前言

在運輸行業（航空航天、汽車…），減輕產品的自重是一項重要的任務，這可以通過選用不同特性的材料來實現，從而獲得兩種材料的綜合優點。鋁合金具有其耐腐蝕好、焊接性能好、重量輕等特點；鋼是工業應用中最廣泛的材料，因而研究這兩種材料的連接具有經濟價值。例如，許多汽車頂部結構採用鋁合金材料，底盤採用鋼材，這樣既可以減少汽車的重量，又可降低汽車的重心。然而目前，鋼與鋁的連接仍然大多數採用機械方式，如壓緊，鉚接。極少數也採用熱加工的連接方法如：摩擦焊、點焊、爆炸焊、電子束焊、激光+擠壓等，但這些工藝受太多條件的限制（如工件尺寸，接頭的形式、焊接位置等）

1 鋼與鋁焊接存在的問題

由於兩種材料有著不同的化學和物理性能，如熔點、熱膨脹係數 彈性模量等（見表-），因而通過熱加工的焊接工藝來焊接鋼與鋁時會面臨許多問題。

最大的問題是鋁與鋼易形成非常硬和脆的IMP相（intermetallic phases），並且焊接熱輸 入量越大，生成的IMP相就越多。這種脆性相嚴重破壞接頭的靜態和動態的強度，以及惡化接頭的塑性。

二元的AL-Fe相位圖

在圖中左邊可以看出鐵在固熔狀態下是可以熔解一部份鋁，但當鋁的含量超過12%時，晶體結構發生根本的改變，形成FeAL(β)，Fe3Al(β)混合物，這些混合物是非常硬(250-520HV)和脆的。如果鋁在鐵中的含量進一步提高，就會形成Fe2Al(ξ), Fe2Al5(η) 和FeAl3(θ)混合物，這些混合物硬度更高(600 – 1100 HV)，更脆。這種脆性物的產生是由於鐵在鋁中的擴散或是鋁在鐵中的擴散。當兩種不同材料電化學電位有差別時，就會發生分子擴散以彌補電位差，電位相差越大時（鐵和鋁的△E~1.22 V），擴散的趨勢就越大，如果兩種材料都是處於液態，則擴散就更容易。然而，當焊接接頭的IMP脆性相的厚度非常薄時(< 10 µm )，它的脆性特點就變成次要的，這時候工件的性能主要取決於母材延展性能。（舉例：玻璃 = 易脆的 Û纖維玻璃= 柔軟的）

另一主要問題腐蝕問題，由於兩種材料電化學電位差別較大，只要存在電位差，就會有電解發生（原理相當於電池），而鋁電位低，因而是負極，會隨著電解而腐蝕。

綜上所述，要實現鋼與鋁的焊接需要滿足兩個要求：

++接頭處的IMP相< 10 µm

++防止焊後母材的腐蝕

要實現這兩個要求，首先需要熱輸入量低的工藝，其次需採用特殊的焊絲或焊後對焊縫進行防腐蝕處理

2.

CMT是Cold Metal Transfer的縮寫，由於其熱輸入量比普通的GMAW焊要低得多，因而命名為Cold。

CMT冷金屬過渡技術是在短路過渡基礎上開發的，但同普通GMAW不同的是，送絲 不是一成不變的往前送，焊絲不僅有向前送絲的運動，而且還有往回抽的動作。其焊接過程是：電弧燃燒，焊絲往前送，直到形成熔滴短路，在這一刻，送絲速度倒轉過來，焊絲往回抽，這時電流和電壓幾乎都為零。當下一個開路形成後，電弧重新燃起，焊絲又住前送，熔滴過渡重新開始。這種送絲/回抽運動的平均頻率高達70Hz。

CM T技術實現了無電流狀態下的熔滴過渡。焊絲與工件短路時，電流即轉變為小的短路電流，送絲機停止送絲並自動回抽焊絲。這樣就減少了電弧輸入熱量的時間，短路時電弧熄滅，大幅降低熱輸入量。焊接過程就是在冷熱交替中循環往復;短路後焊絲的回抽運動促進了焊絲與熔滴的分離，通過對短路的控制，實現較小的短路電流，從而使熔滴過渡過程無飛濺。精確的熔滴過渡及分離控制保證了每個過渡週期內過渡到焊縫的填充金屬的量都是相等的。

同時具有穩定的電弧。傳統的GM A焊接方法，電弧的穩定性往往受到工件表面狀態及焊接速度的影響。但在CM T工藝中，系統會根據實際情況自動調節保持電弧長度不變，就是說不管工件的表面狀態如何或焊接速度有多快，電弧都能夠保持穩定。所以CM T工藝可以應用在任意的場合或任意的焊接位置

同普通的短路過渡相比有以下不同：

++ 普通短路過渡是通過大的短路電流形成斷橋來實現的，而CMT焊接是通過焊絲回抽的運動來促進熔滴過渡

++普通短路過渡短路電流大，而CMT過渡時短路電流幾乎為零，整個焊接過程就是高頻率的“熱-冷-熱”轉換的過程，因而大幅降低熱輸入量。

++ 普通短路過渡熔滴爆斷時產生大量飛濺，而CMT是焊絲回抽幫助熔滴脫落，焊接過程沒有任何飛濺

3.

實現這種連接的前提是鋼板必需要鍍鋅的，鋁材的厚度範圍是0.8-0.3mm，填充材料採用鋁硅材料，通過熔化鋁材和釺焊鋼表面的鋅形成焊縫接頭（見圖-左）

從圖-左圖中可以清楚看到，鋁這邊是熔焊上的，而鋼這邊是釺焊上的。 從圖-右，可以看到，IMP脆性相只有2.41µm。

在所有的實驗中IMP相的厚度都是低於10 µm，因而接頭的性能更多的是受母材性能的影響，而不是接頭中的IMP相，在強度測試過程斷裂處總是發生在鋁的熱影響區，有時甚至在鋁基體上。下表是種測試的強度平均值

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關鍵字: 鍍鋅板 科學 化學