铝合金_钢异种金属激光熔钎焊技术研究进展_董显.pdf

Electric Welding MachineVol.53 No.4Apr.2023第 53 卷 第 4 期2023 年4 月铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术研究进展董显，董博文，程亚芳，郭艳红，李永郑州机械研究所有限公司 新型钎焊材料与技术国家重点实验室，河南 郑州 450001摘要：铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术具有能量密度高、升温和冷却速度快、熔化位置控制精确、焊后变形小、自动化程度高等优势，特别适用于汽车制造行业。从铝合金与钢界面润湿铺展、界面微观调控、熔钎焊接头性能评价三个方面对国内外铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术的研究成果进行了综述，重点介绍了金属镀层、钎剂、母材热场对铝合金与钢激光熔钎焊过程中的界面润湿铺展的影响，归纳了界面热场、辅助能场、坡口面角度、合金元素对铝合金与钢激光熔钎焊过程中的界面微观调控作用，总结了铝合金与钢激光熔钎焊接头性能的评价方法。并指出优质、高效、高可靠的铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术仍需要解决以下四方面的问题：钢母材表面钎料润湿铺展的精准可控；铝合金/钢激光熔钎焊界面反应的精确可调；铝合金/钢激光熔钎焊接头的高强韧设计；铝合金/钢熔钎焊接头性能的可靠性评价。关键词：铝/钢异种金属连接；激光熔钎焊；镀层；润湿；界面；接头性能中图分类号：TG454 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）04-0025-09Research Progress of Laser Brazing Technology for Dissimilar Metals of Aluminum Alloy and SteelDONG Xian,DONG Bowen,CHENG Yafang,GUO Yanhong,LI YongState Key Laboratory of Advanced Brazing Filler Metals and Technology,Zhengzhou Research institute of Mechanical Engineering Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,ChinaAbstract:Laser brazing technology for dissimilar metals of aluminum alloy and steel is a technology that uses laser as welding heat source,under the premise of ensuring that the high melting point steel matrix does not melt,the low melting point aluminum alloy matrix is melted and a fusion welding joint is formed with the melted filler metal,and the liquid aluminum alloy matrix and the filler metal are spread on the steel surface that is not melted and form a brazing joint to realize the high-quality and high-strength metallurgical connection between aluminum alloy and steel.This paper reviewed the research results of aluminum alloy/steel dissimilar metal laser brazing technology at home and abroad from three aspects:interface wetting spreading of aluminum alloy and steel interface,micro-control of interface,and performance evaluation of brazing joint.It focuses on introducing the influence of metal coating,brazing agent and parent material thermal field on the interface wetting spreading of aluminum alloy and steel laser brazing process,summarizing the role of interface thermal field,auxiliary energy field,groove surface angle and alloy elements in the micro-control of aluminum alloy and steel laser brazing process,and summarizing the evaluation methods of aluminum alloy and steel laser brazing joint performance.At present,domestic and foreign scholars had done a lot of research work on aluminum alloy/steel laser brazing,and had achieved many creative technical achievements,but high-quality,efficient and reliable aluminum alloy steel dissimilar metal laser brazing technology still needs to solve the following four problems:precise and controllable wetting spreading of steel parent material surface brazing agent;precise and adjustable reaction of aluminum alloy/steel laser brazing interface;high strength and tough 收稿日期：2023-03-22基金项目：国家自然科学基金（U22A20191）作者简介：董显（1982），男，硕士，高级工程师，主要从事新型焊接材料及焊接技术的研究。通信作者：董博文（1990），男，硕士，工程师，主要从事新型焊接材料及工艺的研究。E-mail：。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.04.032023 年ness design of aluminum alloy/steel laser brazing joint;and reliability evaluation of aluminum alloy/steel brazing joint performance.Keywords:dissimilar metals of aluminum alloy/steel;laser brazing technology;coating;wetting;interface;joint performance引用格式：董显，董博文，程亚芳，等.铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术研究进展 J.电焊机，2023，53（4）：25-33.Citation:DONG Xian,DONG Bowen,CHENG Yafang,et al.Research Progress of Laser Brazing Technology for Dissimilar Metals of Aluminum Alloy and SteelJ.Electric Welding Machine,2023,53(4):25-33.0 前言钢铁材料和铝合金材料具有强度高、成形性能优异等特点，是目前工业应用最为广泛的两种金属材料1。但无论是钢铁材料还是铝合金材料，单一金属材料在物理、化学和力学性能等方面总是存在一定的局限性2-4。而铝钢异种金属连接可以发挥各自的优良性能，满足交通工具行业轻量化、高性能化和低成本化发展趋势要求。但铝与钢两种金属之间的固溶度较低，晶体结构、热物理及力学性能差异大5，熔化焊过程中极易在接头内生成大量硬脆的Fe-Al金属间化合物6，严重恶化接头的力学性能。为了抑制焊接过程中Fe-Al金属间化合物的生成，学者们开发了焊接温度较低的钎焊工艺，但大量应用研究表明，尽管钎焊方法能够得到优质的铝合金与镀锌钢焊接接头，但容易受焊件结构形状尺寸的限制，并且传统钎焊存在效率低、柔性差、能源浪费严重的问题，因而在大批量实际生产应用中受到一定限制7。为了充分发挥熔化焊和钎焊各自优势，国内外学者开发出了铝合金与钢熔钎焊技术，其是基于二者熔点的差异，通过精确控制焊接热输入，在确保高熔点钢母材不熔化的前提下，使低熔点铝合金母材熔化并与熔化的填充金属形成熔焊接头，液态铝合金母材与填充金属在未熔化的钢表面铺展并与之形成钎焊接头，实现铝合金与钢的优质高强冶金连接。常用的熔钎焊热源有电弧、激光及电子束等，激光热源具有加热能量密度高、热影响区小、加热和冷却速率快、自动化程度高等特点8-11，相较而言更易控制Fe-Al金属间化合物的生成，是铝/钢异种金属熔钎焊的理想热源。近年来，国内外研究人员基于激光热源进行铝合金与钢熔钎焊接工艺的开发，取得了很好的研究成果，概括如下12：（1）铝合金与钢激光熔钎焊过程中的界面润湿铺展，主要集中于研究金属镀层、钎剂及母材热场调控对界面润湿铺展的影响；（2）铝合金与钢激光熔钎焊过程中的界面微观调控，主要通过界面热场、辅助能场、坡口面角度和多组元合金元素进行调控；（3）铝合金与钢激光熔钎焊接头性能评价，主要集中在结合强度、变形能力以及耐腐蚀性能等方面。本文从以上三个方面对国内外铝合金与钢熔钎焊技术的研究进展进行了归纳分析，并对以后的研究方向进行了展望，以期为铝合金与钢熔钎焊相关领域的技术研究和应用发展提供有参考意义的理论依据。1 铝合金/钢激光熔钎焊过程中的界面润湿铺展1.1 金属镀层金属镀层是钎焊技术中常用的表面处理方法，其对钎焊过程中钎料的润湿性能有重要影响。黄健康等13采用激光熔钎焊方法进行5A06铝合金与镀铝钢、镀铝锌钢、镀锌钢、镀镍钢的激光熔钎焊焊接，其中5A06铝合金在镀铝钢上的铺展效果最佳，铝合金与镀铝锌钢熔钎焊的接头抗拉性能最好，达到母材铝合金的70%。Gatzen M等14研究了镀锌钢中锌层的存在对钎料润湿的作用，如图1所示，有镀锌层钢板与无镀锌层钢板的润湿效果存在显著差异，镀锌层处的润湿角为14，无镀锌层的润湿角为37。分析认为镀锌钢表面的镀锌层可大大提高激光吸收率，并且锌蒸发后存在于母材及钎料中，界面的传质促进了钎料在钢表面的润湿铺展。Peyre P等15发现虽然Zn镀层对于钎料润湿铺展有一定的促进作用，但激光的不均匀加热和冷却过程使Zn来不及完全蒸发从而导致应力集中现象，钎缝26第 4 期董显，等：铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术研究进展处孔洞和裂纹也不断出现。1.2 钎剂辅助钎剂在钎焊过程中可以降低界面张力，提高钎料的润湿能力。林尚扬等16发明了一种用于大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属的钎剂，以KAlF4、CsAlF4为主要载体，以活性金属Zn、Sn为主要添加金属，适当加入Sb以提高焊缝金属的强度，适当加入稀有金属 La 改善连接的工艺性，加入K2SiF6改善焊缝金属的铺展性，钎剂配合复合热源能解决普通非镀层（锌、锡等）碳钢或普通非镀层（锌、锡等）低合金钢与有色金属的优质、高效连接。