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能夠與鋁合金牢固焊接的鋼板，車體多材料化的武器
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| 圖1：鋁合金與鍍鋁鋼板的點焊示例 新鋼板可以使用通常的鋼板點焊機，與鋁合金進行焊接。因為鋼板越厚，焊接電流越低，便于使用通常的點焊機。 |
在進行鋁合金之間的點焊時，向電極與鋁合金板的接觸點通電后，2枚鋁合金板之間的電阻會發(fā)熱。熱量使鋁合金的表面熔化，實現(xiàn)焊接。不過，鋁合金的電阻比鋼板小，所以電阻發(fā)熱量小，與鋼板之間的焊接相比，需要通入較大的電流才能焊接。電流一般要達到20kA以上，需要使用專用的點焊機。
與之相比，鋁合金與鋼板之間的點焊是使大電阻的鋼板發(fā)熱，利用熱量熔化鋁合金進行焊接。焊接電流值約為10kA，僅為鋁合金焊接的一半左右。與鋼板之間的點焊相比，電流值只增加約20％。因此可以使用鋼板點焊機。
如上所述，鋁合金與鋼板之間的點焊可以使用鋼板點焊機，但在鋁合金與鋼板的焊接面上，會生成硬而脆的鐵（Fe）-鋁金屬間化合物，焊接強度較低。要想提高焊接強度，需要盡可能減少金屬間化合物。一種方法是在點焊機上安裝逆變器電源，精密控制電流值，但需要對點焊機進行改造。
焊接強度提高到2倍以上
為此，神戶制鋼與日新制鋼合作，面向鋁合金焊接用途，對日新制鋼的鍍鋁鋼板“ALSTAR”進行了改進，成功遏制了焊接面上金屬間化合物的生成。這種方法不是改進點焊機，而是使鋼板變得適合與鋁合金進行焊接。鋼板與鋁合金之間的焊接比過去簡單，可以輕而易舉地制造出多材料結(jié)構(gòu)的車體。
日新制鋼的ALSTAR的用途，包括發(fā)動機艙內(nèi)的隔熱板、各種外殼、建材和家電產(chǎn)品等。使用鋼板點焊機對改良后的鍍鋁鋼板和鋁合金進行焊接，其焊接強度高于鋁合金與通常的軟鋼之間的點焊（圖2）。
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| 圖2：點焊部分強度的比較 在使用通常的點焊機焊接鋁合金和軟鋼時，拉伸剪切強度（TSS）與十字拉伸強度（CTS）都高于原有技術(shù)。CTS更是達到了過去的兩倍以上。 |
使用的點焊機為鋼板用單相交流式點焊機，預(yù)壓時間（從電極開始加壓到開始通電的時間）和通電時間分別為200ms，保持時間為400ms，電流值為13.5kA，焊接壓力為2.9kN。在這個條件下焊接厚度為1mm的鋁合金（6022合金）和鍍鋁鋼板，焊接部分的拉伸剪切強度（TSS）與十字拉伸強度（CTS）均高于同樣條件下焊接6022合金和軟鋼的數(shù)值。CTS為過去的2倍以上。而且鋼板越厚，焊接電流越小，可以簡單地使用通常的點焊機。
提高焊接強度的原理如下。改良后的鍍鋁鋼板經(jīng)過熔融電鍍處理后，在鋼板表面形成了Al-Si（硅）合金層。使用純鋁進行電鍍處理時，鋁與鋼板的焊接面會生成厚度為7～10μm的Fe-Al金屬間化合物。因此需要在電鍍層中添加重量比約為9％的硅，在電鍍層與鋼板的界面生成具有釬料作用的Fe-Al-Si合金層，使其厚度縮小到2～3μm。
防止再次生成金屬間化合物
而且，鋼板的含氮（N）量要增加到通常的約5倍（100ppm左右），經(jīng)過電鍍后的熱處理，在鋼板與Fe-Al-Si合金層的界面上，生成一層薄薄的鋁和氮的化合物（AlN）層。日新制鋼技術(shù)研究所表面處理研究部表面處理第一研究組組長服部保德介紹稱：“AlN層提高了焊接強度”（圖3）。具體來說，在點焊后未生成Fe-Al金屬間化合物的區(qū)域沿著焊接部分（焊核）的外周內(nèi)側(cè)，形成了一個環(huán)狀。這個環(huán)狀有助于提高強度。
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| 圖3：提高焊接強度的原理 在鍍鋁層的“Fe-Al-Si合金層”與鋼板的界面上，鋁與氮的微細(xì)化合物（AlN）沿環(huán)狀析出。AlN對焊接面上Fe-Al金屬間化合物的生成起到遏制作用，提高了焊接強度。 |
在焊核的中心，點焊時Fe-Al-Si合金層與鋼板的表面熔化，隨著鋼板與Fe-Al-Si合金層中的鋁和鐵Al向外擴散，生成了Fe-Al金屬間化合物。而在熔融溫度低于焊核中心的周邊部分，服部認(rèn)為：“鋼板與Fe-Al-Si合金層界面上的AlN層成為阻礙鋁和鐵擴散的屏障，遏制了Fe-Al金屬間化合物的生成”。
兩家公司認(rèn)為，改進后的鍍鋁鋼板可以應(yīng)用于大量使用鋁合金的多材料結(jié)構(gòu)的車體，例如：（1）鋁合金頂板與鋼制車頂縱梁的焊接；（2）鋁合金橫梁與鋼制框架的焊接；（3）鋁合金地板材料與鋼制車體的焊接等。兩家公司已經(jīng)將鍍鋁鋼板及其與鋁合金進行焊接的方法，推薦給了日本的多家汽車企業(yè)，將爭取在2020年之前投入實用。
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