前言

在運(yùn)輸行業(yè)（航空航天、汽車(chē)…），減輕產(chǎn)品的自重是一項(xiàng)重要的任務(wù)，這可以通過(guò)選用不同特性的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而獲得兩種材料的綜合優(yōu)點(diǎn)。鋁合金具有其耐腐蝕好、焊接性能好、重量輕等特點(diǎn)；鋼是工業(yè)應(yīng)用中最廣泛的材料，因而研究這兩種材料的連接具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。例如，許多汽車(chē)頂部結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料，底盤(pán)采用鋼材，這樣既可以減少汽車(chē)的重量，又可降低汽車(chē)的重心。然而目前，鋼與鋁的連接仍然大多數(shù)采用機(jī)械方式，如壓緊，鉚接。極少數(shù)也采用熱加工的連接方法如：摩擦焊、點(diǎn)焊、爆炸焊、電子束焊、激光+擠壓等，但這些工藝受太多條件的限制（如工件尺寸，接頭的形式、焊接位置等）

1鋼與鋁焊接存在的問(wèn)題

由于兩種材料有著不同的化學(xué)和物理性能，如熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)彈性模量等（見(jiàn)表-），因而通過(guò)熱加工的焊接工藝來(lái)。

鋼

鋁

熔點(diǎn)°C

1536

660

彈性模量N/mm2

20400

6750

密度（20℃）g/cm3

7.8

2.7

熱傳導(dǎo)率W/mK

46

222

標(biāo)準(zhǔn)電壓（在25℃）V

-0.44

-2.34

最大的問(wèn)題是鋁與鋼易形成非常硬和脆的IMP相（intermetallicphases），并且焊接熱輸入量越大，生成的IMP相就越多。這種脆性相嚴(yán)重破壞接頭的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的強(qiáng)度，以及惡化接頭的塑性。

二元的AL-Fe相位圖

在圖中左邊可以看出鐵在固熔狀態(tài)下是可以熔解一部份鋁，但當(dāng)鋁的含量超過(guò)12%，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生根本的改變，形成FeAL(β)，F(xiàn)e3Al(β)混合物，這些混合物是非常硬(250-520HV)和脆的。如果鋁在鐵中的含量進(jìn)一步提高，就會(huì)形成Fe2Al(ξ),Fe2Al5(η)和FeAl3(θ)混合物，這些混合物硬度更高(600–1100HV)，更脆。這種脆性物的產(chǎn)生是由于鐵在鋁中的擴(kuò)散或是鋁在鐵中的擴(kuò)散。當(dāng)兩種不同材料電化學(xué)，就會(huì)發(fā)生分子擴(kuò)散以彌補(bǔ)電位差，電（鐵和鋁的△E~1.22V），擴(kuò)散的趨勢(shì)就越大，如果兩種材料都是處于液態(tài)，則擴(kuò)散就更容易。然而，當(dāng)焊接接頭的IMP脆性相的(10μm)，它的脆性特點(diǎn)就變成次要的，于母材延展性能。（舉例：玻璃=易脆的?纖維玻璃=柔軟的）

另一主要問(wèn)題腐蝕問(wèn)題，由于兩種材料電化學(xué)電位差別較大，只要存在電位差，就會(huì)有電解發(fā)生（原理相當(dāng)于電池），而鋁電位低，因而是負(fù)極，會(huì)隨著電解而腐蝕。

綜上所述，要實(shí)現(xiàn)鋼與鋁的焊接需要滿足兩個(gè)要求：

++接頭處的IMP相10μm

++防止焊后母材的腐蝕

要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)要求，首先需要熱輸入量低的工藝，其次需采用特殊的焊絲或焊后對(duì)焊縫進(jìn)行防腐蝕處理

2.

CMT是ColdMetalTransfer的縮寫(xiě)，由于其熱輸入量比普通的GMAW焊要低得多，因而命名為Cold。

CMT冷金屬過(guò)渡技術(shù)是在短路過(guò)渡基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，但同普通GMAW不同的是，送絲不是一成不變的往前送，焊絲不僅有向前送絲的運(yùn)動(dòng)，而且還有往回抽的動(dòng)作。其焊接過(guò)程是：電弧燃燒，焊絲往前送，直到形成熔滴短路，在這一刻，送絲速度倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，焊絲往回抽，。當(dāng)下一個(gè)開(kāi)路形成后，電弧重新燃起，焊絲又住前送，熔滴過(guò)渡重新開(kāi)始。這種送絲/回抽運(yùn)動(dòng)的平均頻率高達(dá)70Hz。

CMT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)電流狀態(tài)下的熔滴過(guò)渡。焊絲，電流即轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉亩搪冯娏?，送絲機(jī)停止送絲并自動(dòng)回抽焊絲。這樣就減少了電弧，，大幅降低熱輸入量。焊接過(guò)程就是在冷熱交替中循環(huán)往復(fù);短路后焊絲的回抽運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了焊絲與熔滴的分離，通過(guò)對(duì)短路的控制，實(shí)現(xiàn)較小的短路電流，從而使熔滴過(guò)渡過(guò)程無(wú)飛濺。精確的熔滴過(guò)渡及分離控制保證了每個(gè)過(guò)渡周期內(nèi)過(guò)渡到焊縫的填充金屬的量都是相等的。

。傳統(tǒng)的GMA焊接方法，電弧的穩(wěn)定性往往受到工件表面狀態(tài)及焊接速度的影響。但在CMT工藝中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)節(jié)保持電弧長(zhǎng)度不變，就是說(shuō)不管工件的表面狀態(tài)如何或焊接速度有多快，電弧都能夠保持穩(wěn)定。所以CMT工藝可以應(yīng)用在任意的場(chǎng)合或任意的焊接位置

同普通的短路過(guò)渡相比有以下不同：

++普通短路過(guò)渡是通過(guò)大的短路電流形成斷橋來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而CMT焊接是通過(guò)焊絲回抽的運(yùn)動(dòng)來(lái)促進(jìn)熔滴過(guò)渡

++普通短路過(guò)渡短路電流大，而CMT，整個(gè)焊接過(guò)程就是高頻率的“熱-冷-熱”轉(zhuǎn)換的過(guò)程，因而大幅降低熱輸入量。

++普通短路過(guò)，而CMT是焊絲回抽幫助熔滴脫落，焊接過(guò)程沒(méi)有任何飛濺

3.

實(shí)現(xiàn)這種連接的前提是鋼板必需要鍍鋅的，鋁材的厚度范圍是0.8-0.3mm，填充材料采用鋁硅材料，通過(guò)熔化鋁材和釬焊鋼表面的鋅形成焊縫接頭（見(jiàn)圖-左）

從圖-左圖中可以清楚看到，鋁這邊是熔焊上的，而鋼這邊是釬焊上的。從圖-右，可以看到，IMP脆性相只有2.41μm。

在所有的實(shí)驗(yàn)中IMP相的厚度都是低于10μm，因而接頭的性能更多的是受母材性能的影響，而不是接頭中的IMP相，在強(qiáng)度測(cè)試過(guò)程斷裂處總是發(fā)生在鋁的熱影響區(qū)，。下表是種測(cè)試的強(qiáng)度平均值