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1、钢与铝的焊接-CMT 工艺 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。 前言 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
2、 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。然而目前，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。 名称名称名称名称 单位单
3、位单位单位 钢钢钢钢 纯铝纯铝纯铝纯铝 熔点熔点熔点熔点 C 1536C 660C 弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量 N/mm 20400 6750 密度密度密度密度（ 20202020） g/cm 7.87 2.7 热传导率热传导率热传导率热传导率 W/mK 46 222 标准电压标准电压标准电压标准电压（ 在在在在 25252525） V -0.44 -2.34 表 1 钢和铝的物理性能 航空航天焊接工艺 225 最大的问题是铝与钢易形成非常硬和脆的IMP相（intermetallic phases），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
4、及恶化接头的塑性。 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()，Fe3Al()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(), Fe2Al5() 和FeAl3()混合物，这些混合物硬度更高(600 1100 HV)，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E1.22 V），扩散的趋势就越大，如果 两种材料都是处于
5、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( 10 m )，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 10 m ? 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 2 CMT 冷金属过渡工艺介绍 CMT是Co
6、ld Metal Transfer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
7、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 2 CMT 焊接过程中电流电压示意图 图 3 焊丝的送丝/回抽运动 3 CMT 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
8、接头（见图-4） 。基础实验是在1mm钢与铝的搭接接头上完成的。 热热热热 冷冷冷冷 热热热热 冷冷冷冷 热热热热 航空航天焊接工艺 227 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2.41m。 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 材料材料材料材料 板材厚度板材厚度板材厚度板材厚度 焊丝型号焊丝型号焊丝型号焊丝型号 焊接
9、方法焊接方法焊接方法焊接方法 平均强度平均强度平均强度平均强度 MPa 铝板铝板铝板铝板 镀锌钢板镀锌钢板镀锌钢板镀锌钢板 锌层厚度锌层厚度锌层厚度锌层厚度 AW6016 DDS47G47GU 7.5m 1+1mm AlSi5/COX CMT 145 AW6016 CS G 90 20m 1+1.5mm AlSi5/COX CMT 166.7 AW5754 DDS G40 10m 1+1mm AlSi5/COX CMT 130.3 AW5182 DDS G40 10m 1+1mm CMT 134.5 AW5182 CS G90 20m 1+1.5mm AlSi5/COX CMT 175.13
10、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Al Mg 5 Mn，焊接速度据不同的厚度
11、，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AlSi 5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AlSi 5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。 填充焊丝填充焊丝填充焊丝填充焊丝 Rm Mpa无腐蚀条件无腐蚀条件无腐蚀条件无腐蚀条件 Rm Mpa有腐蚀条件有腐蚀条件有腐蚀条件有腐蚀条件 AlSi5 148 83 COX 165 161 表-2 AlSi5 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，当然它有些特定的前提，如钢需要镀锌，特殊的低能量焊接工艺， 实验数据显示相相当好抗拉强度耐腐蚀性能和抗疲劳强度。 而且还证明了IMP脆性相的值是小于2.5 m，这是防止钢与铝接头脆性断裂的关键
