船用铝钢焊接接头BC-MIG电弧增材制造工艺

文献概况与技术背景

本文发表于《焊接学报》2019年第12期，由哈尔滨工程大学苗玉刚等学者完成，研究采用BC-MIG（Balanced Current MIG，平衡电流熔化极气体保护焊）电弧增材制造工艺，在Q235镀锌钢板上增材制造铝合金层，形成铝/钢异种金属焊接接头。铝/钢异种金属连接是船舶制造中的典型难题，由于铝和钢的物理化学性质差异巨大（密度比约1:3，热膨胀系数差异约2倍，导热系数差异约5倍），传统焊接方法难以获得可靠的冶金结合。电弧增材制造（Arc Additive Manufacturing, AAM）作为一种新兴的快速成形技术，为异种金属连接提供了新的思路。

BC-MIG增材制造工艺要点

BC-MIG电弧增材制造的核心原理是利用平衡电流（即焊接电流和送丝速度同步控制）实现熔敷层的逐层堆积。与传统的激光增材制造相比，电弧增材制造设备成本较低、熔敷效率高，更适合大尺寸结构件的快速成形。

选择4043焊丝作为增材材料有其合理性：4043铝合金（Al-Si系）具有良好的铸造性能和流动性，适合逐层堆积；其含Si量约5%，凝固温度区间窄，热裂倾向小；同时4043与6061铝合金的化学成分相近，有利于后续T形接头的焊接连接。

界面微观组织分析

文献通过光学显微镜观察了铝/钢界面的微观组织，揭示了增材制造过程中温度梯度和冷却速率差异对组织演变的显著影响。

这种从柱状晶到等轴晶的组织演变规律，与传统的定向凝固理论一致。靠近钢基板一侧，由于钢的导热系数远高于铝合金（钢约50 W/(m·K)，铝约200 W/(m·K)，但钢的热容量更大），热量快速传导至钢基板，形成大的温度梯度，驱动柱状晶沿温度梯度反方向生长。随着增材层增厚，远离钢基板，温度梯度减小，冷却速率降低，组织逐渐转变为等轴晶。

硬度分布特征

文献通过显微硬度测试揭示了接头从钢母材到铝合金区域的硬度变化规律：沿着钢母材区域至界面中间层，再至铝合金区域，接头硬度先增加后减小至趋于平缓，在铝/钢界面结合层区域硬度达到最大值142 HV。

这一硬度分布特征值得深入分析。钢母材（Q235）的硬度通常在100～130 HV范围；铝合金（4043/6061）的硬度通常在50～90 HV范围。而界面结合层硬度达到142 HV，明显高于两侧材料。这一现象可能与以下因素有关：

第一，界面处可能形成了铝-铁金属间化合物（如FeAl、Fe2Al5等），这些金属间化合物硬度较高但脆性大。第二，界面处的快速冷却可能导致铝合金固溶体过饱和，形成亚稳态强化相。第三，增材制造过程中的多次热循环可能导致界面区域的加工硬化。

然而，高硬度往往伴随着低韧性，界面结合层的脆性金属间化合物可能是接头在服役中发生脆性断裂的薄弱环节。在实际船舶应用中，铝/钢接头承受交变载荷和海水腐蚀的双重作用，界面脆性是一个需要重点关注的失效风险。

镀锌层的影响与对策

文献中基板选用的是镀锌钢板，镀锌层对焊接质量的影响不容忽视。锌的熔点（420 ℃）远低于铝（660 ℃）和铁（1538 ℃），在焊接热循环中锌层会熔化甚至汽化，可能带来以下问题：

• 锌蒸气对焊接弧光的干扰，影响电弧稳定性；
• 锌氧化物夹杂物在焊缝中的形成，降低焊缝质量；
• 镀锌层汽化产生的气体可能导致气孔缺陷。

在实际生产中，建议在增材制造前对镀锌层进行打磨去除，或在增材工艺参数中考虑镀锌层的影响，适当提高保护气体流量以吹除锌蒸气。

工程实践价值与展望

BC-MIG电弧增材制造铝/钢接头在船舶制造中具有广阔的应用前景。船舶结构中大量存在铝-钢异种金属连接需求（如铝合金上层建筑与钢制船体的连接），传统方法多采用机械连接（螺栓、铆钉）或过渡板焊接，存在结构重量大、连接效率低等问题。电弧增材制造可以逐层构建铝合金层，实现铝与钢的冶金结合，有望显著减轻结构重量并提高连接效率。

然而，从实验室研究到工程应用仍有不少挑战需要解决：增材层与钢基板的界面结合强度需要进一步验证；金属间化合物层的厚度和脆性需要通过工艺优化加以控制；大尺寸增材件的尺寸精度和表面质量需要保证；增材制造过程的在线监测和质量控制体系需要建立。

学习心得

本文展示了电弧增材制造在异种金属连接领域的创新应用，其技术思路具有前瞻性和工程实用价值。对于从事船舶焊接技术的人员而言，BC-MIG增材制造提供了一种替代传统机械连接的新方案。文献中关于界面组织演变的分析，为理解增材制造过程中的凝固行为提供了有价值的参考。同时，界面硬度异常升高的现象提示我们，在增材制造异种金属接头时，必须关注界面金属间化合物的形成及其对接头韧性的影响，这是后续研究需要重点攻克的课题。