高辰愷， 楊瑾， 李鑄國， 趙一璇， 劉紅兵， 張雷

(1.上海交通大學，上海 200240；2.上海工程技術大學，上海 201620；3.江蘇焱鑫科技股份有限公司，江蘇 江陰 214426)

0 前言

據(jù)相關研究，汽車質量與汽車油耗及汽車二氧化碳排放量有著密切的關系[1]。每升燃油可行駛公里數(shù)隨著汽車質量的減小而提高；車輛的每公里二氧化碳排放量隨著汽車質量的提高而上升[2]。因此，汽車輕量化已成為目前汽車制造業(yè)提高燃油效率與減少二氧化碳排放的必然選擇，而輕量化的實施則是一項系統(tǒng)工程，往往通過以下幾種途徑進行優(yōu)勢互補：輕量化材料、結構設計優(yōu)化、制造技術更新和集成化設計。其中，輕量化材料的運用對汽車車身焊接提出了新的目標。

目前常見的輕量化材料有鋁合金、鎂合金、工程塑料及碳纖維等，其中，鋁合金因其比強度高、延展性好且耐腐蝕等優(yōu)異性能成為傳統(tǒng)燃油汽車中應用最為廣泛的輕量化材料。在奧迪2015款TT汽車白車身上，鋁合金被廣泛的應用于潰縮吸能區(qū)及非結構功能區(qū)以達成輕量化目的。相關研究表明，鋁制吸能盒相較于傳統(tǒng)鋼制吸能盒不僅減少了質量同時還提高了吸能特性[3]。此外，鋁合金還有良好的導熱性有利于電動汽車電池組的散熱，因此其也被應用于近幾年很熱門的電動汽車中。鋁合金的引入在達成輕量化目標的同時還確保了功能性與安全性，是目前汽車輕量化的重要發(fā)展趨勢。

鋁合金和鋼在綜合力學性能上有所差異，也因此能夠互補以實現(xiàn)最佳的效益。而為了確保兩者能夠取長補短，如何得到良好的鋁/鋼接頭成為了重中之重。由于鋁和鋼的物化性能差異較大，冶金反應極易生成硬而脆的金屬間化合物，這使得鋁/鋼的高品質連接面臨挑戰(zhàn)。鋁/鋼連接的方法主要有機械連接、膠結和焊接。文中綜述了鋁/鋼異種連接的研究緊張和面臨的難點。

1 鋁/鋼異種金屬焊接性

鋼作為一種被廣泛應用于工業(yè)的金屬材料，具有強度高，韌性好的特點，但單位質量較大；而鋁合金作為一種新興的輕量化材料具有比強度高、延展性好等特點。鋁合金和鋼的特性能夠很好地進行互補，因此這一組合也被廣泛應用在了汽車制造業(yè)，但是相較于同種金屬材料的焊接，鋁/鋼焊接性較差，主要存在以下幾個難點[4-5]。

鋁和鋼的物理性能差異大，焊接后容易導致鋁/鋼接頭性能不佳。表1所展示的是利用JmatPro7.0基于合金元素組分計算的Q235鋼與5052鋁合金在室溫(22 ℃)下的熱物理性能。①鋁鋼之間的密度相差較大，當2種金屬都熔化時往往會出現(xiàn)鋁浮在鋼上的現(xiàn)象，不利于均勻熔焊接頭的形成[6]；②鋁和鋼的液相線、固相線溫度相差較大，在一定溫度下往往是鋁熔化而鋼仍處于固態(tài)，一方面不利于熔焊接頭的形成，另一方面液態(tài)鋁對固態(tài)鋼的潤濕性不佳，也對接頭的形成產生很大影響；③鋁在高溫下易生成穩(wěn)定且熔點極高的氧化物Al2O3，它的生成不僅會阻礙金屬間的冶金連接，還容易誘發(fā)夾雜、氣孔等焊接缺陷的生成；④鋁和鋼的熱物理性能(導熱率、線膨脹系數(shù)、比熱容等)相差較大，在焊接這過程中存在大的溫度跨度會導致由不同金屬材料制成的部件發(fā)生不同程度的變形并存在較大的焊接殘余應力。由此導致的殘余應力需要進行后續(xù)熱處理或振動等手段來給予消除，不然可能會導致裂紋的生成，降低接頭可靠性。

表1 室溫下Q235鋼與5052鋁合金熱物性能參數(shù)

鋁/鋼冶金相容性差，易生成脆而硬的金屬間化合物(Intermetallic compounds, IMCs)。根據(jù)鐵-鋁二元相圖[7]，鐵/鋁在常溫下幾乎沒有溶解度；而當溫度升高到鐵/鋁的共晶溫度(625 ℃)時，鐵在鋁中的溶解度也只有0.53%。在高溫下鐵/鋁之間可以生成固溶體、共晶體和IMCs，但是在冷卻過程中，含有微量鐵的鋁合金會以IMCs的形式結晶析出，常見的有FeAl，F(xiàn)e3Al，F(xiàn)eAl7，F(xiàn)eAl2，F(xiàn)e2Al5和FeAl3等，其中Fe2Al5的脆性最大。IMCs中獨立滑移系少，變形能力差，位錯容易塞積，這導致了在宏觀上IMCs呈現(xiàn)硬而脆的物理特性。Chen等人[8]指出在鋁/鋼電阻點焊中當IMCs層較厚時，裂紋往往在鋁/鋼界面的IMCs層中萌發(fā)并擴展，最終導致鋁/鋼焊接接頭的失效(圖1)，且IMCs層厚度往往與接頭強度呈反比；另有文獻指出[9-10]，當界面的IMCs厚度小于10 μm時，可以有效減少其對于接頭的影響。

圖1 在鋁/鋼界面間金屬間化合物層中萌發(fā)的裂紋

鋁/鋼異種金屬間存在電位差，進而容易引起電化學腐蝕。鋼的電位要小于鋁合金的電位[11]。在空氣潮濕時，這一電位差的存在容易使鋁/鋼接頭兩側發(fā)生原電池反應，低電位的金屬因失去電子氧化而受到腐蝕，即鋁/鋼接頭的鋼側易發(fā)生局部銹蝕等電化學腐蝕現(xiàn)象。值得一提的是，焊接過程中所產生的微小氣孔或缺陷會加速這一電化學腐蝕過程。

為了解決鋁/鋼連接中存在的上述這些問題，目前工業(yè)界和學界在機械連接、膠接和焊接等方向上進行了深入探究，以期能夠避免這些問題的同時，得到穩(wěn)定且強度良好的鋁/鋼連接。

2 鋁/鋼異種金屬連接技術

2.1 機械連接

相較于傳統(tǒng)焊接方法，機械連接對于母材和接頭沒有主動的熱輸入，可以有效避免界面脆硬金屬間化合物形成并弱化接頭力學性能的問題。因此，機械連接作為一種有效的連接方式已廣泛應用于汽車制造業(yè)。其中，自沖鉚接和熱熔自攻絲是機械連接中強度較高且運用廣泛的2種類型；除此之外，還有拉鉚(Blind riveting)、無鉚釘連接(Clinch)、高速射釘鉚(ImpAcT)等。

2.1.1自沖鉚接

1978年，F(xiàn)uhrmeister提出通過半空心鉚釘完全穿透下層板形成機械自鎖來達成連接[12]，即現(xiàn)在常用的自沖鉚接(Self-piercing riveting, SPR)工藝的前身。隨后Cotterill等人對其進行改進，提出不穿透下層板的現(xiàn)代自沖鉚接工藝方法[13]。自沖鉚接技術不需要預沖孔，因此易于實現(xiàn)自動化、便于實際操作，在輕量化車身中具有較好的前景，已在奧迪TT、寶馬5系等車型上得到應用。其連接機理如圖2所示[14]：首先將被連接板材與特制的凹模及鉚釘槍進行同軸裝配，隨后利用沖頭將特制的半空心鉚釘打入被連接的板材中，隨后在凹模的反作用下鉚釘尾部被擴張進而在被連接板材的內部形成咬邊結構，實現(xiàn)板材間的機械連接。

圖2 自沖鉚接連接示意圖

由于自沖鉚接工藝需要針對連接材料及厚度的不同來進行相應調整，因此其沒有固定的規(guī)范，大都由相應廠商自行制定。對于此現(xiàn)象，金鑫等人[15]利用正交試驗的方法對其工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)鉚釘長度對自沖鉚接接頭質量的影響最大，其次是凹模寬度。值得注意的是，自沖鉚接工藝優(yōu)化不能單純以接頭抗剪強度作為評價標準，同時還應綜合考慮其幾何特征以避免鉚穿、間隙等缺陷的出現(xiàn)。

自沖鉚接工藝目前已被廣泛應用于中薄鋁板、普通鋼板及其混搭形式的連接，針對不同材料、不同厚度板材的組合往往會專門定制相應的鉚釘與工藝流程來優(yōu)化接頭質量。但隨著高強鋼被逐步應用于制造領域，其高強度也給自沖鉚接帶來了鉚釘開裂、高強鋼連接側變形不足等諸多問題。針對這一問題目前學界給出的方案有電致塑性自沖鉚接(Electroplastic SPR, EP-SPR)[16]、熱輔助自沖鉚接(Thermally assisted SPR, TA-SPR)[17-18]和自沖摩擦鉚接(Fiction SPR, F-SPR)[19]等SPR延伸工藝，其基本思路是通過額外對高強鋼施加熱量使其軟化進而實現(xiàn)SPR連接。

2.1.2熱熔自攻絲

不同于自沖鉚接工藝需要根據(jù)材料不同、板件厚度不同來選擇不同的釘/鉚搭接方式且需要預設足夠寬度的搭接邊，熱熔自攻絲(Flow drill screwdriving, FDS)作為一種新型的連接工藝，其實質是一種自攻螺絲，通過旋轉(生熱)→穿透→通孔→攻螺紋→擰螺紋→緊固這6個步驟實現(xiàn)在開預制孔或不開預制孔同種或異種板材之間的連接，是一種不可拆單面連接工藝，如圖3所示[20]。在其工藝流程中，緊固螺釘既做鉆孔工具也做緊固件，節(jié)約了時間成本也避免了傳統(tǒng)自沖鉚工藝的局限性。在熱熔自攻絲過程中，只需要保持螺釘與板件的單面接觸, 提高了空間利用率，同時也使得設計更為靈活。目前該連接技術已被應用于奧迪A8-D5和蔚來ES8等車型。

圖3 蔚來ES8電池模塊及典型FDS接頭截面示意圖

目前國內對FDS的研究主要集中在工藝參數(shù)接頭準靜態(tài)載荷的影響[21-22]。FDS的參數(shù)主要包括軸向下壓力、螺釘旋轉速度及擰緊扭矩。對于FDS接頭的質量評估一般分為2個方面：一方面是外觀檢測和剖面形狀檢測，主要指標有板間間隙、螺牙深度及螺釘頭部間隙；另一方面是破壞性檢驗，主要指標是破壞扭矩[21,23]。為了更好地對FDS連接過程進行詳細評估，國外學者建立了相應的有限元模型，評估熱熔自攻絲FDS過程中溫度場的變化規(guī)律[20,22]。此外，F(xiàn)DS作為一種新興的連接技術，在工業(yè)應用上依舊有些許難點有待解決：①受限于FDS連接原理，不可避免地要求被連接件背面留有空隙以避免與緊固螺釘釘頭部分發(fā)生干涉；②對于被連接件中的高強鋼等材料，F(xiàn)DS工藝難以實現(xiàn)主動的攻絲穿透，往往需要進行預制孔并進行預裝配。這對產品的設計與裝配都提出了更高的要求。

2.2 膠接

如前文所述，鋁/鋼異種金屬接頭由于母材之間存在電位差，容易導致接頭受到電化學腐蝕，進而使接頭失效。而膠接過程中存在于鋁鋼母材之間的結構膠從物理上阻斷了鋁和鋼之間的直接接觸，避免了原電池反應發(fā)生。該方法不僅實現(xiàn)了大面積的可靠連接，還可以提高接頭的抗震性能與密封性能。因此，膠結技術已廣泛地應用于各類汽車當中，包括凱迪拉克CT6、奧迪TT和捷豹XJ等。但是對于多元材料混雜的車身結構制造，膠接技術仍然面臨巨大挑戰(zhàn)[24]。車體在裝配后往往還需要經(jīng)過對車身表面的高溫烤漆，一般為在180漆下烘烤30 min以保證使其油漆固化。在這一過程中，由于鋁/鋼異種材料的熱膨脹系數(shù)差異較大，很可能導致結構件的膠接接頭產生嚴重變形甚至失效，影響車身的整體結構強度。

針對這一問題，往往在設計接頭時，盡可能避免接頭區(qū)域在高溫下發(fā)生大變形或者避免接頭位置承受溫度顯著變化。值得注意的是，近年來工業(yè)界往往將膠接與焊接及機械連接的方式相結合[25-26]，不僅避免了高溫下膠接接頭的失效還能夠有效抑制異種金屬接頭的電化學腐蝕問題，同時還能夠在一定程度上提升接頭強度。王健強等人[26]通過將結構膠加入到將要進行的熱熔自攻絲的板件之間，使其形成復合連接接頭。得益于結構膠的高抗剪性能強和熱熔自攻絲接頭高吸能性的協(xié)同作用，此復合接頭的抗剪強度為不添加結構膠熱熔自攻絲接頭的1.62倍。此外，發(fā)現(xiàn)在接頭失效過程中結構膠先行失效，隨后熱熔自攻絲接頭繼續(xù)承載至失效峰值，如圖4所示。

圖4 不同接頭剪切力-拉伸位移曲線

2.3 焊接

常用的鋁/鋼先進焊接方法主要包括激光熔釬焊、激光深熔焊、激光滾壓焊、攪拌摩擦焊和電阻點焊。重點闡述目前廣泛應用于汽車制造的電阻點焊方法相關的原理、技術難點及研究進展。

2.3.1鋁/鋼激光熔釬焊

在鋁/鋼異種金屬焊接中，由于鋁/鋼的液相線、固相線溫度相差較大，往往是熔點髙的鋼在焊接過程中始終保持固態(tài)，而熔點較低的鋁合金發(fā)生熔化，因此對于鋼一側是釬焊而鋁一側為熔焊，對于此類鋁/鋼異種金屬接頭被稱為熔釬焊。根據(jù)熱源的不同，可以分為電弧熔釬焊、激光熔釬焊、電子束熔釬焊及復合熱源熔釬焊等，其常見的裝配方式有搭接與對接。

Yang等人[27-31]在合金元素對鋁/鋼異種接頭組織性能的影響方面進行了系統(tǒng)深入研究:分別使用Al釬料、Al-Si釬料和Zn-Al釬料進行了鋁/鋼搭接激光焊接，并對比研究了合金元素對接頭的影響。使用Al釬料的接頭界面IMCs層厚度為12 μm，接頭拉伸載荷為727 N；使用Al-Si釬料的接頭界面IMCs層厚度為8 μm，接頭拉伸載荷為1 085 N；使用Zn-Al釬料的接頭界面IMCs層厚度為38 μm，接頭拉伸載荷為1 233 N。研究表明，Si元素能夠抑制界面處IMCs層的生長，而Zn元素可降低IMCs層的脆性，因此就結果而言，Si元素與Zn元素都可以強化接頭[27]。

針對Zn元素對接頭強化機理的問題，采用Zn-22Al作為填充金屬對DP980鋼/5754鋁合金搭接接頭進行了焊接。研究結果表明，界面通過Fe和Al元素的擴散作用、液態(tài)Zn沿Fe2Al5-xZnx基體晶界的滲透作用和隨后的化學反應和凝固，成功將FeZn10、富鋁非晶相和Zn固溶體等軟韌分散體引入硬脆的Fe2Al5-xZnx基體中，達成接頭界面IMCs層的增韌，如圖5所示。得益于分散體的強化作用，接頭在界面化合物層厚達20～45 μm時，接頭斷裂載荷依舊高達1 200 N[28]。

圖5 接頭界面反應層分散體增韌機理示意圖

探究了金屬表面鍍層對鋁/鋼異種金屬接頭組織性能的影響。通過使用電極沉積法在DP980鋼板上電鍍了45 μm±3 μm厚度的Ni層來探究Ni鍍層對鋁/鋼熔釬焊接頭的影響。不同于鋁/無鍍層鋼接頭在界面處生成的均勻的Fe2Al5和FeZn10反應層，在鋁/Ni鍍層鋼接頭的界面處形成了不均勻的反應層：激光直接照射區(qū)生成了Ni5Zn21，在熔合區(qū)根部生成了Al3Ni。Ni鍍層的存在從物理上隔離了Fe和Al，避免了其直接反應生成的脆性化合物，進而將接頭的斷裂載荷從743 N±65 N增加到932 N±92 N[29]。此外，Su等人[30]探究了激光功率對使用藥芯Zn-22Al焊絲的Q235鋼/5052鋁合金激光搭接熔焊接頭的影響。如圖6所示，接頭存在兩個熔合區(qū)：兩個熔合區(qū)都存在Fe2Al5-xZnx與FeZn10，但在熔合區(qū)2中額外發(fā)現(xiàn)了硬度與脆性都低得多的FeAl。熔合區(qū)的相組成不隨激光功率改變而改變，但界面相形貌有所變化。接頭的斷裂載荷隨激光功率的提高先上升后下降，且當激光功率小于2 800 W時，失效區(qū)域為熔合區(qū)1、熔合區(qū)2及熔合區(qū)1/鋼界面，但當激光功率大于3 kW時，失效區(qū)域為熔合區(qū)1內部，此改變主要歸因于界面相形貌的改變。

圖6 鋁/鋼激光填絲焊接頭雙熔合區(qū)示意圖

Yang等人[31]在不同功率的二極管激光下對DP980鋼/5754鋁合金搭接接頭進行了Al-Si釬料的熔釬焊。試驗表明，在1.4 kW的低激光功率下，熔合區(qū)/鋼界面處生成了均勻的θ-Fe(Al,Si)3與τ5-Al7.2Fe1.8Si，但釬料潤濕性差，接頭強度低；在2.6 kW的高激光功率下，釬料的潤濕性得到改善，但界面處額外生成了硬脆的η-Fe2(Al,Si)5，同時還產生了微裂紋，這導致接頭依舊脆弱；在2.0 kW的中等激光功率下，不僅釬料的潤濕性得到改善而且未生成硬脆的η-Fe2(Al,Si)5和微裂紋，接頭強度得到改善。研究表明在特定搭配下，激光功率窗口較窄，應當嚴格控制。

針對Zn元素含量影響規(guī)律等問題，Tan等人[32]使用了3種不同的Zn基釬料(Zn-2Al，Zn-15Al和 Zn-22Al)開展了鋁/鋼熔釬焊的研究。研究發(fā)現(xiàn)存在2種主要的IMCs，η-Fe2Al5Zn0.4及δ-FeZn10，前者會隨著釬料中鋁組分的增加而增厚。在由3種不同釬料所焊接的接頭中，表現(xiàn)最好的是使用Zn-22Al釬料的接頭，這是由于分散在η-Fe2Al5Zn0.4中的δ-FeZn10與鄰近鋼側的δ-FeZn10消失的綜合作用。

激光熱源得益于其高度的可控穩(wěn)定性及空間分辨率，已被廣泛應用于鋁/鋼熔釬焊，但關于激光點焊相關的研究較少。Pardal等人[33]提出了一種使用大離焦量激光以熱導焊形式實現(xiàn)大面積小熔深鋁/鋼激光點焊接頭的方法。激光先照射在1 mm無鍍層DC04鋼表面，通過熱傳導的方式傳遞到1 mm厚6111-T4鋼板上，使界面處鋁發(fā)生融化并對鋼母材進行潤濕鋪展，形成大面積小熔深的點焊接頭。在使用銅墊板的情況下，接頭界面處形成了10 μm厚的Fe2Al5/FeAl3雙層IMCs層，接頭最大強度達到了鋁合金剪切強度的68%。在后續(xù)研究中，Pardal等人[34]通過預先在熔核界面的鋼板表面進行微觀圖樣(約30～70 μm)的激光加工，進一步將激光點焊接頭的強度提高了25%。接頭強度的提升得益于焊接面積的增大及熔核質量和均勻性的提升。

冷金屬過渡焊(Cold metal transfer，CMT)作為伏能士(Fronius)公司研發(fā)的一種先進電弧焊技術。相較于傳統(tǒng)的電弧焊接，CMT通過電信號檢測熔池處熔滴的過渡狀態(tài)，在熔滴與熔池接觸時能夠主動將電流降低到幾乎為零并回抽焊絲，進而促成優(yōu)良的短路過渡。通過參數(shù)上的設置，CMT不僅能夠有效降低熱輸入同時還能提升焊接穩(wěn)定性、減少飛濺等。Cao等人[35]通過田口方法(Taguchi)和響應面法(Response surface methodology，RSM)對1 mm厚鋁合金/1 mm厚Q235鍍鋅鋼CMT熔釬焊進行了探究與參數(shù)優(yōu)化。研究表明通過CMT以實現(xiàn)鋁/鋼熔釬焊是可行，且在所有參數(shù)中焊絲對于接頭強度的影響是最大的。CMT鋁/鋼熔釬焊接頭的強度主要受鋁/鋼界面的脆硬IMCs層及鋁側軟化的熱影響區(qū)制衡。通過優(yōu)化CMT參數(shù)以減小熱輸入能夠有效抑制IMCs層及鋁側熱影響區(qū)的生成進而提高接頭強度。在優(yōu)參數(shù)下，6061-T6/Q235鍍鋅鋼的CMT熔釬焊接頭與6061-T6搭接CMT接頭相當。此外，與單獨的電弧或者激光熱源相比，應用復合熱源可以顯著改善接頭的力學性能。Zhang等人[36]引入了一種使用TIG電弧輔助加熱鋼側以更好實現(xiàn)鋁/鋼異種金屬MIG焊的新工藝。在MIG焊接過程中，鋼較低的導熱系數(shù)會導致鋼表面溫度梯度急劇變化，而輔助TIG電弧可以改善這種現(xiàn)象。同時這也改善了熔融鋁合金在鋼上的潤濕性，進而形成了牢固的釬焊接頭。同時其增加了IMCs層中Cr和Ni的含量，提高了IMCs層的質量與微觀結構，有益于接頭性能。此工藝下的接頭的平均抗拉強度(146.7 MPa)高于傳統(tǒng)的MIG接頭的平均抗拉強度(96.7 MPa)。Ye等人[37]在對3 mm厚AA5052鋁合金與Q235低碳鋼的無坡口對接焊中引入了MIG-TIG雙面電弧釬焊(Double-sided arc welding-brazing, DSAWB)。相較于傳統(tǒng)MIG焊接，DSAWB在熱輸入更低的情況下，得到了良好的背面形貌。得益于更低的熱輸入，接頭界面處存在IMCs(Fe2Al5和FeAl3)中Fe2Al5(主要構成)的最大厚度減小到2.03 μm。得益于以上2點，DSAWB接頭的平均抗拉強度是傳統(tǒng)MIG接頭的2.5倍，達到148.1 MPa。此外，對于激光輔助電弧鋁/鋼熔釬焊，雖然具體的機制上存在分歧，但文獻普遍指出輔助激光能夠有效提升焊接效率與電弧穩(wěn)定性，增加焊縫鋪展面積并改善焊縫外觀[38-40]。

2.3.2鋁/鋼激光深熔焊

對于異種金屬焊接，激光與電子束等高能束也往往被用作熱源來進行熔化焊。在這一焊接過程中，根據(jù)是否有“小孔”(keyhole)形成，將其分為熱導焊及深熔焊兩種方式。如圖7所示[41]，由于深熔焊相較于熱導焊具有熔深大、焊接速度快及焊接效率高等特點，且不存在激光熔釬焊的界面潤濕、鋪展困難問題，其對于鋁/鋼異種金屬焊接具有良好的適應性。

圖7 激光深熔焊原理示意圖

相較于需要進行真空保護的電子束深熔焊，激光深熔焊能夠在保護氣下進行，節(jié)約成本并便于流水線應用。因此，目前對于鋁/鋼深熔焊的研究主要集中于鋁/鋼激光深熔焊。馬柯等人[42]針對上鋼下鋁形式的201不銹鋼/5052鋁合金搭接接頭進行了激光深熔焊，并對界面IMCs進行了分析：界面存在2層IMCs，分別為靠近鋼側的FeAl和靠近鋁側的FeAl3。同時指出熔深隨焊接能量增加而加深的同時，會促成界面微裂紋的產生及界面IMCs的生成，反而降低接頭強度。在此基礎之上，陳樹海等人[43]進一步研究了添加鎳箔中間層對于鋁/鋼深熔焊的影響。試驗表明無中間層接頭的載荷峰值隨接頭熔深呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，工藝區(qū)間較窄。而在添加了鎳箔中間層后，在焊縫的形貌得到了改善的同時，整體提升了接頭的載荷峰值，擴寬了參數(shù)工藝區(qū)間。

2.3.3鋁/鋼激光滾壓焊

激光滾壓焊是一種將激光焊與滾壓焊兩種焊接方法結合起來的一種焊接方式，首先通過激光將材料加熱，隨后利用滾壓的壓力，將兩個材料結合在一起，如圖8所示[44]。對于異種金屬的焊接，一般將激光照射在熔點較高的母材一側，使高熔點母材在激光照射下發(fā)生升溫，并在熱傳導的作用下將低熔點的母材熔化，使結合界面發(fā)生液-固冶金反應，這種連接機理有益于抑制界面反應層的生成，因此激光滾壓焊對異種金屬焊接有獨到的適應性[45]。

圖8 鋁/鋼激光滾壓焊示意圖

Ozaki等人[44]利用激光滾壓焊來焊接GI鍍鋅鋼與A6000系鋁合金。研究結果表明，鋁/鋼界面處形成了IMCs(Fe2Al5和FeAl3)，且IMCs層的厚度受焊接速度與壓輥壓力的影響較大；通過調節(jié)上述2個參數(shù)可以實現(xiàn)接頭拉伸載荷的顯著提高。此外，IMCs層的厚度隨著焊接速度的增加而減小；而當壓輥壓力從150 MPa下降到100 MPa時，IMCs層厚度也有所減小。當IMCs厚度小于10 μm時，接頭的剪切載荷峰值為3 000 N，失效位置在母材區(qū)域。

2.3.4鋁/鋼攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊接作為一種固相焊接技術，主要通過攪拌頭與工件發(fā)生攪拌作用，接頭處金屬受到剪切力及較大的熱作用進而發(fā)生了熱塑性變形，通過高溫金屬的塑性流變實現(xiàn)連接，能夠有效避免氣孔、夾雜等常見焊接缺陷。由于在攪拌摩擦焊接過程中，金屬溫度尚未達到熔點，所以IMCs的生成也被較大程度的抑制。因此，攪拌摩擦焊對于焊接性不佳的異種金屬，如鋁和鋼、鋁和銅等，有著先天性的優(yōu)勢。一般而言，除攪拌頭形狀外，攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)有攪拌速度，焊接行進速度及攪拌頭下扎深度。目前，攪拌摩擦焊已被廣泛的應用于航天、航空、船舶等領域，但是由于攪拌摩擦焊設備體積較大且接頭形式有一定局限性，攪拌摩擦焊尚未在傳統(tǒng)汽車制造領域得到廣泛運用。2019上海國際汽車制造技術與裝備及材料展覽會(AMTS)上，一公司展出了使用攪拌摩擦焊工藝的新能源車電控盒(圖9)，一定程度上反應了攪拌摩擦焊在未來的汽車制造中具有應用前景。

圖9 攪拌摩擦焊制備的新能源車電控盒

攪拌摩擦點焊(Friction stir spot welding, FSSW)作為攪拌摩擦焊中的異種重要連接技術，已在少量車型中得到應用。馬自達將其應用于Roadster車型鋁合金發(fā)動機艙蓋與鋼制結構件的連接[45]。然而，由于攪拌摩擦焊原理的限制，在攪拌摩擦焊焊縫的終止處會有一個與攪拌針形狀一致的工藝匙孔，匙孔易導致應力集中并削弱接頭力學性能。針對這個問題，德國 GKSS 研究中心在攪拌摩擦焊的基礎上開發(fā)了一種新的固相連接技術回填式攪拌摩擦點焊(Refilled friction stir spot welding, RFSSW)[46]?；靥钍綌嚢枘Σ咙c焊在攪拌摩擦焊的基礎上使用了可回抽的攪拌針：首先，軸肩下扎，攪拌針回抽，軸肩高速旋轉使金屬發(fā)生熱塑變形，壓緊環(huán)防止金屬溢出；隨后攪拌針下扎，套筒回抽，由于接頭金屬仍處于熱塑狀態(tài)，接頭被抹平；最后停止旋轉，金屬凝固，完成焊接，如圖10所示。通過RFSSW得到的點焊接頭力學性能更優(yōu)于RSW接頭且同樣適用于鋁/鋼焊接[47]。

圖10 回填式攪拌摩擦點焊示意圖

2.3.5鋁/鋼電阻點焊

電阻點焊(Resistance spot welding,RSW)因其具有焊接效率高、成本低、易于自動化的特點，適用于汽車等高自動化的工業(yè)流水線，是目前在汽車制造領域使用最為廣泛的電阻焊方法。

RSW更多用于同種或相似材料的焊接，如鋼/鋼點焊及鋁/鋁點焊，對于鋁/鋼異種材料的焊接應用較少，更多的尚在研究階段。這是由于鋁/鋼RSW存在3大難點：①鋁合金表面在空氣下極易生成氧化層，且氧化層電阻值極大不利于形成良好的RSW接頭；②鋁/鋼界面處由于冶金性差所生成的脆性IMCs層；③鋁與鋼之間電阻值差值極大不利于形核。如圖11所示，在鋼/鋼RSW中，焦耳熱主要產生于鋼板內部，輔以電極的散熱作用及工件間接觸電阻的產熱，能夠在中心處形核；在鋁/鋁RSW中，由于鋁合金電阻值低，接觸電阻產生的焦耳熱成為了主要產熱，但由于鋁板/鋁板間的接觸電阻大于鋁板/電極間的接觸電阻且電極具有散熱作用，其熔核依舊生成在中心位置；但對于鋁/鋼RSW過程中焦耳熱主要生成于鋼板內部及板材連接處，這也就導致了熱量分布的極度不平衡，易導致熔核偏移、界面處縮孔等問題[48]。針對上述3個難點，國內外有諸多學者開展了相應研究并總結了一系列相應的對應措施。

圖11 不同材料電阻點焊過程中焦耳熱生成分布示意圖

針對克服鋁合金表面氧化層的研究主要集中于對于RSW電極的優(yōu)化。Rippl[49]在RSW過程中使電極旋轉以破壞鋁合金表面的氧化物層并降低相應的接觸電阻來形成更好的RSW接頭。而通用汽車(GM)則設計了一系列具有多個環(huán)形突起的圓頂專利電極(Multi-ring domed electrode, MRD)及相應的電極修磨刀具用于鋁合金與異種金屬的RSW[50-53]，在不改變RSW焊槍結構的情況下，實現(xiàn)了擊穿鋁合金表面氧化物層并減小接觸電阻的目的。根據(jù)王艷俊等人[54]及Hu等人[55-56]的研究，通過使用GM專利MRD電極能夠有效提升RSW接頭的力學性能并且焊接過程的穩(wěn)定性得到了增強，同時相較于傳統(tǒng)電極，MRD電極的壽命更長。另外，Deng等人[56]針對GM專利MRD電極多環(huán)形突起的高度特征進行對比研究，試驗證明突起的高度對于電極的冷卻效果存在顯著影響，并會進而影響鋁/鋼RSW接頭在不同方向上力學性能，同時由于更高的電極突起對于焊點帶來了更好的散熱效果，鋁/鋼RSW接頭鋁側的減薄量也得到了抑制。花君鈺[57]則使用ANSYS APDL建立了鋁/鋼RSW的有限元模型來進行進一步分析，鋁側使用GM專利MRD電極，鋼側使用球面電極。模擬表明MRD電極最靠近中心處的2個環(huán)形突起在整個RSW過程中承擔了擊穿鋁合金表面氧化物層的主要作用，產生的塑性變形也最大；并由此建議提高外圍2個環(huán)形的高度或減小內側2個環(huán)形的高度以減小電極變形并增加其使用壽命。

除開GM的MRD電極，張敏等人[58]設計了球面環(huán)狀電極(Ring-spherical electrode, RSE)對鋁/鋼RSW進行了研究。試驗表明，RSE相較于傳統(tǒng)電極可增大熔核直徑、減少鋁側減薄量、抑制界面間IMCs層的生長(<2 μm)并增加RSW過程中產熱以平衡熱分布不均勻的現(xiàn)象，進而增強接頭強度(4.439 kN)。此外，Miyamoto等人[59]指出通過在鋼板表面施加鋅鍍層，可使熔化的鋅與鋁板表面的氧化層發(fā)生共晶反應進而去除氧化層。

針對鋁/鋼RSW過程中，其冶金相容性不良所導致鋁/鋼界面處易生成脆硬IMCs層這一問題。Wan等人[60]針對鋁/鋼RSW界面的IMCs層進行了表征，發(fā)現(xiàn)存在兩種不同類型的IMCs分布：第一類，鄰近鋼存在舌狀Fe2Al5而鄰近Al存在鋸齒狀FeAl3，位于界面中心區(qū)域；第二類，F(xiàn)eAl3和Al的混合IMCs，位于接頭界面的外圍。針對這一現(xiàn)象，通過有限元模擬并結合界面不同位置的溫度曲線進行了分析，發(fā)現(xiàn)第一類是由熔融鋁/固態(tài)鋼反應所形成的，而第二類是由固態(tài)鋁/固態(tài)鋼之間的擴散所主導的；并借助擴散理論計算了IMCs層理論厚度，與試驗結果吻合。Chen等人[8]發(fā)現(xiàn)在1.2 mm 6022-T4鋁合金/2 mm鋼RSW接頭中，IMCs層厚度是影響接頭斷裂模式的決定性因素，并進而影響到接頭的強度。只有當界面IMCs層厚度小于3 μm且無明顯缺陷時，接頭的失效形式為紐扣拉出失效，最大拉伸強度約為5.000 kN；否則會導致界面失效或者鋁側熱影響區(qū)失效，這2種失效形式均不利于接頭的力學性能(圖12)。因此如何對鋁/鋼RSW接頭界面處的IMCs生成進行抑制與調控及其重要。目前，抑制界面IMCs層的主要方法為在鋁/鋼之間添加中間層或給母材施加鍍層以改善鋁/鋼之間的冶金性能。

圖12 鋁/鋼RSW 3種不同失效形式及其促成因素示意圖

蘇雷[61]通過在6061-T6鋁合金/SUS301L不銹鋼RSW的鋁板界面?zhèn)韧诳撞⑻砑訂钨|元素粉末的方式，探究了合金元素對于RSW接頭的影響：研究表明Cu，Zn，Si，Ti，Ni粉末均能在一定程度上改善接頭的力學性能，相較于未添加合金元素粉末的接頭，拉伸載荷分別提高了45.7%(4.251 kN),48.8%(4.343 kN),19.7%(3.492 kN),27.6%(3.727 kN),64%(4.786 kN)；其中Cu，Si，Ni能抑制純Fe-Al系IMCs的生成并形成各自元素與Fe，Al組成的IMCs以改善接頭性能；Ti能夠細化界面區(qū)域的晶粒；Zn能夠改善熔融鋁對于固態(tài)鋼表面的潤濕性進而促進反應。張月瑩等人[62]使用50 μm和100 μm的純銅中間層來研究Cu對鋁/鋼RSW的影響，得到了相同的結論。

Ueno等人[63]提出將熱浸滲鋁硅鋼板應用于鋁/鋼RSW中，其中的Si元素可有效將界面處IMCs厚度控制在1 μm左右，進而得到良好的剪切強度及抗拉強度。王楠楠[64]在6061鋁合金/Q235鋼RSW的基礎上往兩板之間加入了Al86Si6Mg8和AlSi12薄帶來抑制界面IMCs的生成。根據(jù)試驗觀察，Al86Si6Mg8和AlSi12均能抑制IMCs的生成，其中AlSi12效果更好。直接RSW、施加Al86Si6Mg8中間層RSW、施加AlSi12中間層RSW的接頭拉伸載荷分別為4.5 kN,5.2 kN和4.75 kN，含中間層鋁/鋼RSW的拉伸強度得到了有效提升。但需要注意的是Si含量過高也會引起接頭抗剪力的下降。

除去傳統(tǒng)的合金、單質及釬料外，高熵合金(High entropy alloy, HEA)因其高熵效應能夠抑制IMCs的生成而被認為是焊接的一大新方向[65]。Azhari-Saray等人[66]將0.4～1 mm厚的HEA中間層(Al0.5FeCoCrNi)加入到6061-T6鋁合金/St-12碳鋼RSW接頭之間以研究HEA對于鋁/鋼RSW的影響。研究表明，通過HEA中間層的施加，HEA/鋼側呈現(xiàn)了良好的冶金連接，無IMCs產生；而在HEA/鋁側，雖然生成了一層復雜的IMCs層(元素包括Al，F(xiàn)e，Co，Cr，Ni)，但相較于Fe-Al系IMCs，添加HEA中間層的鋁/鋼RSW接頭的拉伸剪切強度得到了有效提升(約5.2 kN)。但值得注意的是，鋁側進一步生成了Al-HEA共晶相，這加劇了熱裂傾向。

針對由鋁/鋼之間電阻值巨大差異所導致的焦耳熱生成不平衡問題，目前的主要解決方案為在接頭的鋁板側或鋁/鋼雙側添加相應的工藝墊片(通常為鋼制)以達到增加產熱與平衡焦耳熱生成位置的目的。如圖13所示，Qiu等人[67]通過在鋁/鋼RSW的鋁側施加一個鋼制墊片以作為一個輔助產熱源來平衡焦耳熱分布不均勻的問題；在墊片的輔助下，鋁板熔化并在鋼板及墊片表面潤濕鋪展，形成了類似熔釬焊的點焊接頭。通過對界面IMCs的分析發(fā)現(xiàn)，IMCs層厚度呈現(xiàn)中間厚兩邊薄的分布，鄰近鋼為舌狀Fe2Al5，鄰近Al為鋸齒狀FeAl3，但未出現(xiàn)FeAl3和Al的混合物?；赪an等人[60]的分析可以認為，墊片的輔助產熱緩和了界面處的溫度梯度，避免了FeAl3和Al混合的針狀IMCs的產生。Satonaka等人[68]針對使用工藝墊片的鋁/鋼RSW的焊接參數(shù)進行了探究，發(fā)現(xiàn)由于墊片充當了輔助產熱源，因此可以在相對低的焊接電流(11 kA)下實現(xiàn)良好的鋁/鋼連接(拉伸載荷約6 kN)。

圖13 熱補償工藝墊片法鋁/鋼RSW示意圖

基于熱補償墊片法的原理，Che等人[69]基于Fronius的delta-spot新型電極帶電阻點焊機進行了相關研究。delta-spot點焊機在電極與母材之間增加了一層工藝帶以保護電極，提升接頭質量，并能夠充當熱補償法中的墊片增加熱輸入。相較于傳統(tǒng)的鋁/鋼RSW，鋁/鋼delta-spot RSW接頭的熔核直徑和拉伸載荷分別提升了35.45%和10.98%，同時壓痕率下降了56.25%，這得益于電極帶所帶來的額外熱輸入。另外Che等人指出，在保證熔核直徑最大化的情況下，為避免工藝帶與鋼母材的粘連，應在鋁側使用奧氏體不銹鋼工藝帶并在鋼側使用碳鋼工藝帶(圖14)。

圖14 Fronius delta-spot工藝帶鋁/鋼RSW示意圖

除去以上3類主要方法，還有學者將新的焊接技術與RSW相結合來對鋁/鋼連接問題進行研究：Lu等人[70]先通過固態(tài)超聲波點焊(Ultrasonic spot welding, USW)將一片薄的鋁片連接到鋼板上，再通過標準RSW將鋼板帶有鋁片側焊接到鋁板上，即超聲波復合電阻點焊(Ultrasonic + resistance spot welding, U+RSW)，如圖15a所示。對于1 mm 厚的 AA6061-T6鋁板與帶有0.4 mm厚的AA6061-T6鋁片的0.9 mm厚的 AISI 1008 鋼板的超聲波復合RSW接頭，其IMCs層小于1.5 μm，接頭強度高達3.2 kN且呈現(xiàn)紐扣拉出的失效形式。Zhang等人[71-72]通過使用Fronius CMT焊機的Pin模式先在母材上焊接一個凸點，隨后再進行標準RSW，即金屬凸點輔助電阻點焊(Metallic bump assisted resistance spot welding, MBaRSW)，如圖15b所示。研究表明MBaRSW不僅無需預先處理鋁板氧化層且能夠在一個較寬的工藝區(qū)間內能夠得到無缺陷、大熔核且IMCs較薄的鋁/鋼接頭，其力學性能相較于傳統(tǒng)RSW分別提高了27%(凸點在鋁側)和30%(凸點在鋼側)。

圖15 新技術輔助RSW示意圖

RSW是一個包含了電、熱、力、冶金等諸多耦合因素的復雜過程，且其焊接過程具有瞬時性、快速性和不可見性，因此對RSW接頭的檢驗方式一般為破壞性拉伸試驗。為了更好的對RSW過程中的熔核生長、焊接缺陷、接頭質量等進行監(jiān)控與研究，目前學界主要采用有3類方法：①直接監(jiān)控法，通過使用高速攝影機對1/2被焊件剖面進行攝影以研究熔核形成機理[73]；②間接參數(shù)檢測法，以聲發(fā)射傳感器、Rokovsky線圈等作為核心構建信號采集系統(tǒng)，通過對RSW過程中的動態(tài)電阻、聲發(fā)射信號等間接參數(shù)進行檢測，進而對熔核生長、缺陷情況，接頭質量進行分析[74-76]；③先進方法，使用神經(jīng)網(wǎng)絡等先進算法對焊點質量進行預測[77-78]。 通過以上方法雖然能夠較好地反映熔核質量與焊接缺陷。但是以上方法所得到的信息較為抽象不直觀，且隨著RSW過程中的各類損耗，相應的會產生誤差積累，不利于工業(yè)化。因此，為了能夠更好地對RSW過程進行分析，往往采用有限元模擬的方法來對RSW過程進行建模與數(shù)值仿真，得到其溫度場以便對其進行進一步的分析。常用的焊接模擬軟件有Ansys、非線性求解軟件Abaqus、基于Marc求解器開發(fā)的Simufact Welding、焊接專用軟件Sysweld及丹麥學者Zhang及其同事立足于工程研究與工業(yè)生產研制的專業(yè)RSW數(shù)值模擬軟件SORPAS[79]。

張鵬[80]針對雙相鋼RSW過程利用Ansys軟件分別建立了預壓模型、熱電模型及熱彈塑性模型以模擬RSW過程中的預壓、通電生熱及冷卻的過程。模擬反映的熔核及變形與試驗結果基本吻合，但由于是分步耦合模型，無法準確描述被焊件通電過程中生熱軟化現(xiàn)象與電極力的交互關系，僅適用于變形較小的鋼/鋼RSW，且分布耦合操作復雜不利于工業(yè)化。

王小樂[81]利用非線性模擬軟件Abaqus對不等厚DP590鋼/6061鋁合金RSW過程建立了熱-電-力全耦合模型，模擬得到的熔核直徑與實驗測量的相差9.2%，基本準確。然而，由于網(wǎng)格劃分較為稀疏，模擬得到的變形有所失真，使得相應的應力場意義有限。

Wan等人[82]利用Ansys建立了針對HDG LCS鋼/AA6022-T4 RSW的二維軸對稱模型，達成了熱-電-力雙向耦合。不僅考慮了材料隨溫度變化的熱物性能，還考慮了接觸電阻與接觸熱阻隨壓強及溫度的變化趨勢。網(wǎng)格在熔核處進行了加密，能夠很好地捕捉鋁/鋼界面處的變形細節(jié)，如圖16所示。文獻[60]研究是基于此模型得到的數(shù)據(jù)做了進一步的深入。此模型還考慮了銅電極對熱傳導的作用，花君鈺[57]在此模型的基礎上修改了電極形貌，用于MRD電極的機理分析與優(yōu)化。

圖16 鋁/鋼電阻點焊接頭金相剖面與模擬結果對比

3 結束語

在國家“雙碳”目標戰(zhàn)略的大背景下，先進制造技術的輕量化需求日益凸顯，而如何得到高品質的鋁/鋼連接成為其中的一大難點。目前，常用的連接方法有機械連接、膠接及焊接。雖然各類技術均能夠達成相關強度需求，但由于裝配要求繁復且成本較難控制。為此，電阻點焊依舊是目前汽車工業(yè)當中使用最為廣泛的方法。鋁/鋼電阻點焊的難點核心在于在鋁/鋼界面處形成的硬而脆的IMCs層，使界面處成為了接頭的薄弱點?，F(xiàn)有研究所采用的解決方法包括但不限于優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、在界面處增加中間層、增設電極帶或工藝墊片等。

針對鋁/鋼電阻點焊工藝的優(yōu)化都不可避免的會在一定程度上增加企業(yè)的生產成本和工藝的復雜性；同時，針對鋁/鋼電阻點焊的數(shù)值模擬雖然具有相當?shù)闹笇б饬x，但對企業(yè)的工程師提出了較高的模擬水準要求。以上種種都極大阻礙了目前學界新工藝在工業(yè)界的推廣與應用。因此，在此提出一些展望：針對鋁/鋼電阻點焊新工藝的研究，應當在考慮接頭質量的同時一并將其在工業(yè)上的生產成本及自動化難易程度納入在內，便于日后的工業(yè)實用化；對于鋁/鋼電阻點焊的數(shù)值模擬，應當在確保結果準確的同時進一步提升友善度，如：封裝成ACT組件(ANSYS)、子程序(Marc)等，方便企業(yè)工程師使用模擬結果來對生產工藝進行優(yōu)化。