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摘 要：铝和钢之间的焊接问题都是难点,但是铝及铝合金应用非常广泛,人们越来越关注铝与钢的连接问题.首先介绍了钢铝异种金属的焊接性问题,然后介绍了当前存在的集中焊接方式,各有利弊,有些焊接研究还不够深入,需要广大学者进一步努力,推动异种金属焊接技术的不断进步.
关 键 词：钢铝 焊接 异种金属
中图分类号：TG407文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）008-058-02
1前言
在各种加工制造领域里,铝及铝合金应用非常广泛,因为铝合金质量轻、塑性好、耐腐蚀性强,铝合金已经成为当前得到广泛使用的一种轻金属.在工业领域的发展过程中,钢作为一种最为普遍、最为常用的黑色金属,在机械制造业中处于非常重要的地位.
就目前制造业的发展情况来看,随着铝及铝合金结构件的广泛应用,铝与钢的连接问题越来越受到人们的深切关注.一般情况,钢和铝的连接方式包括两种：(1)粘接.粘接指的是在铝和钢的连接中,连接接头的机械强度非常有限,一般情况不太适合超强度的焊接要求,通常只是适用于一些对接头强度要求不是很高的情况；(2)机械连接.在机械连接的过程中,连接的气密性很难保证,但是机械连接能够实现高强度的连接接头.与此同时,还有一个问题就是机械连接后往往会留下明显的连接痕迹,这种缺点不能满足那些对表面要求相对较高的工件.在异种金属的连接中,焊接是一种最常用的连接手段,广泛应用在异种金属的连接中.
2铝钢异种金属的焊接性
铝与钢的金属性能有很大的差异.铝与钢焊接性较差的主要原因就是铝与钢性能的差异导致的.铝与钢焊接中存在的主要问题可以归结为以下几点：
(1)熔点不同导致焊接中的问题.由于钢的熔点比铝的熔点高,所以一般情况下,在焊接过程中,当钢还处在固态的时候,铝已经完全熔化为液态,当钢完全融化了以后,两者的密度又不同,并且密度的整体差别很大.这样一来,在熔化的过程中,当钢完全熔化了,液态的铝水就会浮在钢水的上方.在这种情况下,如果等到钢水和铝水冷却之后,焊缝的成分就变的不够均匀,这往往就是造成接头性能变低的主要原因.
(2)夹渣现象的出现.通常情况下,在焊接铝及合金的过程中会出现夹渣现象.在铝及合金的焊接中,往往会在母材的上方形成很难熔化的Al2O3氧化膜,有时候熔池表面也会有这种氧化膜的存在.随着熔池温度的越来越高,表面的氧化膜变得越来越厚.氧化膜产生之后会造成液态金属的相互分离,不能够得到有效的结合,最终也导致金属焊缝产生夹渣现象.
(3)铝钢焊接接头变形严重.在铝和钢的焊接过程中,由于铝及其合金与钢的线膨胀系数、密度以及热导率都差距很大,从而造成了焊后焊接接头的严重变形,严重时还会产生较大的残余应力,这样就很容易产生裂纹.
3铝和钢焊接的相关方法与问题
3.1铝和钢的压焊
铝钢复合板的制作一般采用的是滚焊和爆炸复合的制作方式.有实验表明：在铝钢复合板的制作中,纯铝和钢的结合界面会生成金属间的化合物,并且硬度非常高.因此,通过实验,笔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结晶,能够形成金属的高硬度,这样以来就不利于复合板的硬化对其使用性.要想能够更好地使铝合金和钢板做到良好的接触,技术人员可以利用压轮的方法,加快钢板和铝板之间热量的快速传递.在铝和钢的压焊过程中,FeAl3是金属间脆性物质层的主要成分.如果金属间化合物层的厚度小于10%em时,那么样品就会断裂在镀锌钢的基体金属中.利用激光压力焊接镀锌钢和纯铝,根据压力的不同会出现不同的情况,当压轮的压力大于1.96kN,激光功率≤1400W的时候,接头的强度就会变高.
3.2铝和钢的搅拌摩擦焊
使用此种方法对对铝合金和不锈钢进行焊接,实验证明：在低转速下焊缝温度增长不够,就会很容易在短时间内导致焊接接头烧坏.如果在高转速下,镁会因为温度较高而燃烧,结果就是得不到完美的接头.当焊头旋转速度为250rpm时,焊缝的抗拉强度较高,而且焊接头的形貌较好.在实验过程中,常常采用摩擦搅拌焊的方法,这是一种固相焊接的主要方法,在异种金属焊接中非常常见.摩擦搅拌焊接的方法具有很大的优点,例如：在焊接过程中能量的输出小,焊接使用的时间也比较短,焊接的温度也非常低,这样也不会造成焊接结构的变形,摩擦搅拌焊接的这些优点使得该种方法得到了很大的推广和应用.但是这种方法也有自身的缺点,在焊接的过程中采用搅拌摩擦焊,焊接的效率不高,工艺研究目前还不够完善,需要进一步研究努力.
3.3钎焊
有学者研究了铝合金与不锈钢的钎焊工艺方法,其中钎料为镍/铜过渡层,同时还深入探讨了焊缝的组织与力学特性以及连接界面的内在机理问题.在研究的过程中,通过对焊缝的进一步分析,进一步发现了没有铝和铁脆性金属间化合物在焊缝和母材中出现.这就在一定程度上说明了钎料能够
防止铝铁等原子的向外扩散.通过研究我们得知：因为在焊缝与铜界面上生成了少量的AlCu3,但并没有因此降低了焊缝的抗剪强度.一般情况下是钢处在固态,而铝处于熔化状态,结合了钎焊、熔焊两种焊接特点.
有学者研究了焊接热侵蚀镀锌钢板和AA6082铝,其中AlSi为填充焊丝.采用的三种焊接方式为：CMT焊接、激光—冷填丝焊接、激光—CMT.结果显示此三种工艺表面的形貌与激光冷填丝焊接穿透深度的对比,得到激光冷填丝焊接是最佳工艺,并进行了工艺的优化.预热焊丝钎焊使铝和焊缝间连接得更好.主要是由于激光可以很好地融化预热的填丝,从而使接头更好的被填充.同时也优化了工艺参数,当预热电流为160A,激光功率达到2700W时焊接接头的机械应力达到最大值.
还有一种钎焊形式—电弧焊,此种方法是利用电源作为热源对铝与钢进行加热,把铝基焊丝填充接头也送进去,此时的状态为熔化状态,为熔焊结合,但是此时的钢母材不熔化,为钎焊结合.此种焊接方法也有较为明显的优势,具有节能、高效、灵活方便的特点,此种方法使钎焊接头在高温状态下停留的时间比较短,所以焊接时母材不易产生晶粒过大现象,结果就是使热影响区比较窄,焊缝后工艺美观,力学性能较好,而且自动化程度高.
4结语
一直以来,铝和钢之间的焊接问题都是难点.目前,铝—钢连接的焊接方法多为固相连接方法,很难满足批量生产的要求,可以说目前异种金属的优质高效连接问题已经逐步成为影响金属复合结构在工程中更大范围推广应用的最大技术瓶颈.需要广大学者不断研究,积极改进,推动金属异种金属焊接技术的进步.