汽车材料新突破：铝钢复合结构优缺点及研究方向探讨？

汽车改变生活、材料改变汽车

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铝钢复合结构以其卓越的强度、出色的耐腐蚀性能以及轻盈的质量，吸引了众多领域的关注，尤其在航空航天、船舶和汽车制造等行业，其应用潜力巨大，发展前景十分广阔。铝和钢这两种材料在热物理性能上存在显著差异，同时它们之间的固溶度较低，这导致在连接过程中铝原子和铁原子之间的相互作用很容易形成脆性的铝铁金属间化合物，进而减少接头的力学性能，严重限制了铝钢异种复合材料在工业生产中的广泛应用。为了提升液态铝在钢铁表面的附着力与扩散能力，同时确保铝铁金属间化合物的生长得到有效抑制，我国及国际上的研究人员主要集中在对合金元素添加和表面镀层技术的研究上，旨在开发出既成形优良又满足特定力学性能指标的铝钢连接部件。

关键词：焊接；铝钢界面；合金元素；镀层

前言

当前，我们正大力倡导节能减排和低碳生活方式，在此背景下，全球汽车制造商们亟需解决的一个关键问题是：如何更高效地实现汽车的节能与环保目标。汽车的整体重量中，车身部分占据了相当大的比例——大约30%。因此，若要实现汽车的轻量化，首先应当着手减轻车身重量；铝合金以其较低的密度、较高的比强度和优良的导热性能，成为了汽车轻量化技术领域应用最为广泛的轻量化材料。纯铝车身的制造成本显著高于传统的钢制车身，并且在安全性能上，全铝车身结构相较于钢制车身存在不足。然而，铝钢复合材料能够有效解决这些问题。此外，铝钢复合结构因其高强度、耐腐蚀性和轻量化等优势，在航空航天、船舶等行业受到了广泛关注，展现出广阔的应用前景。

铝和钢这两种材料在热物理性能上存在显著差异，并且它们之间的固溶度不高，导致在连接时铝、铁原子间的相互作用很容易形成脆性的铝铁金属间化合物，简称IMCs。这种现象会削弱接头的力学性能，从而在很大程度上限制了铝钢异种复合材料在工业生产中的广泛应用。为了提升液态铝在钢铁表面的附着力及扩散能力，同时有效遏制铝铁金属间化合物的过度生长，进而实现具有优异力学性能的铝钢焊接连接，国内外研究人员主要在添加合金成分和表面镀层两个领域展开了深入探究。

1 措施

1.1 合金元素的影响

铝的熔点达到660摄氏度，这个数值明显低于钢的熔点，因此在焊接作业中，当铝熔化成液态时，钢尚未达到熔化状态，依旧保持固态。此外，铝和钢的密度差异显著。当钢完全熔化后，由于铝的密度较低，它会浮在钢水之上。在冷却并结晶的过程中，焊缝的分布将变得不均匀，导致焊缝的性能无法满足标准要求。铝与钢在熔点及导热性等物理特性上存在差异，因此采用熔钎焊技术焊接铝/钢时，铝会熔化而钢保持固态，这导致在连接界面容易出现FeAl3、Fe2Al5等脆性金属间化合物，进而对铝钢接头的力学性能造成不利影响。近期，众多国内外专家对铝钢两种不同金属的焊接技术进行了深入研究，探讨的内容包括压焊、钎焊、熔焊等多种焊接技术。然而，不论选用何种焊接技术，焊接材料对焊接接头性能的影响都极为关键。鉴于此，众多学者在铝钢焊接过程中尝试添加其他合金元素，以增强液态铝在钢表面的铺展和浸润效果，同时抑制Al-Fe金属间化合物的形成和生长，细化晶粒，并形成微小的金属间化合物组织，进而提升接头的力学性能。目前，在铝钢焊接过程中，人们普遍选用Si、Zn、Cu、Mn、Ag等合金元素作为填充材料，原因在于这些元素能够与铝及铁形成稳固的连接。

北京航空航天大学的于文花等人对Al-Si钎料进行了研究，他们在其中加入了Cu和Ni元素，旨在探究Cu、Ni以及Si这三种元素对Al基钎料性能的具体影响。图1展示了合金元素铜、镍、硅的含量对钎料熔点的影响，实验结果显示，当铜和硅的含量上升时，钎料的熔点显著下降，然而，铜、镍、硅的加入对钎焊接头的剪切强度影响并不显著。

日本大阪大学的Taichi MURAKAMI等人运用直流脉冲MIG电弧熔钎焊技术，选用Al-Si药芯焊丝，对SPCC钢与A1050P-H24铝合金实施了直流脉冲MIG电弧搭接焊。实验结果显示，在接头界面处，主要生成了Al7.4Fe2Si三元化合物。研究结果表明，通过调整焊缝的化学成分，可以有效减少金属间化合物层的厚度，降至2.5微米以下；在此条件下，铝钢焊接接头的抗拉剪切强度能够达到80兆帕，这一数值大约是铝合金母材强度的70%。

哈尔滨焊接研究所的雷振等人运用了大光斑的Nd：YAG与MIG电弧复合热源技术，成功实现了铝合金与镀铝钢、镀锌钢以及非镀层钢的高质量、高效率连接。研究结果表明，合金中的锌和锡元素能够有效减少液态钎料与钢表面之间的表面张力，进而显著提升了液态钎料在钢表面的流动性以及浸润和铺展能力。同时，研究发现Sb元素能够增强铝钢接头的强度，而稀土元素La则显著提升了金属间化合物的延展性，进而显著提升了铝钢接头的力学性能。

Jacome等人选取了四种不同的铝基焊丝成分，包括Al99.5、AlMn1、AlSi5和AlSi3Mn1，用以进行铝合金与镀锌钢板之间的对接焊接。他们旨在探究这些焊丝成分对焊接接头化合物层的特性以及接头整体性能所产生的影响。在金属间化合物层中，加入Si元素能有效抑制其早期生长，然而，Si元素的存在却容易引发焊缝裂纹和气孔问题，进而对接头的力学性能造成不良影响。与此同时，Mn元素的加入则能细化金属间化合物的晶粒尺寸，显著提升接头的强度。

澳大利亚皇家理工大学的A Boag等人进行的研究揭示，铜（Cu）和锰（Mn）等元素能够稳定地溶解于铁铝（Fe-Al）金属间化合物之中，这一特性有助于提升金属间化合物的韧性及硬度，从而优化其力学性能。

哈尔滨工业大学的研究者宋建岭及其团队对合金元素如何提升铝钢接头的性能进行了探讨，他们详细阐述了加入合金元素的基本准则，并分别说明了这些元素的具体作用及其适宜的添加比例。向合金中加入特定元素能够有效降低焊接材料的熔点，从而确保铝在钢侧具有良好的浸润和铺展性能；这些元素还能抑制化合物层的生长，改变金属间化合物的形态和分布；此外，合金元素还发挥着变质处理和形核剂的作用，旨在通过细化晶粒来提升接头的性能。例如，Si元素能够降低焊丝的熔点，并增强其在钢表面的浸润性和铺展性，通常在焊料中的含量保持在5%至12%之间。锌元素可以增强焊料在钢铁表面的附着力，进而提升焊接接头的牢固度，而其适宜的添加比例需根据所采用的焊接技术来决定。

大连理工大学的董红刚及其团队对铝与镀锌钢结合部性能的硅、铜元素作用进行了探究，并提出Si元素能有效遏制金属间化合物层的扩展。如图2所示，铝/镀锌钢结合部表面形貌受Si元素影响显著，Si含量提升时，金属间化合物层的厚度相应减少，并且Si元素的引入还有助于优化结合部区域的柱状晶结构。对于铜元素来说，一旦其含量超过某个特定数值，金属间化合物的层厚度便会随之上升。

兰州理工大学的石玗及其团队，对Si和Mg元素如何作用于脉冲旁路MIG电弧焊铝钢接头的性能进行了深入研究。研究结果表明，在焊接过程中，硅元素会参与一系列化学反应，并形成Al-Fe-Si三元金属间化合物。这一过程有助于减缓铁原子向Al-Fe-Si三元金属间化合物的扩散速度，进而抑制Fe2Al5的形成。此外，这种作用还有助于降低金属间化合物层的厚度。值得注意的是，镁元素并不参与Al-Fe金属间化合物的形成。拉伸试验结果显示，使用铝硅焊丝焊接的接头强度显著高于采用Al-Mg焊丝焊接的接头强度。

周惦武等湖南大学的研究人员探讨了锰和锆元素对铝钢激光焊接接头性能的效应，他们提出，引入锰和锆元素有助于增强接头的剪切强度，特别是锆元素的作用尤为显著（参见图3）。此外，锰元素增强了熔融金属的流动性，而锆元素则有助于细化焊缝区域的晶粒结构，并形成具有良好韧性的新相ZrFe33Al13，这些因素共同促进了接头力学性能的提升。

1.2 镀层影响

在铝合金和钢材表面形成过渡层，不仅可以防止Fe-Al脆性金属间化合物的形成，还能确保钎料在两种金属表面实现良好润湿。为了提升铝钢异种接头的焊接成功率、降低焊接所需温度以及减少脆性硬化合物的产生，一般会选用Ag、Cu、Ni等金属箔或镀层作为隔离层。在国内外，众多学者对利用过渡层来优化铝钢接头性能这一领域进行了广泛的研究。

哈尔滨工业大学的冯吉才等人对LF2铝合金与Q235钢的电子束焊接进行了研究，他们尝试通过引入Cu夹层来控制焊缝区域中Fe-Al脆性化合物的形成。然而，研究结果表明，Cu夹层并不能有效抑制脆性相的产生，并且焊接接头的最大抗拉强度仅为75 MPa，接头形状也存在缺陷，具体形状可参照图4。

江苏大学的吴铭方等研究人员对6016铝合金、镀银层以及Crl8Ni9Ti不锈钢进行了扩散钎焊连接实验，并深入研究了铝钢界面金属间化合物的生长过程。实验结果表明，连接界面主要由以下几部分构成：不锈钢一侧的Fe-Al化合物层、铝一侧的Ag（Al）固溶体，以及中心区域的Ag-Al化合物和Ag（Al）固溶体的混合结构。在金属间化合物的形成过程中，因为铝原子的扩散路径存在限制，故而Ag-Al金属间化合物率先形成，而Fe-Al金属间化合物的生成则相对滞后。

吕学勤等研究人员来自上海交通大学，他们采用电刷镀方法在不锈钢表面形成Ni/Cu过渡层，并将其与铝合金进行钎焊连接。实验结果显示，这种Ni/Cu复合镀层有效减缓了Al和Fe原子的相互扩散，同时抑制了金属间化合物的生成。铜镀层与钎缝区域产生了少量结构不均匀的化合物，这种化合物对连接部位的脆硬程度影响不大，同时，该接头的剪切强度能够达到33.6 MPa。

赵祖林等人于1Crl8Ni9Ti不锈钢与6063铝合金的接触反应钎焊作业中引入了Ag-Ni复合过渡层。实验数据表明，在运用Ag-Ni复合过渡层进行焊接时，必须严格把控保温时长，适宜的保温时长有助于形成性能卓越的焊接接头。钎焊时间较短时，镍层起到了阻碍脆性金属间化合物形成与长大的作用，此时钎缝接头主要由铝合金侧的Al基固溶体和Al-Ag金属间化合物组成；然而，随着钎焊时间的延长，镍层的阻隔作用逐渐消失，镍层开始与液态钎料融合，Al-Ag化合物的含量显著提升，导致接头的力学性能明显下降。

哈尔滨工业大学的赵振清及其团队通过在铝合金表面实施电刷镀镍、铜和SnPb钎料合金，成功实现了铝合金的直接低温钎焊。研究结果表明，形成的镀层与基体紧密结合，接头剪切强度最高可达20 MPa。此外，镀镍阻挡层还能有效提升基于Sn的钎料在钎焊铝合金焊缝中的抗腐蚀性能。

哈尔滨工业大学的张智慧等人对铝基复合材料表面进行了Cu元素的溅射处理，随后运用SnAgCu钎料实施了真空钎焊工艺。研究结果表明，焊缝区域组织结构紧密，接头部分的最高剪切强度达到了9.15 MPa，而在靠近Cu层的复合材料表层出现了断裂现象。在2024年对铝基复合材料进行镍层镀覆的过程中，部分颗粒增强相的存在有效提升了焊缝的强度，同时，镍层的形成降低了化合物层的厚度，进而增强了焊点的可靠性。

Zhu 等研究者对YT15 硬质合金表面实施了化学镀Ni-P-Cu 合金层的处理，并与不锈钢进行了钎焊实验。实验结果表明，该合金镀层显著提升了硬质合金与碳钢之间的钎焊效果。在化学镀过程中，选用pH值为11、浓度为1.254克每升的硫酸铜溶液，于90摄氏度下进行沉积处理，成功制得了一层分布均匀且致密的Ni-P-Cu镀层。该镀层与硬质合金基体及黄铜钎料实现了优良的冶金结合，使得接头的剪切强度最高能够达到480兆帕。

哈尔滨工业大学的徐家富等人对Al2O3陶瓷表面实施了化学镀镍处理，随后将其与5A05铝合金进行了真空钎焊操作。实验结果显示，在钎焊温度达到570℃、保温时间持续15分钟的情况下，能够形成力学性能优异的钎焊接头，其抗拉强度甚至达到了25 MPa。此外，研究还发现，钎焊过程中的保温时间对连接界面处金属间化合物的形态与分布产生了显著影响。保温时长增加，界面反应的持续时间也随之增长，导致过量的镍元素投入到界面反应中。这消解了镀镍层与氧化铝之间的“锁扣效应”，进而使得接头的力学性能出现下降。

王奇娟等研究人员在探究热管钎焊技术时，首先对铝合金进行了化学镀镍的预处理步骤，接着运用了锡基钎料以及活性钎剂对镀镍后的铝合金和不锈钢材料实施了软钎焊操作。研究结果显示，在镀镍层厚度达到10微米、钎焊作业温度设定为220摄氏度、钎缝间隙控制在0.2至0.5毫米的条件下，所形成的热管钎焊结构接头不仅具备优良的力学性能，而且传热性能也表现优异。

Tan 等研究人员在镍板表面镀覆金层后，对其进行了精确的电阻钎焊处理。研究发现，焊接电流的强度对焊接接头的连接方式有着显著影响。当电流逐渐增大时，镀金镍板的连接方式从单一的固相连接转变为固相连接与钎焊连接的复合机制，甚至进一步发展为固相连接、钎焊和熔焊的混合连接机制。在较高电流条件下，形成的镀金镍板钎焊接头中未出现熔核，其强度甚至超过了未镀层的镍板接头。

2 结论

铝钢焊接接头的界面处形成的金属间化合物，对焊接接头的力学性能产生了显著影响。鉴于此，研究重点被放在了两个方面：一是通过添加合金元素，二是通过镀层技术。具体而言，研究者们致力于探究铝钢焊接接头界面金属间化合物的相组成、种类、微观组织分布及其形成机理，同时关注金属间化合物层的厚度。目的在于开发出既具有良好的成形性，又满足特定力学性能要求的铝钢焊接接头。