如何使用激光或旋转摩擦的方式将铝焊接到钢材上？
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众所周知，由于不同的熔点、热导率、膨胀系数和形成脆性金属间化合物的倾向，应用熔焊工艺将钢与铝连接起来是困难的。由于Fe在Al中的溶解度非常低（约 0.04wt%），在>350°C 的温度下，当Fe扩散到Al 变得显著时，Fe-Al 金属间化合物开始沉淀。远低于铝的熔点（纯铝为 660°C）时可能会发生大量金属间化合物沉淀。金属间化合物析出的确切程度由扩散驱动，并取决于相互作用的Fe和Al界面的时间和温度。
使用激光在钢和铝之间进行钎焊焊接是合乎逻辑的，因为激光在小区域产生的高强度热量意味着可以在局部产生稳定的钎焊环境，并快速移动以构建接头以最短的扩散时间驱动过多的金属间化合物形成。 Fe-Al相图显示了可以形成的硬金属间相的范围，即Fe3Al (892HV)、FeAl (470HV)、FeAl2 (1060HV)、Fe2Al5 (1013HV) 和 FeAl3 (892HV)。这些相的特点是硬度极高，延展性接近零，断裂韧性极差。因此，如果钢和铝之间的热加工接头必须包含这些相中的部分或全部，那么金属间化合物层的厚度应尽可能薄，以便在接头中实现良好的机械性能。必须采用某些方法用于电弧焊钢和铝，目的是避免金属间化合物的形成。第一种是在钢材上使用铝涂层。这可以通过将钢浸入熔融铝中（热浸镀铝）来实现。一旦涂层，铝就可以电弧焊到铝涂层上。必须注意防止电弧将涂层铝加热到过高的温度，否则可能会形成金属间化合物。 双金属过渡嵌件是熔焊时减少金属间化合物形成的另一种方法，嵌件由一部分铝和另一部分钢组成，通过轧制、爆炸焊接、摩擦焊接、闪光焊接或热压焊接结合在一起。然后将双金属过渡接头单独焊接到大块铝和钢上。通常，首先将大块铝焊接到过渡嵌件的铝部分，因为当大块钢电弧焊到过渡嵌件的钢半部分时，这会产生更大的散热器。
连接这些材料的主要目的是保持焊接温度尽可能低，并尽量减少焊缝暴露在高温下的时间。这就是为什么使用摩擦焊接（主要是旋转摩擦焊接）等工艺来生产铝合金和钢大部件之间的双金属过渡嵌件的原因。 旋转摩擦焊接是一种固态连接工艺，其工作原理是在压缩轴向力作用下使一个工件相对于另一个工件旋转。表面之间的摩擦产生热量，导致界面材料塑化。压缩力将塑化材料从界面上移开，促进冶金连接机制。通过不进入液态，摩擦焊在加工过程中保持凉爽得多。此外，摩擦焊接速度快，可防止焊缝长时间暴露在高温下。因此，摩擦焊在商业上用于连接一系列不同的材料，因为金属间化合物的形成显著减少。 尽管摩擦焊接有减少铝合金和钢之间金属间化合物形成的好处，但仍必须注意参数选择。通常，当将钢和不锈钢焊接到铝合金上时，会使用纯铝中间层，这会大大减少金属间化合物的形成。摩擦焊接钢和铝合金之间的金属间化合物是铁铝基化合物，因此，预计钢和纯铝之间也会形成脆性化合物，但事实并非如此。纯铝比铝合金软得多。这意味着使较软的纯铝流动并形成焊缝所需的温度远低于铝合金，较低的温度有助于减少脆性化合物的形成。
由于难以在这些材料之间产生牢固的焊缝，许多将铝合金与钢连接的商业应用涉及机械紧固件。使用机械紧固件时，根据具体应用，必须注意防止电偶腐蚀。电偶腐蚀优先发生在铝合金上。为防止这种情况，需要将铝合金与钢绝缘，这通常通过使用绝缘涂层或油漆来实现。 |
