钢与铝的焊接

钢与铝的焊接CMT工艺杨修荣珠海科盈焊接器材有限公司摘要：钢与铝是两种目前工业中应用广泛的材料，如何实现两种材料的异种连接，对拓宽产品的设计和制造有高的应用价值。由于钢与铝在热加工过程中，易产生IMP脆性相，因而目前钢与铝的连接大多数仍使用机械方式（如铆接）。近年来国内外的焊接研究单位也在尝试应用摩擦焊、电子束焊、激光焊+挤压等热加工的方式，本文介绍一种新GMAW焊接工艺-CMT（冷金属过渡），可用于镀锌钢板与5或6系铝合金的异种焊接。刖言在运输行业（航空航天、汽车…），减轻产品的自重是一项重要的任务，这可以通过选用不同特性的材料来实现，从而获得两种材料的综合优点。铝合金具有其耐腐蚀好、焊接性能好、重量轻等特点；钢是工业应用中最广泛的材料，因而研究这两种材料的连接具有经济价值。例如，许多汽车顶部结构采用铝合金材料，底盘采用钢材，这样既可以减少汽车的重量，又可降低汽车的重心。然而目刖，钢与铝的连接仍然大多数采用机械方式，如压紧，铆接。极少数也采用热加工的连接方法如：摩擦焊、点焊、爆炸焊、电子束焊、激光+挤压等，但这些工艺受太多条件的限制（如工件尺寸，接头的形式、焊接位置等）1钢与铝焊接存在的问题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°C1536°C660°C弹性模量N/mm2204006750密度（20^）g/cm'7.872.7热传导率W/mK46222标准电压（在25c）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丽?相(intermetallicphases)，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。■A'aigh;P&rcsjntAluminium‘mJ102：304050€D709090100间3e■IIir:iiPqatomicPercGH?Alummium&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(B)，Fe3Al(B)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(E),Fe2Al5(n)和FeAl3(。)混合物，这些混合物硬度更高(600-1100HV)，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M~1.22V)，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。然而，当焊接接头的IMP脆性相的厚度非常薄时(<10gm)，它的脆性特点就变成次要的，这时候工件的性能主要取决于母材延展性能。(举例：玻璃=易脆的纤维玻璃=柔软的)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。综上所述，要实现钢与铝的焊接需要满足两个要求：接头处的IMP相<10gm防止焊后母材的腐蚀要实现这两个要求，首先需要热输入量低的工艺，其次需采用特殊的焊丝或焊后对焊缝进行防腐蚀处理2CMT冷金属过渡工艺介绍CMT是ColdMetalTransfer的缩写，由于其热输入量比普通的GMAW焊要低得多，因而命名为Cold。CMT冷金属过渡技术是在短路过渡基础上开发的，但同普通GMAW不同的是，送丝不是一成不变的往前送，焊丝不仅有向前送丝的运动，而且还有往回抽的动作。其焊接过

程是：电弧燃烧，焊丝往前送，直到形成熔滴短路，在这一刻，送丝速度倒转过来，焊丝往回抽，这时电流和电压几乎都为零。当下一个开路形成后，电弧重新燃起，焊丝又住前送，熔滴过渡重新开始。这种送丝/回抽运动的平均频率高达70Hz。同普通的短路过渡相比有以下不同：普通短路过渡是通过大的短路电流形成断桥来实现的，而CMT焊接是通过焊丝回抽的运动来促进熔滴过渡普通短路过渡短路电流大，而CMT过渡时短路电流几乎为零，整个焊接过程就是高频率的“热-冷-热”转换的过程，因而大幅降低热输入量。普通短路过渡熔滴爆断时产生大量飞溅，而CMT是焊丝回抽帮助熔滴脱落，焊接过程没有任何飞溅图2CMT焊接过程中电流电压示意图图3焊丝的送丝/回抽运动3CMT应用于钢与铝焊接测试和结果本文的测试数据是fronius研究钢与铝的焊接十二年之久基础上得出的，焊接方法就是CMT工艺。实现这种连接的前提是钢板必需要镀锌的，铝材的厚度范围是0.8-3mm，填充材料采用铝硅材料，通过熔化铝材和钎焊钢表面的锌形成焊缝接头（见图-4）。基础实验是在1mm钢与铝的搭接接头上完成的。图-4低放大倍率的接头图图-5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2.4川m。在所有的实验中IMP相的厚度都是低于10^m，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材料板材厚度焊丝型号焊接方法平均强度MPa铝板镀锌钢板锌层厚度AW6016DDS47G47GU7.5呻1+1mmAlSi5/COXCMT145AW6016CSG9020pm1+1.5mmAlSi5/COXCMT166.7AW5754DDSG4010pm1+1mmAlSi5/COXCMT130.3AW5182DDSG4010pm1+1mmCMT134.5AW5182CSG9020pm1+1.5mmAlSi5/COXCMT175.13备注：COX是特殊的AlSi5材料表-2各种钢与铝的焊接实验数据采用热加工的方式焊接铝合金，热影响区中一定百分比的强度失去是不可避免的，CMT工艺也是如此。当焊接热处理强化的铝合金（6系列）时，由于沉淀结晶成混合晶体结构，热影响区强度会损失30-40%，因而这种接头热影响区是最薄弱的环节，最低的拉伸强度约为铝基材料的60%。对于自然硬化铝合金（5系列）由于重结晶，热影响区的强度也会降低，强度降低幅度是同预处理和焊接过程的热输入量是相关的，断裂处主要发生在热影响区，这种接头的强度比预期的更低，可能由于近缝区重结晶的原因。数据的得出条件是AlMg5Mn，焊接速度据不同的厚度，焊接位置和接头的形式，范围为30-70cm/min，焊接过程无任何飞溅，没有对母材进行特殊处理，没有添加任何的钎剂。耐腐蚀性测试（120小时的盐浴测试，气候测试，按DIN50021/SS标准）显示，处理过的（如阴极化学涂层）试件没有被腐蚀，也没有发生晶间腐蚀和接触腐蚀。另外，在实验过程中，fronius在AlSi5基础上研发一种特殊的铝硅焊丝，“COX”，其主要的优点是该特殊材料的腐蚀的敏感性比标准的铝合金材料如AlSi5要低很多。表3是两种焊丝用于钢与铝焊接接头的疲劳测试数据。填充焊丝Rm[Mpa]无腐蚀条件Rm[Mpa]有腐蚀条件AlSi514883COX165161表-2AlSi5和COX测试数据4总结从实验数据为看，钢与铝的连接是可能，当然它有些