钢与铝及铝合金的焊接

出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第616页（3578字）

(一)钢与铝及铝合金的焊接性

铝及铝合金与钢熔点相差很大，焊接时低熔点的铝先熔化，而此时钢件仍在固体加热状态；铝与钢的线膨胀系数相差很悬殊，焊接过程中接头会产生很大的热应变，增加了裂纹倾向；此外，铝高温时能形成高熔点的氧化膜(A1₂O₃)，此氧化膜既能形成焊缝夹渣，又直接影响金属的熔合，是铝焊接的主要问题之一。

钢与铝及铝合金焊接时，要想取得良好的接头，必须保证在接头上不产生金属间化合物。为此，熔焊时，必须采取在钢表面上镀一层过渡金属，此金属与铝要有很好的结合性，方能形成良好的接头。钢与铝及铝合金的焊接接头若采用闪光对焊、摩擦焊、超声波焊、扩散焊和冷压焊等方法，也可以得到良好的接头，但这些焊接方法的焊件形状受到一定的限制。

为了解决钢与铝熔焊时的困难，常采用的工艺措施是：

(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，钢侧和铝侧分别采用钎焊和熔焊工艺。

(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，以使两侧受热均衡，防止镀层金属蒸发。

(3)使用气体保护，如用氩弧焊等。

(二)熔化焊接工艺

1．镀锌碳钢与铝的氩弧焊

铝及铝合金(L1、L2、L3、LF21、LF3和LF5等)与低碳钢氩弧焊时，先在碳钢表面镀上厚度为3～5μm的锌、锡、银可以获得较好的接头。采用浸渍法镀上100～120μm厚的锌层，接头强度也较好。

钢表面镀锌层厚度对接头强度有很大影响，镀锌层越厚，接头强度就越高。金相显微分析表明，有镀锌层时，接头处也避免不了金属间化合物。

铝及铝合金与有镀锌层碳钢氩弧焊时，焊丝类型对接头强度也有一定的影响。镀锌的Q235钢与铝氩弧焊时，选择L4铝丝作为填充材料，其接头强度可满足某些工件的要求，但不太稳定，断裂发生在焊缝上；用含镁焊丝(LF5)不能保证高强度，且断裂产生在电镀层上；纯铝L2和L3与镀锌钢(镀层厚度小于30μm)焊接接头强度较好。

2．复合镀层碳钢与铝及铝合金的氩弧焊

只有镀锌层不足以消除铝与钢产生的金属间化合物，为此在镀锌之前先镀一层铜或银等金属，这种银－锌或铜－锌复合镀层，可使铝－钢接头强度提高到147～176．4MPa。但这种方法比单一镀层工艺复杂，在结构件较大而又复杂的情况下，这种方法受到一定的限制。

在钢件镀层完成之后，便可对钢、铝件的表面进行处理。对铝件的表面处理可以用15%～20%NaOH或KOH溶液侵蚀，浸蚀后用清水冲洗，然后在20%的HNO₃中钝化，再冲洗和干燥之后，放在干净的环境中待焊。钨极氩弧焊的焊接电流为80～120A，钨极直径为3mm，填充铝丝直径3mm。操作时，首先要使电弧指向铝一侧的焊丝上，以减小和防止过多或过早地熔化锌镀层，尤其是在焊第一层焊缝时更要特别注意。

Q235钢与LF6氩弧焊工艺参数见表2－6－28。

表2－6－28 Q235钢与LF6氩弧焊工艺参数

3．不锈钢与铝及铝合金的氩弧焊

铝与不锈钢直接进行氩弧焊难以获得良好的接头，这主要是因为它们之间产生金属间化合物，使接头脆化。铝与不锈钢的焊接必须采用中间金属过渡层的办法。镀层金属种类不同，焊后结果也不同。镀镍层焊接性较差，镀层易被烧损；Ni、Cu、Ag复合镀层上易形成裂纹；Ni、Cu、Sn复合镀层效果较好，Ni、Zn复合镀层效果更佳。焊接接头质量，在很大程度上取决于镀镍过程的质量。

焊前对铝及铝合金的表面准备也是十分重要的，它包括表面清洁及镀层。首先是清除油脂、油垢，清水冲洗，盐酸溶液侵蚀，然后进行镀镍→镀铜→镀锌，干燥后渗铝，最后检查镀层表面质量。

壁厚为5mm，管径为100mm的防锈铝LF21管与1Cr18Ni9Ti不锈钢管子对接焊，焊接方法选用TIG焊。管子开V形坡口，焊三层，焊丝选用L4纯铝，直径为2～3mm，焊第一层时，可不用填充焊丝，焊第二层、第三层时用填充焊丝。钨极直径为2～3mm。焊接前先在不锈钢管上镀镍→镀铜→镀锌，然后用表面处理的LF21管氩弧焊。这种焊接工艺虽然可行，但工艺复杂。

4．钢与铝气焊

钢与铝接头的气焊工艺参数见表2－6－29。

表2－6－29 钢与铝气焊的焊接工艺参数

(三)压焊工艺

1．摩擦焊

摩擦焊是焊接普通低碳钢与铝及铝合金的理想焊接工艺之一。摩擦焊母材不熔化、加热范围窄、冷却速度快、接头不氧化，虽然有时也产生一些金属间化合物，但在压力作用下，能被挤出接口。所以采用摩擦焊方法能获得良好的铝与钢焊接接头。

低碳钢(Q235)与工业纯铝(L4)摩擦焊的焊接工艺参数见表2－6－30，1Cr18Ni9Ti与L1摩擦焊工艺参数见表2－6－31。

表2－6－30 Q235+L4摩擦焊的焊接工艺参数^［3］

表2－6－31 1Cr18Ni9Ti与L1摩擦焊工艺参数^［4］

2、真空扩散焊

铝及铝合金与钢进行真空扩散焊时，为了获得良好的扩散焊接头，必须采用中间过渡层的焊接方法。这种中间过渡层可用电镀方法获得很薄的金属层，其材料一般选用铜和镍。

LF21铝合金与低碳钢进行真空扩散焊接时，可在低碳钢上先镀一层铜，之后再镀一层镍，采用焊接温度为550℃，焊接压力为13．72N／mm²，焊接时间为2min，真空度为133．322×10^－8Pa的工艺参数，可获得令人满意的焊接接头。L4纯铝与15号钢扩散焊时，可在15号钢上镀上铜、镍复合镀层，在如下工艺下，可获得良好的接头。焊接温度为550℃，焊接压力为12．25N／mm²，焊接时间为2min，真空度为133．322×10^－8Pa。

焊接直径为25～32mm的L2纯铝与12Cr18Ni10Ti钢棒的扩散焊工艺参数为：焊接温度为500℃，焊接压力为7．35N／mm²，焊接时间为30min，真空度为133．322×10^－2Pa～5×133．322×10^－4Pa，焊后的接头强度σ_b≥88．2MPa。在接头中形成了宽4～6μm的过渡层，其显微硬度为490N／mm²～1372N／mm²。

实践表明，合金元素Mg、Si及Cu对铝与钢扩散焊接头强度影响很大。Mg会增加接头中形成金属间化合物的倾向，随铝合金中含Mg量的增加，焊接接头强度明显降低。当铝合金含有0．5%的Cu，含Si量小于3%时，对铝合金与1Cr18Ni9Ti钢之间的扩散焊非常有利。由于铝合金中含Si量较高，能提高抗蠕变能力。所以，必须提高焊接时间，才能使接头强度提高。

碳钢、不锈钢与铝及铝合金真空扩散焊的焊接工艺参数见表2－6－32。

表2－6－32 铝及铝合金与碳钢真空扩散焊的焊接工艺参数^［3］