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  隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，異種金屬之間的焊接越來越多。異種金屬接頭不僅可以滿足單一金屬自身不能滿足的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能等方面的要求，而且還可以節(jié)省費用，節(jié)約能源，提高使用性能。在現(xiàn)代汽車工業(yè)生產(chǎn)中，鋼結(jié)構(gòu)和鋁合金的結(jié)合使用成為節(jié)能減排的重要技術(shù)，采用鋼和鋁異種金屬焊接已成為汽車輕量化的重要途徑之一。

   目前國外汽車工業(yè)采用鋁合金與鋼的復(fù)合結(jié)構(gòu)來代替部分鋼構(gòu)件，以減低自重，提高效率。因為鋁和鋼的晶體結(jié)構(gòu)、物理及化學(xué)等性質(zhì)大為不同（熔點、密度、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性和熱容量等），使得鋁合金與鋼的焊接性很差[3]。鋁的化學(xué)活性較強，表面容易被穩(wěn)定而致密的氧化膜覆蓋，故其焊接過程中極易產(chǎn)生焊接夾渣，破壞了焊接接頭的連續(xù)性；同時由于連接界面金屬間氧化物的存在，焊接接頭脆化嚴重，接頭的力學(xué)性能大大降低；熱導(dǎo)率和彈性模量的相差懸殊，容易引發(fā)較大的焊接應(yīng)力。

    因此，鋼/鋁異種金屬焊接一直是焊接領(lǐng)域的熱點和難點問題。鋼/鋁異種金屬連接方法主要有壓焊、釬焊、熔焊以及這三種方法的復(fù)合方式[2]。其中，在焊接要求較高的條件下，復(fù)合方式的研究和應(yīng)用越來越廣泛。本文研究了鋼/鋁異種材料焊接的主要方法和應(yīng)用特點，為汽車行業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用提供參考。

1 壓焊

壓焊是焊接過程中，對焊件施加壓力（加熱或不加熱）而完成焊接的方法。以下是幾種常見的壓焊工藝。

1.1 電阻點焊和縫焊

焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電流通過焊件時產(chǎn)生的電阻熱，熔化母材金屬，冷卻后形成焊點，這種方法稱為電阻點焊。電阻點焊是一種高效經(jīng)濟的焊接方法，并且操作簡便不需填充材料，易于實現(xiàn)自動化，特別適用于連接要求不氣密的薄板搭接構(gòu)件，汽車、摩托車、航天航空等行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用。為了滿足新型焊接材料對焊接工藝的要求[4-5]，國外許多大企業(yè)已將中頻點焊機器人和伺服技術(shù)點焊機器人應(yīng)用于轎車車身裝焊線上，特別是在發(fā)達國家，中頻點焊機器人使用量已占40%，并發(fā)展到鋁合金轎車的點焊作業(yè)。目前我國已有廠家正進行中頻點焊機器人裝焊線的建造中（沈陽寶馬、北京現(xiàn)代、東風(fēng)日產(chǎn)和一汽轎車等）。為了縮短與發(fā)達國家的差距必須加大力度對中頻電阻焊的研究。

目前，關(guān)于鋁合金與鋼的異種材料電阻點焊的研究主要有以下兩類工藝方法[6]：①工藝墊片法；由于鋁合金和鋼的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等相差懸殊，導(dǎo)致焊接過程中熱分布不平衡且容易產(chǎn)生偏析，所以在點焊過程中鋁側(cè)與電極之間加一個工藝墊片（一般為鋼），用來改善鋁一側(cè)的析熱，從而實現(xiàn)鋼和鋁之間的對稱性連接；②中間過渡層法（單一材料過渡層法，復(fù)合板過渡層法）。如果鋼和鋁直接接觸，兩者容易發(fā)生界面反應(yīng)產(chǎn)生金屬間化合物，從而影響接頭的抗拉強度等，所以在焊接鋼和鋁異種金屬時在兩者之間插入第三金屬或者合金，避免了鋼和鋁之間的直接接觸，其中鍍鋅鋼板應(yīng)用的最廣。

楊修榮等人[7]對輕量化汽車的焊接做了大量的研究，現(xiàn)代汽車除車體會由目前鋼結(jié)構(gòu)演變?yōu)槔砟钕冗M的混合式空間結(jié)構(gòu)，還會依據(jù)部位要求采用不同性能的輕質(zhì)材料，以實現(xiàn)材料與零部件功能的最佳匹配。鋁合金、鎂合金、工程塑料、復(fù)合材料和高強度鋼、超高強度鋼等輕量化材料的應(yīng)用在汽車的輕量化過程中將發(fā)揮重大作用。

日本學(xué)者LeeKwang-Jin等[8]使用磁壓縫焊方法進行了低碳鋼（SPCC）/A6111鋁合金的焊接，在焊接界面形成一個中間過渡層。微觀分析發(fā)現(xiàn)搭接結(jié)合呈現(xiàn)波浪形態(tài)，組織類似爆炸焊接。透射顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，過渡層由細小的鋁顆粒（約100nm）和更細小的金屬間化合物顆粒組成。焊接強度高，力學(xué)性能測試斷裂位置位于母材。

傳統(tǒng)的電阻點焊工藝在現(xiàn)有的車身焊接制造中約占75%，應(yīng)用最為廣泛，操作也較為簡單。但同樣在新材料的應(yīng)用時面臨問題。電阻點焊焊鋁時，電極極易被污染，300個左右的點焊就需要更換或修磨電極，生產(chǎn)的連續(xù)性受到影響。

2005年，著名焊機制造商奧地利fronius公司推出一款新型的電阻點焊機，其原理非常簡單，在工件和電極之間增加一條電極帶，焊接時電極壓住電極帶，每焊完一個點，電極帶自動轉(zhuǎn)到下一個位置，每個焊點都是“全新的”電極，這樣可以保證電極和工件的接觸表面總是干凈的，所以焊接質(zhì)量和精度較高。其中電極帶不僅可以用來保護電極，還可以改善鋼和鋁的接觸電阻，進而改變熱量分布，有效地實現(xiàn)了電極兩端的熱平衡，非常適于鋼和鋁的焊接。激光焊工藝具有能量集中、焊接速度快、熔深深、熱影響區(qū)小、焊縫強度高、焊接變形小等優(yōu)點被用于車身上較長的焊縫（如車頂、行李廂蓋），或者用于高強度要求的結(jié)構(gòu)件上。但其也有自身的缺點，一是對裝配要求高；二是高反射率材料（如鋁、銅）難焊接；三是投資成本高。

1.2 摩擦焊

摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端面達到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法。摩擦焊方法的作用溫度和時間容易控制，這樣大大降低了有害相以及大晶粒結(jié)構(gòu)的形成，所以該方法非常適用于連接鋁和鋼異種金屬接頭[9]。

王希靖等[10]用該方法對大面積鑄態(tài)純鋁與Q235鋼進行了焊接試驗，其中攪拌頭轉(zhuǎn)速為1230r/min，一級摩擦壓力為39.2MPa，二級摩擦壓力為78MPa，一級摩擦?xí)r間1.5s，二級摩擦?xí)r間2.0s，頂鍛壓力78MPa，頂鍛時間1s，剎車時間0.2s。試驗所得焊接接頭飛邊成形美觀、焊合區(qū)性能良好，接頭強度甚至可以超過鋁一側(cè)基體。研究了熱處理溫度對接頭性能的影響，熱處理溫度較高時試樣在鋁側(cè)斷裂，伸長率隨溫度的升高而增大，抗拉強度隨溫度的升高而下降。

摩擦焊與傳統(tǒng)的焊接方法不同點在于焊接的整個過程中，待焊金屬并沒有獲得使其溫度達到其熔點的能量，即金屬是在熱塑性狀態(tài)下實現(xiàn)的固態(tài)連接，其接頭質(zhì)量高，能滿足焊縫強度與機體材料等強度，并且焊接效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保、一致性好。在鋼鋁等異種材料的焊接方面具有一定的優(yōu)勢，因此獲得了廣泛的研究和應(yīng)用。但是這種焊接方法對接頭的形狀要求特別嚴格，一般都是圓柱形接頭（直徑在60~100mm），這大大降低了其實用性。

1.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊方法與常規(guī)摩擦焊一樣，也是利用摩擦作為焊接熱源，不同之處在于，攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體形狀的焊頭伸入工件的接縫處，通過攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的溫度升高軟化，同時對材料攪拌摩擦來實現(xiàn)焊接的。

邢麗等[11]用該方法實現(xiàn)了LF防銹鋁和ST12低碳鋼的有效焊接，其中對接時低碳鋼和防銹鋁的厚度都為2.5mm，搭接時鋁合金板的厚度為2mm，低碳鋼的厚度為2.5cm。試驗用的攪拌頭是用高溫合金制成的，攪拌頭的轉(zhuǎn)速為1180r/min，焊接速度為95～150mm/min。

試驗結(jié)果表明，焊接工藝參數(shù)合適時，可以得到表面成形良好的接頭，通過對兩種接頭進行拉伸試驗發(fā)現(xiàn)搭接接頭塑性更好。攪拌摩擦焊焊接過程中，焊接溫度較低，熱輸入也小，并且焊接接頭變形小，接頭性能優(yōu)異，對材料的適應(yīng)性極強，幾乎可以焊接所有類型的鋁合金材料。攪拌摩擦焊還提高了焊接接頭的力學(xué)性能，避免了熔化焊時出現(xiàn)的缺陷，而且焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織變化較小。

1.4 擴散焊

兩焊件緊密貼合，在真空或保護氣氛中，在一定溫度和壓力下保持一段時間，使接觸面之間的原子相互擴散完成焊接的一種壓焊方法。擴散焊是在熱壓焊基礎(chǔ)上，還具有釬焊的某些優(yōu)點。其特點是可以焊接其它焊接方法難以焊接的材料（不同種類材料、壁厚相差大、精度很高的工件）。擴散焊可以分為兩種：一種是加中間擴散層的擴散焊，另一種是不加擴散層的擴散焊。

大量研究表明，對于鋁及鋁合金與鋼的擴散焊，影響焊接接頭力學(xué)性能的主要是因素是材料表面的氧化膜和接頭界面產(chǎn)生的金屬間化合物[12]。因此，必須提出切實可行的改進措施加強對界面氧化膜和界面反應(yīng)機理的研究，實現(xiàn)鋁及鋁合金與鋼擴散焊連接工程化。

2 釬焊

釬焊是指用比母材熔點低的金屬材料作為釬料，液態(tài)釬料潤濕母材和填充工件焊口間隙并使其與母材相互擴散的焊接方法。鋁鋼釬焊過程中，基體沒有發(fā)生熔化，這樣可以防止金屬間化合物的大面積生成，同時焊接參數(shù)具有良好的可控性[13]，可以通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)控制金屬間化合物層的厚度，而且還可以通過控制釬料的成分來精確地控制界面反應(yīng)過程，從而獲得具有良好力學(xué)性能的鋁鋼異種金屬接頭。但是這種方法獲得的焊接接頭強度低，耐熱性差，且焊接成本高、焊接效率低、焊前清整要求嚴格，實際應(yīng)用性大大降低。

3 熔焊

熔焊是指焊接過程中，將焊接接頭在高溫等作用下至熔化狀態(tài)。由于被焊接工件是緊密貼在一起的，在溫度場、重力等的作用下，不加壓力，兩個工件熔化的熔液發(fā)生混合現(xiàn)象，待溫度降低后，熔化部分凝結(jié)，兩個工件就被牢固的焊接在一起了。在鋼和鋁熔焊時，一般情況下鋼是不熔化的，只有鋁處于熔化狀態(tài)，這樣可以大大降低焊縫金屬間氧化物的形成[14]，所以鋼和鋁的焊接接頭兼有熔焊和釬焊的特點，焊接接頭形式主要以搭接為主。當(dāng)前，汽車及其相關(guān)工業(yè)對輕量化結(jié)構(gòu)的需求越來大，再加上熔焊具有很靈活的操作性，焊接效率高等特點，因此在工業(yè)中的應(yīng)用越來越普遍。

鋁和鋼熔焊時，為了降低金屬間化合物的生成，避免鋼的熔化，必須有效的控制焊接熱輸入；為了得到性能良好的焊縫組織，要求鋁及其合金能較好的潤濕鋼板表面。綜合以上因素，電子束焊、激光焊以及氬弧焊三類方法可以用來焊接鋁/鋼異種金屬接頭，這些方法效率高，對工件沒有什么特殊要求，因此應(yīng)用前景十分廣闊。

4 復(fù)合方式焊接

4.1 熔焊-釬焊

鋼一側(cè)為釬焊，在鋁一側(cè)為熔焊。如：激光熔焊-釬焊法、脈沖熔焊-釬焊法和CMT法（異種材料冷金屬過渡釬焊）。德國布萊梅激光研究所的Kreimeyer等人[15]利用非腐蝕氟化物釬劑清理金屬表面的氧化膜，在氬氦混合氣體的保護下，實現(xiàn)了鋼和鋁的對接接頭和搭接接頭的連接。激光束焊熱輸入小，焊接熔池溫度梯度高、冷速快，金屬間化合物的厚度（＜2μm）得到了有效地控制，從而得到了焊接性能優(yōu)質(zhì)焊接接頭（最大斷裂強度達到188MPa）。

用鋅作為過渡層，不僅增加了鋁對鋼的潤濕性，還減少了界面化合物的厚度。日本大阪大學(xué)的Murakami等人[16]研究表明，采用MIG電弧釬焊方法可以實現(xiàn)冷軋普通碳鋼板和純鋁板搭接接頭的連接。通過適當(dāng)?shù)脑黾雍附铀俣龋梢杂行У胤乐菇饘匍g化合物的生成，當(dāng)金屬間化合物層的厚度小于2.5μm時，可以得到性能良好的焊接接頭，其橫向拉伸強度可以達到80MPa。

4.2 熔焊-壓焊

例如激光壓焊，這種方法與常規(guī)的熱壓焊相比，高能量密度的激光束控制焊接過程中的熱輸入，可以實現(xiàn)壓焊部位的快速加熱和快速冷卻[17]，從而可以有效地抑制金屬間化合物的生成，得到性能良好的焊接接頭。

4.3 滾壓復(fù)合焊

滾壓復(fù)合焊通過對焊接速度的控制改善了鋁及鋁合金表面氧化膜的不利影響，有效的防止了金屬間化合物的生成[17-18]，增加了焊接接頭的塑性，從而得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。（如：真空滾壓焊、激光滾壓焊等）。

5 結(jié)論

（1）壓焊和釬焊由于基體在焊接過程中保持固態(tài)，同時可以較好的控制焊接熱輸入，因此金屬間化合物對接頭性能影響不大，比較適合鋼和鋁之間的焊接，但是這種焊接方法效率較低，不適于大批量生產(chǎn)。電阻點焊具有生產(chǎn)效率高、操作簡便、不需填充材料、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，迄今是汽車車身生產(chǎn)的主要焊接方法，然而這種焊接方法還不夠成熟，不夠完善，特別是在改善接頭性能方面有待做進一步的研究，并且其對焊接設(shè)備的要求也較高。

（2）熔焊方法比較靈活，效率較高，但是金屬間化合物的生成又不可避免。采用熔釬結(jié)合的方法已經(jīng)獲得了很好的效果，但是對于金屬間化合物的形成機理以及如何促進鋼/鋁之間的潤濕性等方面還沒有系統(tǒng)研究。

（3）擴散焊可以焊接其它焊接方法難以焊接的材料，對于鋁及鋁合金與鋼的擴散焊，影響焊接接頭力學(xué)性能的主要因素是材料表面的氧化膜和接頭界面產(chǎn)生的金屬間化合物。因此，必須提出切實可行的改進措施加強對界面氧化膜和界面反應(yīng)機理的研究，實現(xiàn)鋁及鋁合金與鋼擴散焊連接的工程化。

（4）攪拌摩擦焊點焊也是一種新興的綠色焊接方法，迄今為止科學(xué)家們雖然做了大量的研究工作，但是還沒有應(yīng)用到實際生產(chǎn)當(dāng)中，影響其應(yīng)用的主要因素就是成本高、不夠靈活、焊接效率差等，還需要進一步的研究。