本文以1050鋁合金板和Q235鍍鋅板為焊接材質，以ER4043（AlSi5）焊絲作為填充金屬，利用CMT熔-釺焊技術獲得了成形良好的異種金屬焊接接頭。
使用SEM、EDS及光學顯微鏡和拉伸試驗機等設備對焊接接頭的力學性能和顯微組織進行了研究，結果表明：焊接接頭主要由熔合區、界面區和富鋅區組成。在鋁鋼界面處形成了較薄的界面層，界面層向鋁合金板方向呈鋸齒狀生長。在對焊接接頭進行拉伸試驗時，接頭斷裂在鋁母材熱影響區附近，焊接接頭的斷裂形式為韌性斷裂。焊縫餘高是否去除對焊接接頭的抗拉強度影響不大。焊接接頭的結合強度達到了鋁合金板母材的70%。詳情如下：
概述
近年來，隨著節能減排和環保要求的提高，在保證汽車安全性能的前提下，汽車輕量化成為了汽車工業發展的重要方向。鋁以其在地球上的儲量大、密度低、比強高、耐腐蝕性強等大量優點，使其在汽車輕量化進程中得到廣泛應用。當前大量交運工業都採用了“以鋁代鋼”的鋁/鋼焊接複合結構。國內外科研工作者研究了多種鋁鋼焊接的方法，如擴散焊、爆炸焊、摩擦焊、熔化焊、釺焊、熔釺焊等，但存在異種材料連接強度不高或者連接方法使用範圍受限等缺點。
冷金屬過渡焊（CMT）是一種新型焊接技術，能夠實現送絲與焊接中焊絲熔滴過渡的相互協調，具有無飛濺、熱輸入低和效率高等優點，有著廣闊的應用前景。鋁/鋼界面的金屬間化合物及種類將嚴重影響鋁/鋼焊接接頭性能，而影響CMT焊接工藝性能的主要參數有：焊接電流、焊接時間、電弧電壓、焊接速度和送絲速度等。
本文基於 CMT 焊接工藝技術，探究了1050鋁合金板和Q235鍍鋅板焊接接頭的微觀組織和力學性能。
試驗材料及方法
選用規格為50mm×250mm×1mm的1050鋁合金板和Q235鍍鋅板作為焊接材質，焊絲選用直徑為1.2mm的ER4043（AlSi5）焊絲。採用奧地利Fronius公司生產的TSP5000CMT數字化冷金屬過渡焊機。焊接接頭形式為搭接接頭，鋁合金板在上，鍍鋅板在下。
焊接前先清洗鍍鋅鋼板表面的油汙，並在表面塗抹一層特定成分的特種釺劑，置於烘箱中烘乾後待用。然後去除鋁合金板表面的氧化膜，並用丙酮清洗。鋁合金板清理乾淨後需要立即進行焊接，以防被再次氧化。焊接時的送絲速度為3.9mm/min，焊接速度為300mm/min。焊接後垂直於焊縫取樣，分別製備拉伸試樣和金相試樣。金相試樣經鑲嵌、研磨和拋光後，先用4%的硝酸酒精腐蝕樣品的鋼側，再用0.5%的氫氟酸水溶液腐蝕樣品的鋁側，然後在顯微鏡和掃描電鏡下觀察組織。拉伸試驗在電子萬能試驗機上進行，拉伸速度為1mm/min。
試驗結果及分析
（1）焊縫宏觀形貌焊縫的宏觀形貌如圖1所示，焊接完成後所得的鋁/鋼的焊縫均勻連續，表面形成了極其細微的魚鱗紋，並沒有出現一些常見的焊接缺陷，諸如未熔合、咬邊等。
（a）正面
（b）反面
圖1 焊縫的宏觀形貌
（2）焊縫的力學性能按照GB/T 2651—2008進行焊接接頭拉伸試驗，製備了兩個試樣，其中一個試樣去除焊縫餘高，另一個保留焊縫餘高。試驗結果如表1所示，焊接接頭的抗拉強度達到鋁合金母材抗拉強度的70%以上，試驗後試樣斷裂在鋁合金母材熱影響區附近，斷口上分佈著許多韌窩，是典型的韌性斷裂特徵，如圖2所示。
表1 焊接接頭拉伸試驗結果
圖2 拉伸試樣斷口形貌
（ 3 ）焊接接頭的宏觀和微觀形貌焊縫橫截面的宏觀形貌如圖3所示，焊後板材有少量變形。由於鋁/鋼的熔點差異較大，從而在進行焊接時，鋁熔化而鋼未熔化。因此，焊接接頭主要由熔合區、界面區以及富鋅區組成。
圖3 焊縫橫截面宏觀形貌
焊縫和鋁合金板界面的微觀形貌如圖4a所示，在熱影響區組織的形貌特徵為等軸晶，而在熔合區組織的形貌特徵則變為了柱狀晶，柱狀晶主要依附於鋁合金母材壁形核並長大。由於從熔融的狀態下冷卻下來，焊縫的晶粒較為粗大。經分析，該熔合區主要由a-Al和Al-Si共晶組成。圖4b所示為熱影響區和熔合區的掃描電鏡組織特徵形貌。由SEM圖可以發現，熔合區還存在一些“縮孔”現象。縮孔的出現和柱狀晶的形成會嚴重影響焊接接頭的力學性能。
（a）顯微組織
（b）SEM形貌
圖4 焊縫和鋁合金板界面的微觀形貌
富鋅區存在於鋁/鋼搭接焊接頭的焊腳部位，其組織形貌特徵顯著區別於熔合區的組織形貌特徵，具體特徵如圖5所示，富鋅區面積不大、呈楔形。通過SEM及EDS對圖中紅色區域進行分析，可以發現此處含有大量的Zn，具體結果如表2所示。富鋅區的形成主要在於電弧加熱過程中，焊接電弧的中心溫度較高，而電弧邊緣的溫度相對較低，從而不能完全熔化及蒸發掉鋼表面的鍍鋅層，加上受到液態鋁合金的推動作用，導致剩餘的未被揮發的鋅聚集在電弧的邊緣處。在富鋅區和鍍鋅板之間幾乎沒有任何的界面區域，這就說明在該處很少發生Al元素和Fe元素的擴散反應。
圖5 富鋅區的微觀形貌
表2 富鋅區的EDS成分
鋁鋼界面處的微觀形貌如圖6所示。鋁/鋼焊接接頭界面處存在一定厚度的中間化合物層。化合物厚度較薄，向鋁合金方向呈鋸齒狀生長。為進一步分析界面層中的化合物，對其進行線掃描能譜分析，結果如圖6b所示。界面區是由Fe、Al兩元素相互擴散結合所形成的過渡區域，從鋼側到鋁側，Fe元素含量下降，Al元素含量急劇上升，呈梯度變化。另外由於是先腐蝕鋼側，再腐蝕鋁側，導致F元素在鋼側表面有殘留。
（a）微觀形貌
（b）線掃描結果
圖6 鋁/鋼界面區的微觀形貌和線掃描結果
根據Fe-Al二元合金相圖，在不同溫度時鐵與鋁可以形成FeAl2、Fe2Al5和FeAl3等金屬間化合物。有研究表明，當金屬間化合物層越厚時，鋁鋼焊接接頭的力學性能越差。一般認為金屬間化合物層在10μm時最佳。當金屬間化合物層過厚時，金屬間化合物的脆性將嚴重降低接頭強度；當金屬間化合物較薄時，它的脆性特點就可以被忽略，此時焊接接頭的性能主要取決於母材的性能。
結語
(1) 1050鋁合金板和Q235鍍鋅板的CMT熔-釺焊縫成形良好。
(2) 焊接接頭主要由熔合區、界面區以及富鋅區組成。在鋁鋼界面處形成了較薄的界面層，界面層向鋁合金方向呈鋸齒狀生長。
(3) 在對焊接接頭進行拉伸試驗時，焊縫餘高的去除對焊接接頭的抗拉強度影響不大。在本文的焊接試驗條件下，焊接接頭的結合強度達到了鋁合金母材的70%。焊接接頭的斷裂形式為韌性斷裂，斷口由韌窩組成。
