《表2 钢与铝及铝合金的物理性能对比[33]》

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《汽车轻量化焊接技术发展现状与未来》

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目前，使用铝-钢结构代替传统钢结构仍然是实现轻量化最重要的研究方向，相比于镁合金、复合材料等应用前景更加广阔，而铝-钢结构的应用必然与铝-钢的可靠连接密切相关。焊接是汽车制造中最常用的连接方式，但是铝和钢之间热物理性质和化学性质相差较大，焊接之后难免存在接头性能较差的问题。由表2所示的两种材料的物理性能对比可以看出[33]，钢的熔点比铝的熔点高了约850℃，因此在焊接过程中铝会先于钢熔化，等到钢也熔化后，由于两者密度差距较大，熔化后的铝液将会浮在钢液之上，这样会导致焊缝成分不均匀[34]；而且铝及铝合金的线膨胀系数和热导率是钢的2～3倍，因此焊接接头处会形成较大的热应力，使焊缝变形，提高了裂纹倾向[35]。最重要的是，铝、钢在焊接时会形成一系列Fe-Al金属间化合物，且随着焊接温度的升高，IMC层的厚度也随之增加。Qiu等[36]指出，影响铝-钢焊接接头力学性能的主要因素就是连接界面处IMC的含量，一般来说当IMC的厚度超过10μm时会使接头的可靠性下降。哈尔滨焊接研究所的王旭友等[37]控制铝-钢焊接时的热输入，在界面处得到了不同厚度的IMC层，由图4可以看出IMC层的厚度并非越薄越好，当IMC厚度在1.5～4μm之间时接头的抗剪强度最好，这是因为适量的IMC层保证了Fe、Al原子的充分扩散，此时的焊接接头较为可靠。因此，解决铝-钢异种材料可靠连接的难题、寻找适合铝-钢连接的先进焊接工艺、控制焊接热量的输入和IMC的厚度，对铝-钢结构在汽车轻量化上的应用具有重要推动意义。