基于中间层的铝钢螺柱焊工艺及组织性能研究(2)
（3）焊接变形大。钢与铝的热导率、线胀系数相差较大，焊接时易引起很大的应力，焊接接头会产生严重的变形，甚至导致裂纹。
（4）容易产生裂纹。焊接过程中，会产生各种脆性金属间化合物，在焊接应力作用下，焊接接头很容易产生裂纹，甚至拉裂。
因此，能够完成铝/钢接头的制作并满足相应的强度要求，具有重要的学术意义，可以为其他难焊接的异种材料提供理论指导与实践基础。
图1-1 铝/钢二元合金相图
应用意义。我们知道，如今的大型车辆，如坦克，装甲车等在军工行业的广泛使用，其轻便化，灵动性，高强度等性能是评断一种大型车辆优良与否的重要指标。为了减轻大型车辆的重量，车身结构可以广泛采用密度较低的铝板制作，而非目前主流的钢板。这就带来一个问题，无论车身采用什么材料，车辆的内饰终究要完备，这就需要在车身上焊接600多个螺柱以固定必要的元器件，并且要求螺柱具有一定的强度，否则容易滑丝，因此就产生了钢螺柱与铝板焊接的迫切要求。而这种结合有很多不足，焊接性差是其中之一，生产效率低也不得不考虑，往往重量只占1%的螺柱，全部焊完的时间要占到总生产的20%，不适于批量化生产要求。以上内容就是我们今天要重点探讨的问题。
1.2铝/钢焊接技术的国内外研究概况
1.3基于中间层的螺柱焊接技术
铝原子首先沿铁晶界扩散，同时与铁反应形成富铝相金属间化合物，然后铝原子由新形成的化合物通过晶界向铁晶粒内扩散并与晶内铁原子反应形成化合物，即铝在铁相中的扩散是伴随着金属间化合物的形成而进行的。所以这是一个扩散→反应过程。其结果在铁-铝界面靠铁的一侧形成一中间层，即FeAl3富铝相层，这一过程可用图1-3来表示。由于扩散伴随着铁-铝化合反应，所以铝不会越过富铝相而单独存在于铁相中，结果铝在新形成的富铝相与铁相之间的分布是不连续的。
图1-3 Al扩散示意图
基于中间层的焊接技术，即找到一种性能介于钢和铝的第三种金属，用电镀或堆焊等方式，先在母材一方形成过渡层，再与另外一个母材进行焊接，这样可有效缓和焊缝两侧金属的性能变化速度，提高金属的焊接性。
为了达到牢固结合的目的，要求结合双方金属的晶体结构相同，晶格常数相近，如果他们的晶格常数/晶体结构不相同，但其差额不超过15%，也可达到像同一种金属一样的牢固结合[ ]。因此查找第三种金属应遵循以下原则：第三种金属的熔点、晶格常数、线膨胀系数、密度等尽量处于铝/钢之间，必要时可查找第四、第五种金属，实现两级甚至三级过渡，进一步减少焊缝两侧金属的差异[ ]。
表1-1 常见金属的物理性能
密度
g/cm3 熔点
℃ 线膨胀系数
W/(m•K) 晶格类型 晶格常数
10-10m
Al-Si钎料 2.80
Fe 7.87 1537 11.76 bcc(α-Fe,δ-Fe)/fcc(γ-Fe) aα=2.860/aγ=3.668
Al 2.70 660 23.8 fcc 4.0496
Ni 8.90 1453 13.4 fcc 3.5236
Cu 8.92 1084 16.6 fcc 3.6147
Zn 7.14 420 29.7 hcp a=2.6649/c=4.9468
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