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。
0 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。
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(β)，Fe3Al(β)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(ξ), Fe2Al5(η) 和FeAl3(θ)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△E~1.22 V)，扩散的趋势就越大，如果两种材料都是处于液态，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 µm )，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：
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接头处的IMP相< 10 µm
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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Cold 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。
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接头(见图-4)。基础实验是在1mm钢与铝的搭接接头上完成的。
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2.41µm。
在所有的实验中IMP相的厚度都是低于10 µm，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
备注：COX是特殊的AlSi5材料
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，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。
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 µm，这是防止钢与铝接头脆性断裂的关键。
参考文献：
1.J.Bruckner “Arc joining of Ateel with Aluminium”
2.珠海科盈公司 “超薄板MIG-MAG的焊接技术”
