本书汇总了作者十余年来开展的钢-铝异种金属焊接技术研究成果，相关科研项目均为作者带领研究团队独立完成。本书将异种金属的冶金特性与各种焊接技术的特点相结合，创新性地提出了多种钢-铝异种金属先进焊接技术，包括“钢上铝下”的双焦点激光熔化焊技术、基于镍过渡层的钢-铝异种金属激光-电弧复合熔钎焊技术、短纤维界面强化激光-电弧复合熔钎焊技术、摩擦塞-铆复合点焊技术及各种形式的钎焊、摩擦焊和冲击焊技术等，并详细介绍了每种技术的连接机理、特点，以及工艺参数对接头性能的影响。

序
前言
第1章绪论1
1.1钢-铝异种金属焊接的应用背景1
1.2钢-铝异种金属焊接的主要问题2
1.3钢-铝异种金属焊接的主要技术3
1.4钢-铝异种金属焊接的应用实例4
1.5钢-铝异种金属焊接的发展趋势与
展望6
第2章钢-铝异种金属界面冶金原理9
2.1钢-铝异种金属固/液界面反应研究
方法9
2.1.1焊后界面微观组织分析法9
2.1.2热浸蘸法9
2.1.3热物理模拟法10
2.1.4有限元数值模拟法11
2.2钢-铝异种金属固/液界面反应机理12
2.2.1界面微观组织结构12
2.2.2反应参数对界面微观组织的影响
规律16
2.2.3Fe2Al5/Fe界面形态转变机理22
2.2.4反应过程中固/液界面结构26
2.2.5金属间化合物生长机理27
2.2.6钢在液态铝中的溶解行为与
机理31
2.2.7金属间化合物生长模型36
2.2.8热循环条件下金属间化合物生长
预测41
2.2.9合金元素Si对界面反应的影响49
2.3钢-铝异种金属连接界面力学性能53
2.3.1连接界面抗拉强度53
2.3.2连接界面韧性55
2.3.3连接界面脆性层近域力学行为数值
模拟研究57
2.4本章小结61
参考文献62
第3章钢-铝异种金属激光深熔焊
技术64
3.1钢-铝异种金属激光深熔焊接头设计64
3.2钢-铝异种金属单焦点激光深熔焊
技术64
3.2.1试验材料、设备与方法64
3.2.2工艺参数对焊缝成形的影响65
3.2.3焊缝成形对力学性能的影响71
3.2.4接头组织及断裂行为74
3.2.5本节小结86
3.3钢-铝异种金属双焦点激光深熔焊
技术87
3.3.1试验材料、设备与方法87
3.3.2工艺参数对焊缝成形的影响89
3.3.3焊缝成形对力学性能的影响90
3.3.4接头组织及断裂行为92
3.3.5本节小结99
参考文献100
第4章钢-铝异种金属固相焊技术101
4.1钢-铝异种金属旋转摩擦焊技术101
4.1.1试验材料与方法102
4.1.2界面热-力行为调控机理研究103
4.1.3界面演变113
4.1.4界面反应层形成机理129
4.1.5本节小结132
4.2钢-铝异种金属搅拌摩擦焊技术132
4.2.1焊接方法简介132
4.2.2试验材料与方法133
4.2.3焊接工艺研究134
4.2.4本节小结145
4.3钢-铝异种金属电磁脉冲焊技术146
4.3.1焊接方法简介146
4.3.2试验材料与方法146
4.3.3焊接工艺研究147
4.3.4焊接接头微观结构与形成机理150
4.3.5本节小结156
4.4钢-铝异种金属箔片汽化冲击焊
技术156
4.4.1焊接方法简介156
4.4.2试验材料与方法157
4.4.3焊接接头界面形貌研究158
4.4.4焊接接头力学性能研究162
4.4.5焊接接头形成机理研究163
4.4.6本节小结164
参考文献165
第5章钢-铝异种金属钎焊技术166
5.1钢-铝异种金属钎焊材料166
5.1.1Sn-Zn系钎料167
5.1.2Al-Si系钎料170
5.1.3Zn-Al系钎料171
5.2钢-铝异种金属软钎焊技术172
5.2.1Sn-30Zn钎料高频感应钎焊钢-铝
异种金属172
5.2.2Sn-30Zn钎料激光钎焊钢-铝异种
金属179
5.2.3本节小结198
5.3钢-铝异种金属硬钎焊技术199
5.3.1Al-Si系钎料高频感应钎焊钢-铝
异种金属200
5.3.2Zn-Al系钎料高频感应钎焊钢-铝
异种金属211
5.3.3本节小结232
参考文献232
第6章钢-铝异种金属熔钎焊技术234
6.1钢-铝异种金属激光熔钎焊技术234
6.1.1钢-铝异种金属激光自熔钎焊234
6.1.2钢-铝异种金属对接激光填丝熔
钎焊242
6.1.3钢-铝异种金属气载钎剂式搭接
激光熔钎焊280
6.1.4本节小结292
6.2钢-铝异种金属激光-电弧复合熔钎焊
技术293
6.2.1工艺参数对焊接接头成形的
影响294
6.2.2焊接接头显微组织及力学性能296
6.2.3镀镍层对焊接接头成形及力学
性能的影响302
6.2.4镍-锌复合镀层对接头成形及力学
性能的影响304
6.2.5本节小结308
6.3镍过渡层钢-铝异种金属激光-电弧
复合熔钎焊技术309
6.3.1焊接接头显微组织及力学性能309
6.3.2镍过渡层对焊接接头性能影响
机制分析324
6.3.3本节小结329
6.4短纤维界面强化钢-铝异种金属
激光-电弧复合熔钎焊技术329
6.4.1激光增植短纤维过程及短纤维与
熔池相互作用行为330
6.4.2焊接接头显微组织及力学性能334
6.4.3短纤维状界面结构对金属间化合物
和接头强韧性的影响341
6.4.4本节小结343
6.5钢-铝异种金属激光熔钎焊数值
模拟344
6.5.1焊接温度场数值模拟344
6.5.2焊接应力、应变场数值模拟351
6.5.3本节小结366
参考文献366
第7章钢-铝异种金属新型点焊
技术368
7.1钢-铝异种金属回填式搅拌摩擦点焊
技术368
7.1.1焊接原理368
7.1.2焊接接头特征369
7.1.3宏观表面特征369
7.1.4连接模式370
7.1.5非嵌合连接模式接头力学性能370
7.1.6嵌合连接模式接头力学性能372
7.1.7接头断裂行为374
7.1.8本节小结374
7.2钢-铝异种金属摩擦塞-铆复合点焊
技术375
7.2.1焊接原理375
7.2.2焊接装备376
7.2.37075铝合金/Q235钢摩擦塞-铆
复合点焊工艺379
7.2.47075铝合金/DP980钢摩擦塞-铆
复合点焊工艺384
7.2.5本节小结392
7.3钢-铝异种金属电阻凸焊技术392
7.3.1电阻凸焊的热源392
7.3.2焊接原理393
7.3.3焊接接头微观组织特征393
7.3.4焊接参数对焊接接头微观组织的
影响396
7.3.5焊接参数对焊接接头力学性能的
影响397
7.3.6接头断裂行为399
7.3.7本节小结400
参考文献400

钢和铝作为两种广泛应用的金属材料，各自具有独特的性能优势。钢具备高强度、良好的可加工性以及较低的成本，在建筑、机械制造、汽车工业等众多领域占据着不可替代的地位；而铝及其合金则以低密度、高比强度、良好的耐蚀性和导热性等特点，在航空航天、交通运输、电子设备等行业备受青睐。
将钢与铝进行异种金属焊接，实现两者优势的结合，对满足现代工业对材料轻量化、高性能以及多功能的需求具有重大意义。例如，在汽车制造领域，采用钢-铝复合结构可有效减轻车身重量，从而降低燃油消耗和尾气排放，同时还能提升车辆的操控性和碰撞安全性。在航空航天领域，钢-铝焊接结构有助于减轻飞行器的自重，提高其飞行效率和承载能力。
然而，钢与铝的物理和化学性质存在显著差异，这给二者的焊接带来了诸多挑战。第一，钢与铝在焊接过程中会形成多种脆硬的 Fe-Al金属间化合物，这些化合物的存在会显著增加钢-铝界面的脆性，降低接头的整体力学性能。因此，抑制金属间化合物的形成是钢-铝异种金属焊接的关键难题。第二，铝的热膨胀系数要高于钢，在焊接过程中会产生极大的热应力，在热应力的作用下接头极易在界面脆性金属间化合物处发生开裂，使接头失效。第三，液态铝对固态钢的润湿性较差，采用钎焊类方法焊接时容易使接头成形质量不佳，焊缝成形的控制也是一个难题。此外，铝合金表面存在熔点极高且稳定的氧化膜，这不仅阻碍了铝与钢之间的冶金结合，还容易诱发夹杂、气孔等焊接缺陷，并且在钎焊过程中也难以去除。
尽管面临重重挑战，但国内外众多科研人员和工程技术人员一直致力于钢-铝异种金属焊接技术的研究与开发，并取得了一系列重要进展。目前，常用的钢-铝异种金属焊接方法包括激光焊、电弧焊、电阻点焊、搅拌摩擦焊、钎焊以及近年来新兴的电磁脉冲焊等。每种焊接方法都有其独特的工艺特点和适用范围，例如激光焊具有能量密度高、焊接速度快、热影响区小等优点，能够有效减少金属间化合物的生成；电弧焊设备成本低、操作灵活，在汽车、船舶等领域的钢-铝构件焊接中应用广泛；搅拌摩擦焊作为一种固相连接技术，避免了熔化焊过程中金属间化合物大量生成的问题，可获得性能良好的接头。同时，研究人员还通过优化焊接参数、添加中间层、施以外加能场等手段，来调控 Fe-Al 金属间化合物层的厚度和形态，提高接头的质量和性能。
本书作者团队十余年来长期专注于钢-铝异种金属焊接技术开发与界面冶金特性研究工作，从界面反应机理出发，广泛研究了钢-铝异种金属的激光深熔焊、熔钎焊、钎焊、搅拌摩擦焊、旋转摩擦焊、点焊和冲击焊等先进焊接技术的连接机理与工艺特性。本书注重理论与实践相结合，对各种钢-铝异种金属焊接技术的基本原理进行了深入研究，以帮助读者更好地理解和掌握钢-铝异种金属焊接技术，为从事钢-铝异种金属焊接技术研究与应用的科研人员、工程技术人员以及相关专业的学生提供全面而深入的参考资料。
需要指出的是，尽管钢-铝异种金属焊接技术已经取得了显著的进展，并且已经在某些领域获得了应用，但是接头的服役能力与可靠性仍亟待提升，实现大规模工业化应用亟需相关领域研究人员的共同努力。希望本书的出版能够为推动钢-铝异种金属焊接技术的发展与创新提供有益的借鉴，激发更多科研人员和工程技术人员投身于该领域的研究与实践，共同攻克技术难题，为现代工业的发展做出更大的贡献。
作者在此向本书撰写过程中承担了大量资料收集与整理工作的研究生们致以衷心感谢；同时，也向为本书撰写提供支持与帮助的各位专家、学者、同仁以及为本书出版付出辛勤努力的编辑与工作人员表示诚挚谢意；特别感谢国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国博士后科学基金等项目，对作者开展的钢-铝异种金属焊接领域相关研究的持续资助。