摘要：鋁鋼異種金屬連接可實現汽車零部件的輕量化，但鋁鋼焊接產生的金屬間化合物裂紋等嚴重地影響接頭性能。本文介紹了鋁鋼激光焊的主要焊接方法，闡述了近年來國內外的研究現狀。
鍍鋅鋼
鍍鋅鋼是在鋼基體上鍍上厚度不同的鋅層，鍍鋅分為電鍍和熱鍍，鍍鋅層不僅有物理屏蔽作用，且對鋼基體有電化學保護作用。由于鍍鋅鋼具有良好的耐腐蝕性能，被廣泛用于交通、電力、建筑、供熱設施以及儀器儀表和家具等行業。特別是在汽車行業，普通鍍鋅鋼、高強度鍍鋅鋼、超高強度鍍鋅鋼在汽車上的應用提高了車身等部件的抗腐蝕性能和服役壽命。
但是，由于鋅層的存在，使得鍍鋅鋼板的熔化焊接非常困難，這是因為鋅的熔點為420℃，沸點為908℃， 基體鋼的熔點為1300℃， 沸點為2861℃，在熔化焊過程中鋅會嚴重蒸發和氧化，會形成氣孔、未熔合及裂紋等缺陷。鋁及鋁合金質量輕（鋁的密度為2.7g/cm3），比強度高，良好的導電、導熱及耐腐蝕性， 并且在低溫下能保持良好力學性能。
當今，能源、安全、環保已成為時代的主題，隨著環境污染，能源危機的逐步加劇，實現車輛輕量化已成為世界各國關注的焦點。因此，國內外對鋁/ 鎂、鋁/ 鈦、鈦/ 鋁及鋁/ 鋼復合結構進行了大量研究。鋁/ 鋼復合結構充分利用了各自材料的優勢，減輕重量，減少污染[3]，廣泛用于汽車、航空、船舶等行業。鋁鋼連接在汽車車門板中的應用如圖1 所示。
但是， 由于鋁和鋼的熱物理性能存在巨大差異，使得其連接非常困難。鐵的熔點為1538℃，鋁的熔點為660℃，鐵的密度為7870 kg/m3，鋁的密度為2700 kg/m3，在對鋁/ 鋼熔化焊時，在鋼完全熔化時，鋁會漂浮在鋼之上，難以形成焊縫。而且鋁的線膨脹系數幾乎是鐵的兩倍， 焊接時會產生很大的熱應力，易產生裂紋。
由Fe-Al 二元相圖，鐵和鋁既能形成固溶體、金屬間化合物，也能形成共晶體。鐵在鋁中的固溶極限很小，在225～600℃，Fe 在Al 中的固溶度為0.01%～0.022%；共晶溫度652℃時，Fe 在Al 中的溶解度為0.53%。一系列研究表明，Fe 和Al 可以形成Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5、FeAl3等金屬間化合物。這些金屬間化合物在焊縫中會形成脆性組織， 其中根據Fe-Al 熱力學分析知，在焊接熱作用過程中，并不是所有的金屬間化合物都長大， 根據化合物形成的吉布斯自由能進行熱力學計算， 只有Fe2Al5和FeAl3是最后穩定存在的脆性組織，這些脆性組織的存在會降低焊接接頭的力學性能，容易使焊縫產生裂紋。
由于Fe 在鋁中幾乎不固溶，鋁/ 鋼熔化焊很難得到良好的接頭， 為防止鋼和鋁中間產生脆性金屬間化合物， 需要在鋼表面鍍上與鋁和鐵都相容的金屬， 如Ni、Zn、Ag、Cu 等。這樣就能避免或是減少Fe-Al 金屬間化合物的形成或長大。鍍層金屬不同，對鋼/ 鋁界面反應的作用也就不同， 鋼和鋁的焊接性存在差異。除了鍍層會改善鋼/ 鋁的焊接性，填充材料及釬劑的選擇得到也會提高鋼/ 鋁異種金屬的焊接性，擴大鋼/ 鋁在各行業的應用范圍。
鋁/鋼激光焊接國內外研究現狀
1.1
激光深熔焊
激光深熔焊的主要特征是深熔小孔。高功率密度的激光輻照金屬表面，表面金屬達到沸點，迅速熔化和氣化蒸發。金屬蒸發產生的氣壓使表面產生凹陷，形成小孔。產生的小孔增加了激光的能量吸收，產生的熱量是小孔周圍的金屬熔化， 小孔外液體流動和小孔內壁表面張力以及小孔內腔中連續產生的蒸汽壓力達到動態平衡。光束不斷進入小孔，小孔外的材料不斷熔化流動，隨光束的移動，小孔總是處于動態穩定。小孔和周圍孔壁的熔融金屬隨光束移動，熔化的金屬不斷填充小孔，最后熔融金屬冷卻，形成焊縫。激光深熔焊在連接鋁鋼時，大多采用鋼上鋁下的接頭形式， 激光作用在鋼表面， 鋼板和鋁板均熔化，形成焊接小孔的一種焊接方法。
GSierra 等研究鋼在上鋁在下搭接形式的激光深熔焊時， 研究結果顯示控制焊縫熔深500 μm以下，可以減少Fe-Al 金屬間化合物生成，進而減小了焊縫的脆性。將焊縫熔深控制在500μm 以下，接頭強度可達250MPa。實驗發現少量金屬間化合物及由富鋁化合物形成的白色熔質帶出現在焊縫中。熔深為500μm 以下時， 接頭失效位置在焊縫和鋁合金交界處，隨著熔深的增加，接頭失效位置發生變化，同時接頭強度顯著減小。Kouadri-David 等研究了鍍鋅鋼和鋁合金激光深熔焊和激光熱導焊組織和性能。通過控制焊縫熔深600μm 內激光深熔焊接頭強度達140MPa。指出沿鋼厚度方向的熔深對接頭強度具有重要影響。同樣，Katsyama 等研究表明鋼在鋁中的熔深是影響接接頭性能的關鍵因素。Torkamany 等研究了低碳鋼/5754 鋁合金Nd:YAG脈沖激光焊。實驗采用激光深熔焊重疊結構。研究了激光功率、脈沖寬度、搭接因子對金屬化合物形成的影響。結果表明，隨激光峰值功率（脈沖能量一定）、脈沖寬度（峰值功率一定）、搭接因子（脈沖能量和峰值功率一定）的增加，金屬間化合物生成量增加。JinYang 等研究了純鋁/ 不銹鋼激光深熔焊方法下熔深與焊縫成形之間的關系。研究結果顯示在大熔深（354μm）條件下，在鋁/ 熔合區界面形成了含有微裂紋的富鋁的Fe-Al 金屬間化合物， 接頭強度為（27.2±1.7）MPa，斷裂出現三種形式：剪切脆性斷裂、解理脆性斷裂和混合型斷裂。當小熔深（108μm）時，在Al/Fe 熔合區界面為無裂紋的金屬間化合物，接頭強度為（46.2±1.9）MPa，斷裂形式只有一種為沿焊縫解理脆性斷裂。
激光深熔焊的優點是激光能量利用率高， 焊接效率高。其中小孔對焊縫熔深和熔寬具有重要影響，熔深小孔是激光深熔焊過程中的關鍵因素。但是，在焊接過程中產生的等離子體和深熔小孔使焊接過程不穩定，很難控制。而且，激光深熔焊過程中，氣體易進入小孔，凝固是易產生氣孔，由于金屬蒸汽產生的蒸汽壓，在凝固時金屬的收縮易產生表面凹陷，焊縫不美觀。
1.2
激光熱傳導焊
當激光照射到材料表面時，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，將光能轉化為熱能而加以熔化，材料表面的熱以熱傳導的方式繼續向材料深處傳遞， 最后將兩焊件熔接在一起。激光熱導焊是激光焊接中一種重要的焊接模式, 廣泛應用于薄件的焊接中。
在激光熱導焊中， 熱傳導在熱的傳播過程中占主導地位， 輻射和對流因在熱傳播過程中只占很小的份額可以忽略不計。另外， 激光熱導焊的熔池很小， 因此可以忽略熔池中相變潛熱的釋放以及熱物理參數隨溫度和狀態的變化對焊接熱過程的影響。
Meco 等采用激光熱傳導焊模式連接2mm 厚鋼板和6mm 厚鋁板，鋼在上鋁在下的搭接形式。激光輻照鋼板表面， 傳導的熱量達到鋁合金的熔點使其熔化。結果得到的金屬間化合物厚度在4～20μm。其中間的Fe2Al5的最大顯微硬度為1145HV。
1.3
激光-電弧復合焊
激光電弧復合焊技術（實驗原理圖如圖2 所示)是20 世紀70 年代發展的新型、高效焊接方法。激光高能量密度可得到更深的熔深， 但是對間隙的橋接性差，對裝配精度要求高。電弧的加熱范圍寬可得到更寬的焊縫， 但是電弧對間隙的橋接性好。而激光-電弧復合焊技術則利用兩者的各自特點可得到焊縫頂部寬、熔深大的焊縫。激光產生的等離子體可穩定電弧， 則復合焊增加了焊接適應性和焊接效率。
HonggangDonga 等發明了一種大光斑激光與電弧復合熱源連接異種金屬的方法。該專利針對小光斑的激光-電弧復合熱源焊接不能應用于鋼與鋁、鋼與銅等異種金屬的連接。此方法中激光對電弧有明顯的穩定作用， 電弧的作用是熔化填充金屬和低熔點母材， 利用大光斑激光可以實現熱輸入的精確控制。利用該方法得到的5A02 鋁合金和鍍鋅鋼連接接頭的拉伸性能測試表明， 試樣的破壞位置發生在鋁合金母材一側的焊接熱影響區， 而不是釬焊連接區。接頭強度可達153.1MPa。Qin 等采用激光-MIG 復合焊接鍍鋅鋼/ 鋁合金， 使用AlSi5焊絲。實驗結果顯示釬焊界面產生2～4μm 的金屬間化合物層，相組成為FeAl2、Fe2Al5、Fe4Al13。接頭的抗拉強度最大達247.3MPa。WangShujun 等[14]同樣采用激光-MIG 復合焊技術， 實驗采用AlSi5、AlSi12、AlMg5三種不同的釬料以研究Si、Mg 加入后金屬間化合物對及焊縫組織和成型的影響。結果表明，增加Si 含量可以細化熔化區晶粒，增加熔化區的顯微硬度。并且熔化區Al-Si 釬料的顯微硬度比Al-Mg 釬料的顯微硬度大。對于AlSi12、AlSi5、AlMg5釬料分別得到的金屬間化合物層平均厚度為0.90、1.49、2.64μm，文中得出Si 可以抑制Fe 的擴散，從而減少金屬間化合物的生成。對中間層進行XRD 分析表明，AlSi5和AlSi12所對應的金屬間化合物層的相組成為Fe2Al5、Fe4Al13、Al0.5Fe3Si0.5。而AlMg5對應的相組成為FeAl2、Fe2Al5、Fe4Al13。AlMg5、AlSi5、AlSi12釬料對應的接頭強度依次為178.9、172.43、144MPa，得出結論為Si 含量的增加對接頭強度不利，而Mg 的加入對接頭強度有利。文中并沒有說明Si、Mg 是如何影響接頭強度的。Thomy 等研究激光-電弧復合焊過程中激光和等離子弧的相互作用， 開發了同軸激光-電弧復合焊頭。
1.4
激光熔釬焊
釬焊是采用熔點比母材低的釬料， 通過加熱到比釬料熔點高，比母材熔點低的溫度，釬料熔化，而母材不熔化，利用液態釬料潤濕母材，在釬縫間隙毛細作用下，液態釬料自動填充到母材間隙中去，與母材相互擴散形成連接。熔釬焊兼具釬焊和熔化焊的特點， 適于兩種物理性能差異大的異種材料之間的連接。鋼和鋁的熔釬焊是指鋼不熔化， 鋁和釬料熔化，在鋼/ 釬料側是釬焊連接，在釬料/ 鋁側是熔化焊。鋼和鋁的熔釬焊實質熔化的鋁和釬料與固態鋼通過界面反應結合在一起。該方法可選擇添加或不添加釬料進行焊接。
Peyre 等研究了在不使用釬料的情況下，采用激光熔釬焊的方法實現鍍鋅鋼和鋁合金的連接。結果顯示， 沿著鋼鋁界面形成了2～20μm 厚的界面層， 發現該層主要為Fe2Al5相， 其硬度高達1200HV，使接頭產生裂紋，顯著降低接頭的力學性能。盡管鋅蒸發產生氣孔，但是10μm 的鍍鋅層有利于鋁在鋼上的潤濕鋪展。拉伸測試表明， 在鍍鋅鋼表面涂上釬劑， 可以抑制鋅的蒸發。而對于非鍍鋅鋼則顯示了較低的機械抗力。
有學者在激光熔釬焊過程中使用釬料， 以改變接頭的化學成分， 進而控制Fe-Al 金屬間化合物的生成，提高接頭性能。Sierra 等在鋁/ 鋼激光熔釬焊連接中采用4047（Al-12Si）釬料，得到了無明顯宏觀缺陷的連續接頭， 在鋼/ 焊縫界面產生薄的Fe-Al-Si 金屬間化合物層。文中使用Al-12Si 釬料來研究Si 元素對Fe-Al 金屬間化合物生長的作用。文中提出釬料中Si 可以降低鋁的熔化溫度，影響熔融鋁的粘度和表面張力， 進而影響焊縫潤濕角及焊縫寬度。也有學者在釬料中添加Mg、Cu 等元素研究釬料合金化后對焊縫組織和性能的影響。Dharmendra等采用連續脈沖Nd:YAG 激光器對DP600 鍍鋅鋼和AA6016 鋁合金搭接接頭進行熔釬焊試驗。試驗過程采用含85%Zn 和15%Al 的Zn-Al 焊絲，試驗采用不同的激光功率、焊接速度、送絲速度。研究發現， 試驗得到的反應層厚度在3～23μm。在60～110J/mm 的熱輸入下，接頭抗拉強度達220MPa，斷裂位置遠離焊縫靠近鋁合金側。在焊接速度0.5、0.8m/min 時， 對應的金屬間化合物厚度分別為8、12μm。拉伸測試結果顯示， 在金屬間化合物厚度為8～12μm 時，機械阻力最大，在小于8μm 時，機械阻力隨金屬間化合層的增加而增大；大于12 μm時， 機械阻力隨之減小。文中解釋是化合物層較薄時， 裂紋沿脆性金屬間化合物層萌生， 斷裂強度極低，化合物層較厚時，由于該層相對于其它區域脆性很大，機械抗力極低。Laukant 等采用ZnAl2釬料進行鋁/ 鋼激光熔釬焊試驗，結果產生了大約5μm的FeAl 金屬間化合物層， 接頭剪切力達9 kN。Rajashekhara Shabadi 等同樣采用Zn-Al 釬料，對AA6016 和低碳鍍鋅鋼進行激光熔釬焊試驗。試驗所采用的釬料為ZnAl30， 試驗結果形成的金屬間化合物主要為Fe2Al5Znx， 可能含有ZnFeAl3，厚度在10μm 左右。最近有學者對鍍鋁層高強鋼和鋁合金進行了激光熔釬焊試驗。例如，Windmann 等采用AlSi3Mn 釬料的激光熔釬焊試驗。研究發現在AlSi3Mn/Mn22B5界面形成Al8Fe2Si 相。在Mn22B5/AlSi3Mn 界面形成的金屬間化合物厚度為2～7μm，接頭剪切強度為21～74MPa。如果對鋼表面焊前進行預熱，則接頭強度達210～230MPa。從最近的研究來看，不管是Al-Si 釬料還是Zn-Al 釬料，都不可避免地產生金屬間化合物， 而對于Fe-Al-Si 金屬間化合物的生長順序及Zn-Al 釬料反應相的鑒定還有待解決。激光熔纖焊連接鋼/ 鋁技術本身是一種極具前景的工藝。
結語
激光-電弧復合焊因其高的焊接效率主要用于較厚板的焊接， 激光熔釬焊在汽車輕量化方面極具應用前景。通過激光熔釬焊工藝連接薄板鋁/ 鋼異種金屬，采用Al-Si、Zn-Al 釬料。然而，汽車用鍍鋅鋼/ 鋁合金激光焊仍存在很多需要解決的問題。例如，由于被焊材料對激光能量的吸收率較低，激光焊產生的等離子對焊接過程的穩定性有影響；鋁鋼連接過程中產生鐵鋁金屬間化合物脆性接頭；熔化的釬料對鋁合金母材的冶金相容性及對母材鋼的潤濕性問題；氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等焊接缺陷的控制和預防等。
來源：激光焊接自動化
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