形式可以分为以下几种。图3.2接头断裂型式类型figure 3.2 connector type of fracture types （1）被嵌入的铝柱经明显塑性变形后被完全拔出，这种断裂方式发生在嵌入不饱满、无向外翻卷的情况下； （2）被嵌入的铝柱经明显塑性变形后才断裂，但并未被拔出，这种情况较为理想； （3）被嵌入的铝柱未发生明显变形而被沿两板界面剪断，断口相对平整但铝柱并未被拔出； （4）被嵌入的铝柱未发生塑性变形、也未被拔出，铝板本身因出现大的缺口（缺口直径接近轴肩直径）而断裂，这种情况发生在压入深度过大的情况。焊接规范对接头断裂载荷及断裂形式的影响规律可初步概括为：在嵌入饱满且压入深度适中时，断裂载荷较高；压入深度过大，尽管铝柱嵌入饱满并在钢板外侧出现外翻卷，但沿板材方向的承载截面过度减薄，接头强度反而有降低趋势。 4 铝钢异种焊接的焊接工艺要点4.1焊接材料 铝及其合金与钢的氩弧焊时，焊丝的选择对接头强度有很大的影响。选择含少量硅的纯铝焊丝作为填充材料，可以形成优质焊接接头，抗拉强度和疲劳强度可达到铝母材水平。铝与钢的焊接不宜使用al-mg合金焊丝，因为镁不溶于铁，镁与铁的结合力很弱，而且镁还强烈促进脆性化合物的形成和增长，这都会降低接头的强度性能。4.2焊前准备 焊前必须彻底清理待焊工件表面，消除氧化物薄膜。对铝件的表面处理可以用15%-20%noh或koh溶液浸蚀，浸蚀后用清水冲洗，然后在2