1 课题研究的背景

铝合金的密度是钢材密度的三分之一，但是强度与一般的低碳钢相当，具有良好的比强度，铝及铝合金耐腐蚀性强，无需进行防锈处理。因此，实际应用中可在承重部位用传统金属，其余部位采用铝合金保证轻量化。所以涉及到了铝和钢的异种材料焊接。目前铝/钢复合结构在航空航天、汽车、轮船等行业得到了广泛应用。

钢铝异种材料焊接存在大量问题^[1]。Fe和Al的物理参数、力学参数、晶格参数、组织结构差距较大，同时在密度、熔沸点、热导率、膨胀系数等物理参数也有很大的不同。热导率、膨胀系数的差异导致接头变形，使得焊接接头存在较大的焊接应力，导致裂纹的产生；熔焊连接时，铁与铝既可形成固溶体、金属间化合物，又可形成共晶。

由于铁在固态铝中的溶解度极小，室温下，铁几乎不溶于铝，所以含微量铁的铝合金在冷却过程中极易产生金属间化合物，随着含碳量的增加,相继出现、、和等中间相，其中的脆性最大，因此铝合金的力学性能和焊接性受铁含量的影响较大，铝合金中溶解的铁会降低材料强度和硬度，同时降低铝合金的塑性，使脆性增大，影响铝合金的焊接性，铝在铁中的溶解度相对较大含铝钢具有良好的抗氧化性，但含铝超过3% 时会增加钢材的脆性，从而影响其焊接性；焊接过程中母材铝容易形成难熔的氧化膜并进入熔池表面，高温将加速熔池表面氧化膜的累积，从而阻碍液态金属的结合，易使焊缝产生夹渣，降低力学性能；钢铝的熔点差异较大，熔焊时低熔点的铝会首先熔化，而钢仍然处于固态；铝和钢同时熔化时，由于密度差异，当钢完全熔化时，液态铝浮于钢液上，在冷却结晶后焊缝成分不均匀，容易产生成分偏析。

研究人员采用多种方法进行铝和钢的异种材料的焊接。如扩散焊^[2]、电阻焊^[3]、脉冲焊^[4]、摩擦焊^[5]等固相焊接方法，虽然这些方法焊接变形小，但是焊接效率低，加工柔性差、应用范围窄；采用钎焊，如炉中钎焊^[6]、真空钎焊^[7]、过渡层钎焊^[8]等钎焊方法，虽然焊接应力变形小，但是接头强度低，耐热性差；若采用TIG、MIG^[9-10]熔焊方法，则会出现焊缝夹杂、接头应力大。这些焊接方法中，熔焊接头力学性能好、成本低，因此较为实用。

针对上述问题，本课题采用激光作为热源来焊接铝和钢。激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小、可焊材料范围广，与其它焊接方法兼容性强等优点。在异种材料的焊接中，激光焊可有效地降低熔池内由于优先溶解与物理、化学性能差异引起的偏析等问题的发生；并且由于激光焊接的能量密度高，焊接过程中焊接速度快、加热时间短，可有效抑制金属间化合物的形核与生长^[11]。然而，钢铝异种激光焊接过程复杂，包含金属材料对激光的吸收、能量与动量的传递与转换、光致等离子体对激光的散射与吸收、熔池形成及演化、匙孔效应以及熔池凝固等物理过程^[12]，在这些物理程中所涉及的一些问题都将直接影响接头力学性能。虽然铝/钢激光焊件已经应用于汽车车身制造等方面，但上述问题仍大大影响了钢/铝复合接头进一步发展应用。

2 钢铝异种金属的焊接研究现状

目前钢/铝异种金属的焊接方法主要有压焊、钎焊、熔焊、熔-钎焊，下面就这几种方法介绍钢/铝异种金属焊接的发展历程及现状。

2.1铝/钢压焊

上个世纪五十年代起，国内外研究者发现冷压焊可以使接触面变形来达到破坏材料表面的氧化层，从而使钢铝的表面可靠结合。压焊可以使得材料增大接触面积，提高接头的强度，但是质量不容易控制，并且不能大量生产。