鋼與鋁的焊接

鋼與鋁的焊接CMT工藝楊修榮珠?？朴附悠鞑挠邢薰菊轰撆c鋁是兩種目前工業(yè)中應(yīng)用廣泛的材料，如何實(shí)現(xiàn)兩種材料的異種連接，對(duì)拓寬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造有高的應(yīng)用價(jià)值。由于鋼與鋁在熱加工過程中，易產(chǎn)生IMP脆性相，因而目前鋼與鋁的連接大多數(shù)仍使用機(jī)械方式（如鉚接）。近年來國(guó)內(nèi)外的焊接研究單位也在嘗試應(yīng)用摩擦焊、電子束焊、激光焊+擠壓等熱加工的方式，本文介紹一種新GMAW焊接工藝-CMT（冷金屬過渡），可用于鍍鋅鋼板與5或6系鋁合金的異種焊接。刖言在運(yùn)輸行業(yè)（航空航天、汽車…），減輕產(chǎn)品的自重是一項(xiàng)重要的任務(wù)，這可以通過選用不同特性的材料來實(shí)現(xiàn)，從而獲得兩種材料的綜合優(yōu)點(diǎn)。鋁合金具有其耐腐蝕好、焊接性能好、重量輕等特點(diǎn)；鋼是工業(yè)應(yīng)用中最廣泛的材料，因而研究這兩種材料的連接具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。例如，許多汽車頂部結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料，底盤采用鋼材，這樣既可以減少汽車的重量，又可降低汽車的重心。然而目刖，鋼與鋁的連接仍然大多數(shù)采用機(jī)械方式，如壓緊，鉚接。極少數(shù)也采用熱加工的連接方法如：摩擦焊、點(diǎn)焊、爆炸焊、電子束焊、激光+擠壓等，但這些工藝受太多條件的限制（如工件尺寸，接頭的形式、焊接位置等）1鋼與鋁焊接存在的問題由于兩種材料有著不同的化學(xué)和物理性能，如熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、彈性模量等（見表-1），因而通過熱加工的焊接工藝來焊接鋼與鋁時(shí)會(huì)面臨許多問題。名稱單位鋼純鋁熔點(diǎn)°C1536°C660°C彈性模量N/mm2204006750密度（20^）g/cm'7.872.7熱傳導(dǎo)率W/mK46222標(biāo)準(zhǔn)電壓（在25c）V-0.44-2.34表1鋼和鋁的物理性能最大的問題是鋁與鋼易形成非常硬和脆的麗?相(intermetallicphases)，并且焊接熱輸入量越大，生成的IMP相就越多。這種脆性相嚴(yán)重破壞接頭的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的強(qiáng)度，以及惡化接頭的塑性?！鯝'aigh;P&rcsjntAluminium‘mJ102：304050€D709090100間3e■IIir:iiPqatomicPercGH?Alummium&圖1二元的AL-Fe相位圖在圖中左邊可以看出鐵在固熔狀態(tài)下是可以熔解一部份鋁，但當(dāng)鋁的含量超過12%時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生根本的改變，形成FeAL(B)，F(xiàn)e3Al(B)混合物，這些混合物是非常硬(250-520HV)和脆的。如果鋁在鐵中的含量進(jìn)一步提高，就會(huì)形成Fe2Al(E),Fe2Al5(n)和FeAl3(。)混合物，這些混合物硬度更高(600-1100HV)，更脆。這種脆性物的產(chǎn)生是由于鐵在鋁中的擴(kuò)散或是鋁在鐵中的擴(kuò)散。當(dāng)兩種不同材料電化學(xué)電位有差別時(shí)，就會(huì)發(fā)生分子擴(kuò)散以彌補(bǔ)電位差，電位相差越大時(shí)(鐵和鋁的M~1.22V)，擴(kuò)散的趨勢(shì)就越大，如果兩種材料都是處于液態(tài)，則擴(kuò)散就更容易。然而，當(dāng)焊接接頭的IMP脆性相的厚度非常薄時(shí)(<10gm)，它的脆性特點(diǎn)就變成次要的，這時(shí)候工件的性能主要取決于母材延展性能。(舉例：玻璃=易脆的纖維玻璃=柔軟的)另一主要問題腐蝕問題，由于兩種材料電化學(xué)電位差別較大，只要存在電位差，就會(huì)有電解發(fā)生(原理相當(dāng)于電池)，而鋁電位低，因而是負(fù)極，會(huì)隨著電解而腐蝕。綜上所述，要實(shí)現(xiàn)鋼與鋁的焊接需要滿足兩個(gè)要求：接頭處的IMP相<10gm防止焊后母材的腐蝕要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)要求，首先需要熱輸入量低的工藝，其次需采用特殊的焊絲或焊后對(duì)焊縫進(jìn)行防腐蝕處理2CMT冷金屬過渡工藝介紹CMT是ColdMetalTransfer的縮寫，由于其熱輸入量比普通的GMAW焊要低得多，因而命名為Cold。CMT冷金屬過渡技術(shù)是在短路過渡基礎(chǔ)上開發(fā)的，但同普通GMAW不同的是，送絲不是一成不變的往前送，焊絲不僅有向前送絲的運(yùn)動(dòng)，而且還有往回抽的動(dòng)作。其焊接過

程是：電弧燃燒，焊絲往前送，直到形成熔滴短路，在這一刻，送絲速度倒轉(zhuǎn)過來，焊絲往回抽，這時(shí)電流和電壓幾乎都為零。當(dāng)下一個(gè)開路形成后，電弧重新燃起，焊絲又住前送，熔滴過渡重新開始。這種送絲/回抽運(yùn)動(dòng)的平均頻率高達(dá)70Hz。同普通的短路過渡相比有以下不同：普通短路過渡是通過大的短路電流形成斷橋來實(shí)現(xiàn)的，而CMT焊接是通過焊絲回抽的運(yùn)動(dòng)來促進(jìn)熔滴過渡普通短路過渡短路電流大，而CMT過渡時(shí)短路電流幾乎為零，整個(gè)焊接過程就是高頻率的“熱-冷-熱”轉(zhuǎn)換的過程，因而大幅降低熱輸入量。普通短路過渡熔滴爆斷時(shí)產(chǎn)生大量飛濺，而CMT是焊絲回抽幫助熔滴脫落，焊接過程沒有任何飛濺圖2CMT焊接過程中電流電壓示意圖圖3焊絲的送絲/回抽運(yùn)動(dòng)3CMT應(yīng)用于鋼與鋁焊接測(cè)試和結(jié)果本文的測(cè)試數(shù)據(jù)是fronius研究鋼與鋁的焊接十二年之久基礎(chǔ)上得出的，焊接方法就是CMT工藝。實(shí)現(xiàn)這種連接的前提是鋼板必需要鍍鋅的，鋁材的厚度范圍是0.8-3mm，填充材料采用鋁硅材料，通過熔化鋁材和釬焊鋼表面的鋅形成焊縫接頭（見圖-4）?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)是在1mm鋼與鋁的搭接接頭上完成的。圖-4低放大倍率的接頭圖圖-5圖-4低放大倍率的接頭圖圖-5接頭的晶向圖從圖-4圖中可以清楚看到，鋁這邊是熔焊上的，而鋼這邊是釬焊上的。從圖-5可以看到，IMP脆性相只有2.4川m。在所有的實(shí)驗(yàn)中IMP相的厚度都是低于10^m，因而接頭的性能更多的是受母材性能的影響，而不是接頭中的IMP相，在強(qiáng)度測(cè)試過程斷裂處總是發(fā)生在鋁的熱影響區(qū)，有時(shí)甚至在鋁基體上。表二是種測(cè)試的強(qiáng)度平均值材料板材厚度焊絲型號(hào)焊接方法平均強(qiáng)度MPa鋁板鍍鋅鋼板鋅層厚度AW6016DDS47G47GU7.5呻1+1mmAlSi5/COXCMT145AW6016CSG9020pm1+1.5mmAlSi5/COXCMT166.7AW5754DDSG4010pm1+1mmAlSi5/COXCMT130.3AW5182DDSG4010pm1+1mmCMT134.5AW5182CSG9020pm1+1.5mmAlSi5/COXCMT175.13備注：COX是特殊的AlSi5材料表-2各種鋼與鋁的焊接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用熱加工的方式焊接鋁合金，熱影響區(qū)中一定百分比的強(qiáng)度失去是不可避免的，CMT工藝也是如此。當(dāng)焊接熱處理強(qiáng)化的鋁合金（6系列）時(shí)，由于沉淀結(jié)晶成混合晶體結(jié)構(gòu)，熱影響區(qū)強(qiáng)度會(huì)損失30-40%，因而這種接頭熱影響區(qū)是最薄弱的環(huán)節(jié)，最低的拉伸強(qiáng)度約為鋁基材料的60%。對(duì)于自然硬化鋁合金（5系列）由于重結(jié)晶，熱影響區(qū)的強(qiáng)度也會(huì)降低，強(qiáng)度降低幅度是同預(yù)處理和焊接過程的熱輸入量是相關(guān)的，斷裂處主要發(fā)生在熱影響區(qū)，這種接頭的強(qiáng)度比預(yù)期的更低，可能由于近縫區(qū)重結(jié)晶的原因。數(shù)據(jù)的得出條件是AlMg5Mn，焊接速度據(jù)不同的厚度，焊接位置和接頭的形式，范圍為30-70cm/min，焊接過程無任何飛濺，沒有對(duì)母材進(jìn)行特殊處理，沒有添加任何的釬劑。耐腐蝕性測(cè)試（120小時(shí)的鹽浴測(cè)試，氣候測(cè)試，按DIN50021/SS標(biāo)準(zhǔn)）顯示，處理過的（如陰極化學(xué)涂層）試件沒有被腐蝕，也沒有發(fā)生晶間腐蝕和接觸腐蝕。另外，在實(shí)驗(yàn)過程中，fronius在AlSi5基礎(chǔ)上研發(fā)一種特殊的鋁硅焊絲，“COX”，其主要的優(yōu)點(diǎn)是該特殊材料的腐蝕的敏感性比標(biāo)準(zhǔn)的鋁合金材料如AlSi5要低很多。表3是兩種焊絲用于鋼與鋁焊接接頭的疲勞測(cè)試數(shù)據(jù)。填充焊絲Rm[Mpa]無腐蝕條件Rm[Mpa]有腐蝕條件AlSi514883COX165161表-2AlSi5和COX測(cè)試數(shù)據(jù)4總結(jié)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為看，鋼與鋁的連接是可能，當(dāng)然它有些