一种铝-钢放热焊接方法
【专利摘要】本发明公开了一种铝-钢放热焊接方法。通过将待焊铝块和钢块截面打磨干净，在铝块和钢块待焊截面的缝隙间紧贴铝块放置一块预先打磨好的钢片；将石墨坩埚底部通孔对准缝隙中心，将自蔓延焊剂放入石墨坩埚中，点燃自蔓延焊剂表面的引火粉，自蔓延焊剂发生反应产生的熔液从石墨坩埚底部的小孔流入铝块和钢块间的缝隙，钢片受热熔化，冷却至室温后即完成铝-钢的焊接。采用的自蔓延焊剂由含有质量百分数为22~28%的Al粉、62~68%的Fe2O3粉、4~7%的Si粉和3~6%的造渣剂组成。本发明操作简单、设备简易、反应稳定、安全可靠、原料广泛、成本低廉，所得的接头夹渣少，铝钢结合方式为冶金结合，质量好，极具工业推广价值。
【专利说明】一种铝-钢放热焊接方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于材料加工及制造【技术领域】，具体涉及一种铝-钢放热焊接方法。
【背景技术】
[0003]铝作为一种银白色的轻金属，具有优异的延展性，同时也是地壳中含量最多的金属元素，因而在航空、建筑、汽车等领域具有重要的发展前景。钢以其低廉的价格和可靠的性能，成为使用最多的材料之一，在建筑业、制造业和人们的生活中都是不可或缺的成分。结合铝和钢的优异性能以及应用前景，铝钢异种材料之间的焊接自然就成为一大热点。但是由于铝和钢的性能迥异，熔点相差很大，因此在实际的焊接当中面临着很大的技术挑战。
[0004]目前，在铝钢焊接中，传统的使用最多的方法是摩擦焊、爆炸焊以及钎焊。在这些焊接方法中，不可避免的面临着焊接的工艺比较复杂，焊接成本相对较高，能源消耗比重较大的问题。如专利92113206.9所述的一种氧-乙炔焊接铝钢的方法，虽然焊接速度快，操作相对简单，但是能源的消耗比较大。如专利200610152657.5提供一种铝钢异种金属的爆炸焊接方法，虽然可以实现高质量大面积的铝钢焊接，但是生产工艺相对比较复杂。如专利201010108154.4提供一种药芯焊丝气体保护焊的铝钢焊接方法，虽然得到的焊接接头强度高,但整体上焊接的成本还是相对较高。
[0005]其实，传统的铝钢焊接方式除了需要克服以上几个缺陷之外，还需要考虑所得到的焊接接头的结合性问题。由于铝和钢的热物理性能迥异，固溶度较低，在形成合金的同时容易形成金属间化合物，这就导致了铝钢焊接接头的性能下降问题，而且所形成的焊接接头是机械结合还是冶金结合这一问题上没有给以有力的实验说明。因此，为了提高铝钢焊接街头的强度，必须改善焊接工艺，专利200910072270.2中使用在钢表面预置一层铝的做法确实降低了界面化合物的生成量，在一定程度上提高了焊接的质量，但是该方法的焊接方式使用MIG焊接，在成本上并没有给以控制。专利201310367501.9中，利用热浸铝的方式在钢表面覆盖一层铝，实现铝钢自蔓延焊接的冶金结合，但是该方法使用的配方中SnO2和Cu2O的经济性不高，成本上没有给以控制。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是克服传统铝钢焊接方法的种种缺陷，提供一种设备简单、操作简便、成本低廉且实现铝-钢焊接接头冶金结合的铝钢焊接方法。
[0007]—种铝-钢放热焊接方法，包括以下步骤:
将待焊铝块和钢块截面打磨干净，在铝块和钢块待焊截面的缝隙间紧贴铝块放置一块预先打磨好的钢片；将石墨坩埚底部通孔对准缝隙中心，将焊剂放入石墨坩埚中，点燃焊剂表面的引火粉，焊剂发生自蔓延反应产生的熔液从石墨坩埚底部的小孔流入铝块和钢块间的缝隙，钢片受热熔化，冷却至室温后即完成铝-钢的焊接。[0008]所述的招块和钢块下面有石墨底座；招块和钢块与石墨樹祸之间有含通孔的石墨垫块；石墨坩埚底部通孔用金属片挡住。
[0009]所述的钢片，其厚度为3 mm。
[0010]所述的焊剂包括如下质量百分数的组分:22?28%的Al粉、62?68%的Fe2O3粉、4?7%的Si粉和3?6%的造渣剂。
[0011]所述的Al粉，其细度为200目。
[0012]所述的引火粉为火药或镁粉。
[0013]所述的造渣剂为CaF2、NaF或KF。
[0014]本发明采用铝和氧化铁的自蔓延高温合成反应，该反应产生大量的热量并且生成大量的铁液，铁液流入到焊接槽中，实现铝-钢的焊接，图1为本发明所使用的装置示意图。反应中使用的Fe2O3较之SnO2和Cu2O是一种廉价且高效的铝热焊剂。焊接结构中，在铝表面预置倒三角形薄钢块，作用主要是保护铝的焊接表面，由于铝和氧化铁的自蔓延高温合成反应的温度高达两千多度，接近铝的沸点，如此高温度的铁液直接与铝块相接触，导致铝块的脆化倾向严重而且容易引起铝块的直接烧毁，使得铝和钢不能正常结合，在铝表面预置薄钢块吸收了铁液的部分热量，使得铝表面的温度不至于过高，降低了铝块的脆化倾向，提高了铝与钢的结合性；倒三角形状设计符合铁液至上而下流到焊接槽中温度逐渐递减的热力学分布规律。加入Si粉的目的是增加铁液的流动性，实现渣液的良好分离；加入的CaF2、NaF或KF的作用主要是与反应生成的Al2O3形成疏松多孔且低密度的渣，在反应过程中吸收部分热量，使反应过程趋于稳定与平缓；紧贴铝块放置一块厚度为3_的倒三角形钢块。
[0015]本发明通过在铝表面预置薄钢块，使用自蔓延高温合成技术对铝钢进行焊接，利用反应所产生的热量，熔化填充金属，填充金属流入填充槽中，使铝和钢实现冶金结合，将铝钢异种金属焊接在一起。反应中使用的Fe2O3经济廉价，成本上得到了控制。本发明实验设备简单，成本低廉，所得铝-钢焊接接头为冶金结合接头。
[0016]本发明具有如下优点和有益效果:
1.本发明设计合理，结构简单。铝块一侧放置一厚度为3mm的倒三角形钢块，吸收了部分热量，减少了铝的脆化和烧损；倒三角形形状设计符合铁液流下温度逐渐下降的热力学规律。
[0017]2.本发明操作简单，设备简易。操作简单，所需步骤为称取粉末、混合粉末、填装粉末、点火反应。设备简易，所需设备主要是填装物料的石墨模具，无需其他大型设备。
[0018]3.本发明反应稳定，安全可靠。反应中加入了 CaF2使得整个反应过程趋于平稳，不会过于剧烈。加入Si使得反应生成的铁液流动性很好，不会停滞在渣中。
[0019]4.本发明原料广泛，成本低廉。反应所需的Al、Fe203、S1、CaF2都是实验室比较常见的原料，而且也非常容易获得，同时成本也相当低廉。
[0020]5.本发明焊接接头夹渣少，冶金结合，质量好。反应中加入的造渣剂，使得渣液很好的分离，提高了焊接接头的质量，并且实现了铝钢界面的冶金结合。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例1的装置示意图。
[0022]图2为本发明实施例1的铝钢焊接接头处的扫描电镜图。[0023]图3为本发明实施例1的铝钢焊接接头处的能谱图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。如无特殊说明，下述实施例中使用的化学品均为分析纯试剂。
[0025]实施例1
将截面面积相同的待焊铝块和钢块截面打磨干净，在铝块和钢块待焊接截面间紧贴铝块处放置预先打磨好的大小适中的钢片，钢片的截面形状为倒三角形，厚度为3 mm ;将铝块和钢块按照图1所示放置于石墨坩埚之下，且缝隙中心对准石墨坩埚底部的通孔；铝块和钢块下面有石墨底座，招块和钢块与石墨樹祸之间有含通孔的石墨塾块，石墨樹祸底部通孔用金属片挡住。将质量百分数分别为22%的Al粉(细度为200目)、68%的Fe2O3粉、7%的Si粉和3%的CaF2粉装于混粉器中，混合均匀形成焊剂，然后将焊剂放入石墨坩埚中，稍稍压实焊剂后，在焊剂表面撒上一层火药，用点火器点燃镁条引燃火药，焊剂发生自蔓延反应产生的熔液通过坩埚底部的小孔直接流入铝块和钢块间的缝隙，将钢片熔化，冷却至室温后即完成铝-钢的焊接。将焊好的铝-钢接头制样后，进行接头处的扫描电镜分析和能谱测试，扫描电镜分析结果如图2所示，从图2可以看出，焊接接头处母材和焊缝的结合性优良，没有明显的裂纹，焊缝处的夹渣相对较少。能谱测试结果如图3所示，由EDX相对积分强度的变化可以看出，母材与焊缝金属之间实现了良好的冶金结合。
[0026]实施例2
将截面面积相同的待焊铝块和钢块截面打磨干净，在铝块和钢块待焊接截面间紧贴铝块处放置预先打磨好的大小适中的钢片，钢片的截面形状为倒三角形，厚度为3 mm ;将铝块和钢块按照图1所示放置于石墨坩埚之下，且缝隙中心对准石墨坩埚底部的通孔；铝块和钢块下面有石墨底座，招块和钢块与石墨樹祸之间有含通孔的石墨塾块，石墨樹祸底部通孔用金属片挡住。将质量百分数分别为24%的Al粉(细度为200目)、66%的Fe2O3粉、6%的Si粉和4%的NaF粉装于混粉器中，混合均匀形成焊剂，然后将焊剂放入石墨坩埚中，稍稍压实焊剂后，在焊剂表面撒上一层镁粉，用点火器点燃镁条引燃镁粉，焊剂发生自蔓延反应产生的熔液通过坩埚底部的小孔直接流入铝块和钢块间的缝隙，将钢片，冷却至室温后即完成铝-钢的焊接。
[0027]实施例3
将截面面积相同的待焊铝块和钢块截面打磨干净，在铝块和钢块待焊接截面间紧贴铝块处放置预先打磨好的大小适中的钢片，钢片的截面形状为倒三角形，厚度为3 mm ;将铝块和钢块按照图1所示放置于石墨坩埚之下，且缝隙中心对准石墨坩埚底部的通孔；铝块和钢块下面有石墨底座，招块和钢块与石墨樹祸之间有含通孔的石墨塾块，石墨樹祸底部通孔用金属片挡住。将质量百分数分别为26%的Al粉(细度为200目)、64%的Fe2O3粉、5%的Si粉和5%的KF粉装于混粉器中，混合均匀形成焊剂，然后将焊剂放入石墨坩埚中，稍稍压实焊剂后，在焊剂表面撒上一层火药，用点火器点燃镁条引燃火药，焊剂发生自蔓延反应产生的熔液通过坩埚底部的小孔直接流入铝块和钢块间的缝隙，将钢片熔化，冷却至室温后即完成铝-钢的焊接。
[0028]实施例4 将截面面积相同的待焊铝块和钢块截面打磨干净，在铝块和钢块待焊接截面间紧贴铝块处放置预先打磨好的大小适中的钢片，钢片的截面形状为倒三角形，厚度为3 mm ;将铝块和钢块按照图1所示放置于石墨坩埚之下，且缝隙中心对准石墨坩埚底部的通孔；铝块和钢块下面有石墨底座，招块和钢块与石墨樹祸之间有含通孔的石墨塾块，石墨樹祸底部通孔用金属片挡住。将质量百分数分别为28%的Al粉(细度为200目)、62%的Fe2O3粉、4%的Si粉和6%的NaF粉装于混粉器中，混合均匀形成焊剂，然后将焊剂放入石墨坩埚中，稍稍压实焊剂后，在焊剂表面撒上一层火药，用点火器点燃镁条引燃火药，焊剂发生自蔓延反应产生的熔液通过坩埚底部的小孔直接流入铝块和钢块间的缝隙，将钢片熔化，冷却至室温后即完成铝-钢的焊接。
[0029]以上对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明比并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
【权利要求】
1.一种铝-钢放热焊接方法，其特征在于，包括以下步骤: 将待焊铝块和钢块截面打磨干净，在铝块和钢块待焊截面的缝隙间紧贴铝块放置一块预先打磨好的钢片；将石墨坩埚底部通孔对准缝隙中心，将焊剂放入石墨坩埚中，点燃焊剂表面的引火粉，焊剂发生自蔓延反应产生的熔液从石墨坩埚底部的小孔流入铝块和钢块间的缝隙，钢片受热熔化，冷却至室温后即完成铝-钢的焊接。
2.根据权利要求1所述的铝-钢放热焊接方法，其特征在于，铝块和钢块下面有石墨底座；铝块和钢块与石墨坩埚之间有含通孔的石墨垫块；石墨坩埚底部通孔用金属片挡住。
3.根据权利要求1所述的铝-钢放热焊接方法，其特征在于，所述的钢片，其厚度为3mmD
4.根据权利要求1所述的铝-钢放热焊接方法，其特征在于，所述的焊剂包括如下质量百分数的组分:22?28%的Al粉、62?68%的Fe2O3粉、4?7%的Si粉和3?6%的造渣剂。
5.根据权利要求4所述的铝-钢放热焊接方法，其特征在于，所述的Al粉，其细度为200目；所述的引火粉为火药或镁粉；所述的造渣剂为CaF2、NaF或KF。
【文档编号】B23K23/00GK103639589SQ201310707568
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】张国栋, 邱智华, 张晖 申请人:武汉大学