《采用cmt焊接铝合金与钢板的工艺研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《采用cmt焊接铝合金与钢板的工艺研究.doc（42页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、江苏科技大学本 科 毕 业 设 计（论文） 学 院 材料科学与工程 专 业 焊接技术与工程 学生姓名 假文华 班级学号 1040604314 指导教师 吴铭方 二零一四年五月江苏科技大学本科毕业论文采用CMT焊接铝合金与钢板的工艺研究Study on CMT Welding Technology between aluminum alloy and steel 江苏科技大学本科毕业设计（论文）摘 要本文以5083 铝合金和EH36 船用钢板为研究对象, 以1.2mm的AlSi5实芯焊丝为填充金属, 采用 CMT 进行了铝和钢异种金属焊接的工艺性试验, 使用金相显微镜、超景深、SEM 、EDS能
2、谱分析和拉伸等方式对焊接接头的组织和性能进行了研究。经过大量实验, 得到AlSi5实芯焊丝焊接铝合金和K型坡口钢的最佳工艺参数为：坡口处不留间隙, 焊枪位置偏向铝合金1mm, 焊接速度 400mm/min, 正面送丝速度为5.0m/min, 焊接电流 85A, 电压 12.6V, 反面送丝速度为5.2m/min, 焊接电流 92A, 焊接电压为12.7V, 协同脉冲参数 F=OFF。 焊接铝合金和V型坡口钢的最佳工艺参数为：母材坡口之间留1mm间隙, 焊枪位置对准铝合金坡口下边, 焊接速度 400mm/min, 送丝速度为6.0m/min, 焊接电流为127 A、焊接电压为15.3V,脉冲参数
3、 F=OFF。焊接铝合金和钢搭接接头形式的最佳工艺参数为：焊枪位置对中, 焊接速度 400mm/min, 送丝速度为4.2m/min, 焊接电流为 93A, 焊接电压为16.7V,脉冲参数 F=1.7Hz。对K型坡口, V型坡口和搭接接头的拉伸试样进行拉伸, 得到三种焊接形式的最大抗拉强度分别为 79.14MPa, 27.48MPa, 41.36MPa。对接头断口进行分析, 接头均断裂在铝合金和钢板的钎焊界面处。其中V型坡口和搭接接头的抗拉强度偏低, 不能满足使用, 工艺参数需要进一步地改进。 本实验还就钎剂对焊接的焊缝成形的影响做了研究, 通过研究发现, 如果钢板没有涂钎剂, 焊缝的余高很高
4、, 焊缝宽度很小, 也就是说润湿铺展很差, 而涂有钎剂的钢板则会熔化的铝能够在钢板很好的铺展, 余高和焊缝宽度都能满足使用要求。关键词：CMT；EH36 钢板；钎剂；熔-钎焊；异种金属焊接I第1章 Abstract In this paper,5083 aluminum and EH36 ship ere used for the base materials with the AlSi5 1.2mm solid wire as filler metal, using CMT were dissimilar metal weld aluminum and steel technology te
5、st, using optical microscopy, ultra-depth, SEM, EDS spectrum analysis and other methods of organization and tensile properties of welded joints were studied.After a lot of experiments, get the best process parameters AlSi5 solid wire welding aluminum and steel K-groove is: do not leave gaps tend alu
6、minum torch position 1mm, welding speed 400mm/min, positive wire feed speed is 5.0m / min, the welding current of 85A, voltage of 12.6V, the reverse wire feed speed 5.2m/min, the welding current is 92A, the welding voltage is 12.7V, synergistic pulse parameters F = OFF. The optimal parameters of wel
7、ding aluminum and V-groove steel is: stay between the base metal bevel 1mm gap, aluminum torch alignment groove bottom, welding speed 400mm/min, wire feed speed 6.0m/min, welding current 127 A, voltage of 15.3V, the pulse parameters synergistic F = OFF. The optimal parameters of welding aluminum and
8、 steel lap joints in the form of: the location of the torch, the welding speed 400mm/min, wire feed speed 4.2m/min, welding current 93A, voltage of 16.7V, collaborative pulse parameters F = 1.7 Hz.Of K-groove, V-groove joints and lap tensile specimen is stretched to give the maximum tensile strength
9、 of the three forms of welding, respectively 79.14MPa, 27.48MPa, 41.36MPa. Analyze the joint fracture, fracture in the solder joints are the interface between aluminum and steel. V-groove in which the tensile strength of lap joints and low, can not meet, process parameters need to be further improve
10、d. The experiment also on the impact flux on welding weld done a study, through the study found, if there is no painted steel flux, weld reinforcement is high, weld width is small, that is very wet spreading poor, and coated with a flux of molten aluminum plate will be able to spread good steel, wel
11、d width than height and can meet the requirements.Keywords: CMT; EH36 steel; flux; intermetallic compounds; melting - brazing; dissimilar metal welding目 录第一章 绪论11.1 研究目的及意义11.2 钢和铝及铝合金焊接技术特点与难点分析11.3 铝和钢异种金属焊接工艺研究现状31.3.1 压焊31.3.2 钎焊61.3.3 熔化焊71.3.4 熔-钎焊7第二章 试验方法与设备132.1试验材料132.2试验设备132.3实验方法142.3.1
12、 焊前试样的表面处理14 2.3.2 焊接过程14 2.4 实验结果分析152.4.1 焊缝微观组织分析152.4.2 接头力学性能测试15第三章 铝合金和预涂层钢板CMT电弧熔-焊接工艺试验研究163.1 预涂层 CMT 熔-钎焊方法的提出163.2 Nocolok 预涂层的选择163.3 工艺参数对接头形貌的影响173.3.1 基本工艺参数的选择与确定173.3.2 焊枪对准的位置对焊接接头成形的影响183.3.3 送丝速度对焊接接头成形的影响203.3.4 脉冲参数对焊缝成形的影响253.4 焊接接头组织特性263.4.1 焊接接头的宏观形貌263.4.2 焊接接头的显微组织273.4.
13、3 显微组织的成分分析283.5 焊接接头的缺陷分析293.6 焊接接头的力学性能303.6.1 拉伸试验30 3.6.2 断口分析31结 论32致 谢33参考文献34 IV 绪论1.1 研究目的及意义 铝在地壳中的含量排第三, 在金属元素中含量排第一。铝和铝合金具备良好的导热性, 塑性和抗腐蚀性, 在经济建设中得到很好的应用, 其应用的范围只少于钢铁。铝和铝合是节能、环保的绿色材料, 用来代替钢结构必然会取得良好的效果。比如, 铝合金与钢混合结构建造船只,会使船减重达多达40%。另外, 钢铝结构不仅可以减重, 而且可以避免钢板生锈引起的损伤的缺点,是很好的船体材料。钢+铝这样的结构较多用于汽
14、车的行业, 国外在这方面已经进行了很深入的研究, 也出了不少成功的产品, 随着在汽车行业的成功, 也使这技术得到很好的发展, 因此使在航天, 船厂, 国防等各个行业也在钢铝连接上进行研究并得以应用。 近年来, 国家对汽车工业的发展提出了轻量化的发展思路, 在保证汽车安全性的条件下, 采用铝合金和钢一体化混合结构, 可以使汽车总重量, 进而减少排放、降低环境污染和节约能源1-4。特别是铝合金制作的薄板新型汽车目前发展迅速, 但是对于4mm的铝合金国内研究很少, 本实验采用CMT焊接技术焊接4mm铝合金和4mm钢板的工艺性研究。钢铝是两种不同的材料, 这往往在物理性能上会产生很大的差异, 而这差异
15、也是焊接技术中的难题, 需要我们进行研究, 使用普通的熔化焊焊接技术5,6, 会因为这差异而很容易生成脆性的化合物, 这就会使焊接接头的性能下降等各种不利于焊接良好接头的影响, 毫无疑问, 彼此物理性能差异导致的问题已成为焊接领域的研究难点和热点。如果采用其他的焊接方法进行焊接, 虽然可以获得使用性能好的接头, 但是在钢铝连接都会存在各方面的问题, 其中一个都会面临的问题就是, 焊件形状必须要达到要求, 不是随意大小和形态的焊接都可以用来焊接, 焊接效率也大大降低, 实际生产中效率肯定是要重点考虑因素, 因此应用得到了限制7。1.2 钢和铝及铝合金焊接技术特点与难点分析 结合铁铝二元合金相图8
16、, 可以看出, 铁和铝存在较大的物理性能差异, 比如熔点方面铁是1538, 铝是 660, 并且铁在铝上几乎是不固溶的, 因此容易产生脆性的金属间化合物, 如FeAl 、FeAl3 、Fe2Al5等。综合来看, 钢与铝的焊接主要具有以下特点9,10：（1）铁与铝可以形成固溶体和金属间化合物, 也可以形成共晶体。（2）铁在固态铝中的溶解度极小, 共晶温度处于225600时, 铁在铝中的溶解度仅为0.01%0.022%, 共晶温度 处于655时, 溶解度为0.53%, 共晶温度在室温时, 溶解度为0.002%,几乎不溶于铝中。（3）在焊缝中会含有微量铝和铁, 当冷却时会结晶出金属间化合物 FeAl
17、3。当含铁量 达到1.8%时, 在 655能形成 Al+FeAl3的共晶体。（4）随着含钢量的增加, 相继会出Fe2A17、Fe2A15、FeAl2、FeAl等脆性相, 其中Fe2A15在一定温度下能够熔化, 不熔化的脆性相给焊接带来了巨大困难。可以看出, 金属间化合物, 是钢与铝及铝合金焊接的主要障碍。图 1-1铁铝二元合金相图由于EH36钢与5083铝合金的物理性能存在巨大的差异, 加上两者固溶度较低, 因而钢和铝及铝合金异种材料的焊接性较差, 所以钢和铝在焊接时存在以下几个问题11,12：（1）焊缝成分不均匀。这是熔点不同导致的问题。钢的熔点比铝的熔点高（钢是1538, 铝是 660）,
18、 在焊接时, 铝已经完全熔化为液态,钢可能还是固态, 当钢熔化后, 又因两者密度的整体差别很大。因此会出现这样的情况, 钢铝都熔化后, 熔化的铝水就会浮在钢水上。当熔化的钢铝冷却结晶后, 使得焊缝的成分不够均匀, 进而使得接头性能变低。（2）出现夹渣现象。夹渣现象是在焊接铝及铝合金的过程中都会出现的问题。在钢和铝焊接时, 难溶的Al2O3氧化膜会在铝母材的上方形成,有时也会在熔池表面形成。并且这种氧化膜随着熔池温度的升高, 厚度也不断增加。Al2O3氧化膜会使液态金属的相互分离, 影响焊缝的熔合, 最终使焊缝产生夹渣, 使焊缝力学性能降低。（3）焊接接头变形严重。由于钢和铝及其合金的线膨胀系数
19、、密度和热导率相差比较大, 会产生较大的残余应力, 使焊接接头发生严重变形, 很容易产生裂纹, 更严重的情况会导致裂纹产生。这种缺陷, 尤其薄板更严重。（4）焊接接头易产生裂纹。出现裂纹主要有两方面原因：一是在焊接过程中, 产生的各种金属间化合物增加了焊缝的脆性, 使焊缝的韧性和塑性降低了, 在拘束条件下易产生较大的焊接应力, 增大了焊接接头产生裂纹倾向。 1.3 铝和钢异种金属焊接工艺研究现状近年来, 钢/铝异种金属的连接技术得到了深入地研究, 几乎焊接领域的各种方法都被用来研究钢和铝异种金属的连接, 在焊接过程中, 根据金属材料是否熔化,可将焊接分为压焊、钎悍和熔焊。其中压焊包括扩散焊、摩
20、擦焊、爆炸焊；而熔焊包括电弧熔钎焊, 激光熔钎焊, 激光电弧复合熔钎焊。1.3.1 压焊（1）冷压焊对铝和钢异种金属冷压焊的研究, 开始于20世纪50年代, 德国的Hofmann13等人通过实验发现可以通过接触面变形去除母材表面的氧化层, 从而使两种金属的新鲜表面结合在一起, 塑性变形发生在再结晶温度以下, 界面脆性金属的生成倾向降低了, 增加了接触面积, 进而提高接头的抗拉强度。但是该焊接方法存在缺陷, 比如：生产效率较低, 焊接质量不易控制等。近年来, 随着焊接技术的发展, 在钢铝异种金属焊接上, 很多焊接方法得到突破, 如摩擦焊、搅拌摩擦焊、爆炸焊、扩散焊等焊接方法。（2）摩擦焊摩擦焊具
21、有节能、高效、精密等特点而使这种焊接技术是一种比较理想的连接技术。在铝、钢异种材料连接方面有着很大的优势, 其优势在于：两者的熔点差异对其工艺参数的制定没有影响, 并且对铝和钢母材类型没什么要求。摩擦焊在用于连接纯铝与碳钢或者不锈钢、铝合金与碳钢或者不锈钢等异种金属接头, 都能获得良好的焊接接头, 在各行业得到广泛的应用。14-17。日本的Yokoyama18等人对SUS304不锈钢和6061铝合金异种金属使用摩擦焊进行对接接头连接。在加载速率和接头抗拉强度的相互影响上, 作者进行仔细地研究。试验结果表明, 加载速率的增加会使接头抗拉强度增加。同时结合区相组成与接头界面铁铝金属间化合物层的厚度
22、有关, 在2m时, 结合区成分多为Fe2Al5相。E. Taban19等人进行了AISI 1018钢和6061-T6铝合金的摩擦焊试验, 在顶锻压力对接头组织和性能的影响上进行研究。实验结果表明:铝侧的塑性变形会随着适当增加顶锻压力而增加,进而提高了接头的强度,在最理想的顶锻压力下,即塑性变形处于最佳状态, 接头抗拉强度可达到250MPa;在接头界面金属间化合物层的厚度大约为250nm时, 其组成成分主要是FeAl和Fe2Al5。S. Fukumoto20等人用5052铝合金和304不锈钢研究了摩擦时间对摩擦焊接头性能的影响, 实验发现：摩擦时间要适中,如果时间过短, 焊缝中心存在未熔合区域现
23、象,降低了接头强度；如果时间过长时,促进了脆性金属间化合物在界面的生长,同样也使接头的强度降低。摩擦时间适中时, 接头强度可接近于5052铝合金母材。 （ 3 )搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊相对其他焊接方法有以下优点：较短焊接时间、较低能量输入、较低焊接温度及较小变形。同时焊接铝材时搅拌摩擦焊是很理想的焊接方法。德国航空航天中心研究所H. Uzun21等人使用摩擦搅拌焊(FsR)对铝合金和不锈钢异种金属进行焊接。如图1-2所示。试验结果发现, 利用搅拌摩擦焊能够成功获得铝和钢过渡接头。通过观察接头横截面宏观组织, 可以分为7个区域。分别为：a.基体不锈钢；b.焊缝增长区的不锈钢热影响区(HAZ)；c.
24、基体不锈钢的热力学一机械影响区(TMAZ)；d.焊点熔核；e.焊缝退却区铝合金的热力学一机械影响区(TMAZ)；f.焊缝退却区铝合金的热影响区(HAZ)；g.基体铝合金。图1-2 搅拌摩擦焊焊接铝/不锈钢的接头横截面在接头中发现, 轻微的铝分散在不锈钢中,而其他元素如铝合金6013中的铬镍和铁的扩散可以忽略不记。在焊核部位的不锈钢粒子和铝合金6013颗粒之间的扩散也不明显, 且接头的疲劳强度比6013-T6铝合金母材低30%左右。T. Watanabe22等人利用搅拌摩擦悍进对铝合金和低碳钢进行对接试验,实验发现：将铝和钢界面可分三部分, 上部发现少量的金属间化合物,但中部和下部没有出现金属间
25、化合物,对接头进行拉伸时,在界面的金属间化合物层上接头发生断裂。接头抗拉强度与搅拌头旋转速度呈抛物线关系。即先曾后减, 最佳旋转速度为250rpm,此时是接头的最佳抗拉强度, 达到铝合金母材的86%。（2）爆炸焊技术爆炸焊在异种金属的焊接技术上是非常广泛的,可以说, 对于一切的异种金属进行焊接连接都可以用爆炸焊接来实现。最初, Zlobin23理论上分析了铝和钢的爆炸焊动力学, 并且证明了爆炸焊的可行性。斯洛伐克科技大学MichalBENAK24对铝和CrNi钢进行爆炸焊接。作者研究并且评估了铝钢接头组织和性能。实验表明：在焊缝交界处出现了非结晶态金属。作者认为爆炸焊接能够提高异种金属的接头使
26、用性能,并且能够提高接头的稳定性。目前, 虽然爆炸焊接技术表现出很多的优点, 如强度更大, 密封性更好。但是, 爆炸焊具有明显缺陷：工艺控制比较困难, 需要严格控制炸药量、爆炸速度及界面间隔等。（3）扩散焊方法扩散焊顾名思义就是通过原子的扩散而实现的焊接技术, 这需要达到原子扩散的条件。比如在一定温度和压力的条件下等各方面的因素。M.J.Rathocpl25等人对低碳钢和5052铝合金进行了扩散焊试验, 并且研究了扩散工艺参数对界面层组织影响, 其中包括时间、温度和压力。发现Al、 Fe原子的扩散速度随加热时间的延长, 温度的升高以及压力的增大而加快,并且界面层主要组成相为Fe2Al5和FeA
27、l3,随着扩散速度加快, 脆性层厚度的不断增加,接头的性能不断恶化。虽然扩散焊所得焊接接头能够满足要求, 但是存在以下不足：焊接条件要求很高, 在真空或者保护气氛条件下, 还有需要长时间保温, 焊接效率明显较低, 不能批量生产。此外, 还有超声波焊、磁脉冲焊等在铝钢焊接中都有应用的压焊。压焊的优点主要是焊接时母材不熔化, 相对容易控制结合面处金属间化合物的生成相, 但由于其对工件尺寸和形状有严格要求, 焊接设备复杂, 焊接结构受限较多、焊接效率较低和焊接成本较高等缺点的制约, 不能够大批量在工业上生产26。 1.3.2 钎焊钎焊是指母材不熔化而中间的钎料熔化,然后液态钎料润湿母材, 并和母材相
28、互扩散进而实现连接,主要包括三个过程：钎料熔化、液态钎料和母材相互作用以及液态针料凝固。钎料在钢表面的很好地铺展是实现铝和钢钎焊首要, 能够通过选择钎料成分来控制界面反应过程。还有, 能够通过控制焊接工艺参数控制金属间化合物层的厚度,从而控制焊接接头的性能。因此, 铝/钢钎焊的关键因素：一是针料的选择；二是控制钎焊工艺参数。王文亭27等人研究了 LF21铝合金与 1Cr18Ni9Ti 不锈钢的钎焊。实验表明, 在钎焊接头产生了大量的 Fe-Al 脆性金属间化合物, 这些脆性相的存在, 严重降低了焊接接头的力学性能, 同时恶化了钎焊接头的使用性能。吴铭方28等人以Cu为中间层研究了6063铝合金
29、和lCrl8Ni9Ti不锈钢的接触反应钎焊。作者主要研究了钎焊时间对钎焊接头微观组织的影响。实验获得的接头显微组织如图1-3,图中的D,E,B,C区分布是：Fe2Al5和FeAl3组成相；Cu-Al金属间化合物层；Al-Cu共晶；A1固溶体。金属间化合物层的厚度随着保温时间的增加而增加,但Al-Cu共晶的宽度随之减少。另外,吴铭方29等人还以Ag为中间层, 研究了LF3铝合金和0Crl8Ni9不锈钢的扩散钎焊,实验表明,A1可以渗过镀银层以及Ag-Al金属间化合物层, 扩散到不锈钢一侧, 并与Fe反应生成Fe-Al金属间化合物。图1-3 570C保温20min钎焊焊缝SEM照虽然钎焊可以获得力
30、学性能良好的铝钢焊接接头, 但保温时间较长, 加热温度较高, , 焊接效率较低, 工件尺寸和形状受限, 不适合大批量生产。 1.3.3 熔化焊（1）激光焊技术日本Soong等人30通过在焊件表面预涂覆一层KAlF4+K3AlF6钎剂, 用ER4047焊丝, 进行了 SUS304不锈钢和 A5052 铝合金之间的激光焊连接。当激光功率为1300W时, 所得接头的抗拉强度可达铝合金母材的80%以上；但激光功率超过1300W 时形成 Al-Fe 金属间化合物层, 且厚度急剧增加。长春工程学院的张志俊30用激光焊接的方法将铝和不锈钢进行焊接, 观察了焊接区域的显微组织, 分析了显微组织的形成机理。结果
31、表明：两种金属都含有对方的元素, 激光焊接得到了更为细小、均匀的组织成分, 具有可焊性。（2）电子束焊接技术电子束焊接在工业上应用广泛, 此方法主要优点：高能量密度和高熔透性、焊接变形小、容易控制。5.D.Kore31等人采用电子束焊对0.25mm不锈钢板和1mm铝合金板进行了研究(55)。实验研究了线圈形状等工艺参数对焊接质量的影响, 并获得了焊接接头的拉伸强度。试验使用方形以及锥形的不同形状的横截面线圈进行焊接,试验结果证明：减少线圈横截面面积, 电流的密度会增加, 进而焊缝的拉伸强度也增加。实验设备如图1-4所示。图1-4 电子束焊接实验设备1.3.4 熔-钎焊在钢铝焊接中, 如果想要获
32、得好的接头就必须要避免脆性的化合物产生, 也就是想办法阻止脆性相在焊接接头的焊缝中产生, 也许我们可以使两个母材之中的一个不发生熔化而使另外一个发生熔化, 也就是避免彼此都熔化而生产负面的化合物, 显而易见, 由熔点的差异可知, 铝熔化发生熔化焊反应, 钢不熔化发生钎焊反应。这种结合形式具有钎焊和熔焊双重特点, 故称为熔-钎焊。接头以搭接接头为主, 也有对接接头形式。（1)TIG熔-钎焊Achar32等人最早开始对铝和钢熔-钎焊进行了研究,对接接头开V型坡口或X型坡口,在坡口上预涂一层Cu,通过填充AlSi焊丝使其焊接在一起。作者主要分析了焊接热输入对涂层的影响,同时还研究了界面层结构,实验获
33、得的接头强度可达127.5MPa。法国G. Sierra等人33采用TIG熔-钎焊方法进行了铝合金和镀锌钢连接, 采用搭接接头形式, 铝合金在上镀锌钢在下, 电弧直接加热钢板, 通过热传导方式同时严格控制热输入, 使铝合金熔化而钢不熔化, 液态铝合金与固态钢通过界面反应结合在一起, 获得具有较高强度的接头。具体的焊接过程如图1-6所示。研究发现,采用该方法得到的界面化合物层, 厚度不超过15m, 但化合物层结构复杂,为Fe-Al-Si和Fe-Al-Si-Zn多相化合物。通过力学性能测试发现,接头断裂于化合物层同时最高抗力达到190N/mm。 图1-5 TIG溶-钎焊及焊缝成形（2)MIG熔-钎
34、焊采用MIG熔一钎焊方法连接纯铝板和普通冷轧碳钢板搭接接头的可行性被日本大阪大学的Murakami等人34所证实。研究者认为在铝/钢界面处生成了三元金属间化合物A17.4Fe2Si, 其化合物层的厚度随着焊接速度的减小而增加。当获得的接头结合良好时中间层化合物的厚度小于2.5m。该接头多断裂于铝母材的热影响区处, 抗拉强度大约为80MPa。冷金属过渡技术CMT (Cold Metal Transfer )是Fronius公司经过多年的研究实验而研发出来的一种焊接技术, 这技术适用于低热输入的焊接技术。CMT 焊接过程的原理示意图如图1-6所示。这种焊接方法可在焊接过程中, 具有以下的优点：较低
35、热输入, 焊接过程稳定, 没有飞溅, 工件变形小, 焊缝均匀一致, 运行成本低, 焊接效率高等。（a)电弧引燃, 熔滴向 （b)熔滴进入熔池, （c)电流短路, 焊丝回抽, （d)焊丝运动方向熔池过渡 电弧熄灭, 电流减少 熔滴脱落 改变, 重复熔滴过渡 图1-6 CMT 技术焊丝运动过程35Fronius公司J. Bruckner等人36 首先采用CMT焊进行了铝与镀锌钢板异种金属焊接试验。实验中获得了力学性能良好和成形很好的搭接接头, 因此作者认为铝和钢异种合金的连接中CMT焊接技术是非常理想的焊接方法。哈尔滨工业大学冯吉才、张洪涛等人37在国内首先采用CMT方法进行了纯铝和镀锌钢板焊接研
36、究, 对铝/镀锌钢CMT焊接性及接头结构特性做了系统研究。同时在此基础上, 冯吉才等38还提出了铝和钢预涂层的CMT焊接方法, 氟化物钎剂和Zn粉的混合物制作的钎剂涂在钢的表面, 实现了铝和无镀层钢的连接。Fronius的Bruckner39选用Al-0.8Mg-0.9Si 、Al-5Mg-Mn、AlMg3和Al-0.4Mg-1.2Si四种不同铝合金母材, 采用CMT焊接技术对铝合金和镀锌钢进行了对比试验研究。接头的强度处在130175MPa范围。实验表明：接头强度的高低与脆性金属间化合物层厚度有关。金属间化合物层的厚度控制在 10m 以下可以获得良好的焊接接头；如果将厚度控制在 2m 以下将
37、可以防止接头发生脆性断裂。此外, 日本的 Furukawa等人40采用CMT 方法以AlSi5为焊丝成功连接了 A5052 铝合金和镀锌钢板, 对金属间化合物的成分和厚度进行了研究。同时, 日本的山本茂昭等人41也对CMT焊接进行了研究, 并通过实验证明了：铝合金和镀锌钢的焊接接头力学性能良好, 如抗拉强度, 耐腐蚀性和疲劳强度都能达到使用要求。虽然CMT焊接技术它工艺方法相比具有过程稳定、热输入低等优势,但多适合于薄板, 对于厚板的研究有待发展。（3)激光熔-钎焊 目前, 激光焊在铝和钢异种合金连接领域是一项比较热门的研究方向, 激光熔-钎焊具有以下特点：极快的加热以及冷却速度, 精确地控制
38、热输入, 准确的控制加热位置, 焊后应力小。德国不莱梅大学的 Schubert 等人42认为铝、钢熔化焊接的难点在于界面生成的金属间化合物。当界面化合物层的厚度控制在10m以下时, 在力学性能上, 所获得接头能够满足使用性要求, 因此可以控制铝、钢之间的扩散等有效的措施, 来抑制界面化合物层厚度的增长。名古屋大学M. J. Rathod等人43在铝/钢异种金属板连接上, 发明了激光滚压焊方法, 此方法是在CO2激光器加热和滚压力两者一起作用下, 实现铝和钢之间的冶金结合。之后, H.Ozaki等人44在铝合金和低碳钢连接上, 采用光纤激光器进行了激光滚压焊研究, 焊接过程如图1-7 所示。研究
39、结果表明：当界面金属间化合物层厚度小于10m时, 焊接接头断裂于钢母材。 图1-7 铝和钢激光滚压焊接过程示意图尽管激光熔-钎焊有着上述优势, 但对工件的装配精度的要求很高, 这主要是因为为了达到激光功率密度而需要减小光斑；如果想要达到所需的功率密度, 但又不能减小光斑, 那么就必须加大激光输出功率。总的来说, 所需要的成本都会大幅度的增加。而实际上, 激光成套系统高额的一次性投入才是最为重要的问题。此外, 由于激光在铝上的折射率比较高, 那么铝合金母材和焊丝能有效使用的能量就很低了。这些缺点就足以让这种焊接技术应用受到限制45。（4)电子束熔-钎焊在铝和钢连接技术研究中, 有学者对电子束熔-
40、钎焊进行了系列的研究, 此方法主要的特点：焊接功率密度大, 焊接速度快, 燥缝深宽比大以及焊接热变形小。在高技术行业, 如航天, 国防具有很大发展前景。哈尔滨工业大学曾如川和张秉刚等人46 为了解决异种金属连接时焊缝表面成形和两侧母材热输入不均的问题, 使用LF2铝合金和Q235钢进行电子束焊接工艺研究。作者认为Fe-Al脆性化合物是上述问题关键, 因此利用铜夹层来控制金属间化合物的产生。但是结果显示：焊接接头最高抗拉强度只有75 MPa, 显然铜夹层没有阻止效果。接头成形如图1-8所示。接着, 作者针对实验的失败进行不断分析, 经过不断的改进电子束工艺方法和工艺参数, 最后获得良好的焊缝成形
41、。试验结果表明：电压为 55KV 时, 所获得的焊缝成形良好, 通过力学性能测试, 接头最高的抗拉强度高达355MPa, 接近母材, 对断口扫面分析, 确定为韧性断裂, 对接头的微观组织进行了分析, 焊缝区组织均匀一致, 没有裂纹或未熔合等缺陷图1-8 铝/钢Cu夹层电子束焊接头（4)激光+MIG电弧复合熔-钎焊 激光+电弧复合热源集合了 MIG 和激光焊的优点,因此焊接效果更加理想, 比较高效。此方法的特点是：高焊接速度、焊缝成形美观、可精确控制焊接热输入和焊接接头性能优良等但是, 目前要想获得满意的接头性能, 以下三个基本条件必须得满足: 前提是精确的能量控制；保障是合理的接头形状, 需要
42、严格控制是接头内合金元素的反应。林尚扬、秦国梁47等人开发出了大光斑激光+MIG电弧复合热源熔-钎焊接技术,该技术是基于激光在焊接过程的作用（稳定电弧和溶滴过渡过程）。该技术同时适用铝合金与渡层钢和铝合金与非渡层钢的焊接, 并且效率都很高, 焊接速度达到5m/min以上。该技术利用大光斑激光与常规的小斑激光不同, 是对常规的改进。作者对该技术做出了系列研究, 对5A02铝合金和镀锌钢及非镀层搭接连接进行研究,获得了优质的接头, 同时发明了一种专用与铝和非镀层钢连接焊剂。实验表明, 所用焊剂中的Zn、Sn元素既有利于熔池铺展, 也可以提高接头的强度。第二章 试验方法与设备2.1试验材料本试验所选
43、用材料为5083船用铝合金和EH36船用钢板, 其中铝合金和钢板尺寸都为4mmx100 mmx110 mm。本实验有两种接头形式,搭接和对接, 对接有V型和K型坡口, 进行搭接的铝合金开了V型坡口, 进行对接的钢板开了V型和K型坡口。实验采用的是直径为1.2mm的AlSi5焊丝作为填充材料。AlSi5钎料目前应用比较广泛, 具有良好的流动润湿铺展性以及钎料中Si元素能够控制化合物的生长, 因此可应用在钢铝异种连接中。本试验母材及填充材料的化学成分列表分别见2-1, 表2-2, 表2-3。表2-1 5083铝合金的化学成分（质量分数/%）母材SiFeCuMgMnCrZnTi其他Al50830.4
44、00.400.100.404.400.090.250.150.15余量 表2-2 EH36船用钢板的化学成分（质量分数/%）母材CSiMnPSNiCrNbTiEH360.060.391.550.010.0040.010.160.040.01表2-3 AlSi5焊丝的化学成分（质量分数/%）焊丝SiFeCuMgMnCrZnTi其他AlAlSi54.5-6.00.800.300.050.05-0.010.20-2.2试验设备实验主要设备就是CMT5000i系列焊机, 基本上从头到尾的实验都需要借助这个设备来完成。CMT焊机主要由电源,送丝机构和执行机构组成。其中导航式的RCU5000i遥控器主要是
45、负责调节焊接工艺参数, 送丝系统顾名思义就是主要负责在焊接过程中的送丝任务, 当然送丝系统还会存在帮助送丝的设备, 也就是焊丝缓冲器, 海德盟Hi800-M 系列数控系统和工作台作为执行机构。具体如图2-1。 CMT 焊机 （b）焊接平台 （c)遥控器 (d)焊丝缓冲器图 2-1 CMT焊接设备2.3实验方法2.3.1焊前试样的表面处理 本实验所用的5083铝合金极易氧化, 表面会生成一层致密的A12O3氧化膜, 并且该薄膜吸水性强, 它不仅妨金属的连接, 而且容易产生夹渣、裂纹、气孔等缺陷。此外, 如工件表面被油污、锈也会引起夹渣等缺陷。焊前用钢丝刷去除铝的氧化膜, 再用干净的棉花擦洗除去铝
46、和非镀层钢板污垢、灰尘等杂质物体, 最后用丙酮对铝和钢表面做最后的清理, 确保焊接接头受到表面杂质的影响。2.3.2 焊接过程将处理干净的铝合金和钢板固定在试验平台的夹具上, 本实验有搭接和对接, 对接钢板开了 V型和K型坡口, 焊丝对准的位置, 焊丝伸出长度, 焊枪到母材距离以及母材之间缝隙宽度都会不同。CMT焊接焊接技术通过遥控器来调节送丝速度, 送丝速度的改变其实也使电压和电流的改变, 在数控系统的程序中输入想要的焊接速度。2.4 实验结果分析2.4.1焊缝微观组织分析2.4.1.1金相试验和超景深试验首先将线焊后工件进行线切割取金相试样, 然后用镶嵌磨具对其进行镶嵌。镶嵌试样依次在 200#、40