铝钢异种金属焊接性能怎么样

概述近年来，随着节能减排和环保要求的提高，在保证汽车安全性能的前提下，汽车轻量化成为了汽车工业发展的重要方向。铝以其在地球上的储量大、密度低、比强高、耐腐蚀性强等大量优点，使其在汽车轻量化进程中得到广泛应用。当前大量交运工业都采用了“以铝代钢”的铝/钢焊接复合结构。国内外科研工作者研究了多种铝钢焊接的方法，如扩散焊、爆炸焊、摩擦焊、熔化焊、钎焊、熔钎焊等，但存在异种材料连接强度不高或者连接方法使用范围受限等缺点。冷金属过渡焊（CMT）是一种新型焊接技术，能够实现送丝与焊接中焊丝熔滴过渡的相互协调，具有无飞溅、热输入低和效率高等优点，有着广阔的应用前景。铝/钢界面的金属间化合物及种类将严重影响铝/钢焊接接头性能，而影响CMT焊接工艺性能的主要参数有：焊接电流、焊接时间、电弧电压、焊接速度和送丝速度等。本文基于

CMT

焊接工艺技术，探究了1050铝合金板和Q235镀锌板焊接接头的微观组织和力学性能。试验材料及方法选用规格为50mm×250mm×1mm的1050铝合金板和Q235镀锌板作为焊接材质，焊丝选用直径为1.2mm的ER4043（AlSi5）焊丝。采用奥地利Fronius公司生产的TSP5000CMT数字化冷金属过渡焊机。焊接接头形式为搭接接头，铝合金板在上，镀锌板在下。焊接前先清洗镀锌钢板表面的油污，并在表面涂抹一层特定成分的特种钎剂，置于烘箱中烘干后待用。然后去除铝合金板表面的氧化膜，并用丙酮清洗。铝合金板清理干净后需要立即进行焊接，以防被再次氧化。焊接时的送丝速度为3.9mm/min，焊接速度为300mm/min。焊接后垂直于焊缝取样，分别制备拉伸试样和金相试样。金相试样经镶嵌、研磨和抛光后，先用4%的硝酸酒精腐蚀样品的钢侧，再用0.5%的氢氟酸水溶液腐蚀样品的铝侧，然后在显微镜和扫描电镜下观察组织。拉伸试验在电子万能试验机上进行，拉伸速度为1mm/min。试验结果及分析（1）焊缝宏观形貌焊缝的宏观形貌如图1所示，焊接完成后所得的铝/钢的焊缝均匀连续，表面形成了极其细微的鱼鳞纹，并没有出现一些常见的焊接缺陷，诸如未熔合、咬边等。（a）正面（b）反面图1

焊缝的宏观形貌（2）焊缝的力学性能按照GB/T2651—2008进行焊接接头拉伸试验，制备了两个试样，其中一个试样去除焊缝余高，另一个保留焊缝余高。试验结果如表1所示，焊接接头的抗拉强度达到铝合金母材抗拉强度的70%以上，试验后试样断裂在铝合金母材热影响区附近，断口上分布着许多韧窝，是典型的韧性断裂特征，如图2所示。表1

焊接接头拉伸试验结果图2

拉伸试样断口形貌（

3

）焊接接头的宏观和微观形貌焊缝横截面的宏观形貌如图3所示，焊后板材有少量变形。由于铝/钢的熔点差异较大，从而在进行焊接时，铝熔化而钢未熔化。因此，焊接接头主要由熔合区、界面区以及富锌区组成。图3

焊缝横截面宏观形貌焊缝和铝合金板界面的微观形貌如图4a所示，在热影响区组织的形貌特征为等轴晶，而在熔合区组织的形貌特征则变为了柱状晶，柱状晶主要依附于铝合金母材壁形核并长大。由于从熔融的状态下冷却下来，焊缝的晶粒较为粗大。经分析，该熔合区主要由a-Al和Al-Si共晶组成。图4b所示为热影响区和熔合区的扫描电镜组织特征形貌。由SEM图可以发现，熔合区还存在一些“缩孔”现象。缩孔的出现和柱状晶的形成会严重影响焊接接头的力学性能。（a）显微组织（b）SEM形貌图4

焊缝和铝合金板界面的微观形貌富锌区存在于铝/钢搭接焊接头的焊脚部位，其组织形貌特征显著区别于熔合区的组织形貌特征，具体特征如图5所示，富锌区面积不大、呈楔形。通过SEM及EDS对图中红色区域进行分析，可以发现此处含有大量的Zn，具体结果如表2所示。富锌区的形成主要在于电弧加热过程中，焊接电弧的中心温度较高，而电弧边缘的温度相对较低，从而不能完全熔化及蒸发掉钢表面的镀锌层，加上受到液态铝合金的推动作用，导致剩余的未被挥发的锌聚集在电弧的边缘处。在富锌区和镀锌板之间几乎没有任何的界面区域，这就说明在该处很少发生Al元素和Fe元素的扩散反应。图5

富锌区的微观形貌表2

富锌区的EDS成分铝钢界面处的微观形貌如图6所示。铝/钢焊接接头界面处存在一定厚度的中间化合物层。化合物厚度较薄，向铝合金方向呈锯齿状生长。为进一步分析界面层中的化合物，对其进行线扫描能谱分析，结果如图6b所示。界面区是由Fe、Al两元素相互扩散结合所形成的过渡区域，从钢侧到铝侧，Fe元素含量下降，Al元素含量急剧上升，呈梯度变化。另外由于是先腐蚀钢侧，再腐蚀铝侧，导致F元素在钢侧表面有残留。（a）微观形貌（b）线扫描结果图6

铝/钢界面区的微观形貌和线扫描结果根据Fe-Al二元合金相图，在不同温度时铁与铝可以形成FeAl2、Fe2Al5和FeAl3等金属间化合物。有研究表明，当金属间化合物层越厚时，铝钢焊接接头的力学性能越差。一般认为金属间化合物层在10μm时最佳。当金属间化合物层过厚时，金属间化合物的脆性将严重降低接头强度；当金属间化合物较薄时，它的脆性特点就可以被忽略，此时焊接接头的性能主要取决于母材的性能。结语(1)1050铝合金板和Q235镀锌板的CMT熔-钎焊缝成形良好。(2)

焊接接头主要由熔合区、界面区以及富锌区组成。在铝钢界面处形成了较薄的界面