钢与有色金属的焊接

异种金属结构中最常用的材料是钢，钢具有一系列优良的性能，如力学性能、焊接性、热稳定性等。铝、铜、镍、钛等有色金属具有良好的耐蚀性、较高的比强度以及在低温下能保持良好力学性能等特点，在航空、汽车、电工、化工、国防等工业部门被广泛采用。钢与有色金属焊接构成的异种结构具有优良的导电、导热及耐蚀等性能，并且在节约材料、合理利用资源方面起到重要的作用。因此，钢与有色金属的连接具有十分重要的意义。

1. 钢与铝及铝合金的焊接

近年来，在国外工业生产中，采用“钢+铝”双金属焊接结构的产品越来越多。由于铝及铝合金的密度、比强度高，且具有良好的导电性、导热性和耐蚀性，为了充分发挥材料的固有性能和节省材料，将钢与铝及铝合金焊接成为异种金属结构，具有独特的优势和良好的经济效益。

1.1 焊接特点

铁与铝既可以形成固溶体、金属间化合物，又可以形成共晶体。铁在固态铝中的溶解度极小，室温下铁几乎不溶于铝，所以含微量铁的铝合金在冷却过程中会产生金属间化合物FeAl3。随着含铁量的增加，相继出现Fe2Al、Fe2Al7、Fe2Al5、Fe2Al2和FeAl等，其中Fe2Al5的脆性最大。钢与铝及铝合金的物理性能对比见表1。

由于在铝合金中的铁总是以金属间化合物形式存在，其存在会影响铝的力学性能和焊接性能。铝中加入铁会提高强度和硬度，降低塑性，增大脆性，对焊接性影响严重。并且铝在铁中的溶解度比铁在铝中的溶解度在很多倍，含大量铝的钢，具有某些良好的性能（如抗氧化性），但含铝量超过5%以上时具有较大的脆性，严重地影响焊接性。

（1）熔焊特点

钢与铝及铝合金的物理性能相差很远，这给两者之间的焊接造成了困难。焊接时低熔点的铝先熔化，此时钢件仍处在固体加热状态；钢与铝的线膨胀系数相差悬殊，焊接过程中接头处会产生很大的热应力，增加了裂纹倾向；此外，铝高温时容易氧化，能形成高熔点的氧化膜（Al2O3），Al2O3既能形成焊缝夹渣，又直接影响焊缝的熔合，是铝焊接中的主要问题之一。

钢与铝及铝合金熔焊时，一般采用氩弧焊、电子束焊以及气焊等焊接方法。要想获得良好的接头，必须保证在接头上不产生金属间化合物。熔焊时，必须在钢表面镀一层过渡金属，此金属与铝要有很好的结合性，才能形成良好的焊接接头。

为解决钢与铝熔焊时的困难，常采用的工艺措施有以下几种。

① 在钢表面镀上与铝相匹配的第三种金属，如锌、银等，厚度约30～40μm作为过渡层，钢侧为钎焊，铝侧为熔焊。

② 对接焊时，使用K形坡口，坡口开在钢材侧。焊接热源偏在铝材一侧，以使两侧受热情况均衡，防止镀层金属蒸发。

③ 使用气体保护进行焊接，如采用氩弧焊。

（2）压焊特点

钢与铝采用摩擦焊、超声波焊、扩散焊和冷压焊等压焊方法进行焊接，也可以得到良好的接头，但这些焊接方法有一个共同的缺点，就是焊件的形状受到一定的限制。

压焊有利于钢与铝及铝合金的焊接，焊前必须彻底清理连接表面，消除氧化物及薄膜，同时要保证接头处变形量在70%～80%以上。为了得到更好的焊接接头，也可在钢母材金属表面先镀一层Zn、Cu或Ag。碳钢与纯铝的冷压焊接头，强度可达80～100MPa；18-8奥氏体不锈钢与Al-Mg合金的接头强度可达200～300MPa。采用摩擦焊时，为防止产生金属间化合物，应尽量缩短接头的加热时间并施加较大的挤压力，以便将可能形成的金属间化合物挤出接头区。但加热时间不能过短，以免塑性变形量不足而不能形成完全结合。

表1 钢与铝及铝合金的物理性能对比

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