一种利用超薄铝钢复合过渡接头搭接焊的方法与流程

本发明涉及一种焊接方法，尤其是涉及一种利用超薄铝钢复合过渡接头搭接焊的方法。

背景技术：

金属材料提供的功能可以分为结构性、热膨胀性、热机械应力控制、磁性、耐腐蚀、连接等等，而不同金属材料组合的接头不断发展的需求是因为相对于两层或多层金属材料接头而言，一种金属材料只能提供一种化学、物理和力学特性，而且使用轻质金属材料直接复合在强度大的金属材料上可以节省相当大的重量。鉴于以上原因，高速船舶的发展需要铝-钢复合过渡接头来连接铝质上层建筑和钢质船体。由于对高速船体进一步轻量化的需求，出现了对总厚度为10mm左右的超薄铝-钢复合过渡接头的需求，其厚度远远低于CB/T1343-98《铝-钢过渡接头规范》要求的铝-钢复合过渡接头产品厚度不得小于22mm的要求，是国内外最轻薄的船用过渡接头。铝-钢复合过渡接头是由采用爆炸焊接方法制造的复合板，通过锯、刨、铣、水切割等冷加工方法加工成条形、板形、圆形或其他形状。铝-钢复合过渡接头是由铝合金、铝或钛、钢或不锈钢三种不同金属材料复合而成，其中铝或钛为中间层，由于铝和铁之间的溶解度很低，相互熔合时还会形成Fe_XAl_Y多种金属间脆化相，铝-钢复合过渡接头作为舰船铝上层建筑与钢质船体之间过渡连接接头应用时，这些金属间相在焊接应力的作用下，尤其是根据实际施焊要求在进行超薄铝-钢复合过渡接头之间的搭接连接（连接方式见图1）时极易出现铝和铁相互熔合的情况，极易造成铝-钢界面剥离。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决上述技术问题的在采用超薄铝-钢复合过渡接头进行搭接焊接过程中，由于超薄铝-钢复合过渡接头厚度极薄的特点，在采用现有方法进行焊接时容易造成超薄铝-钢复合过渡接头中铝-钢界面剥离的问题，提供一种利用超薄铝-钢复合过渡接头搭接焊的方法。

本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：

一种利用超薄铝钢复合过渡接头搭接焊的方法，包括如下步骤：

步骤一、根据设计要求确定待搭接的钢连接板、铝连接板和焊接位置，使用超薄铝-钢复合过渡接头，选定半自动熔化极气体保护焊的焊接方法，确定该焊接方法的焊接工艺参数；

步骤二、焊前对步骤一中确定待焊部位以及焊接部位两侧不小于50mm的范围内进行表面清理；

步骤三、根据步骤一中确定的焊接参数，采用平角焊和先焊铝后焊钢的方法进行焊接，采用先焊铝后焊钢一方面可以避免因去除钢侧氧化层、钢侧焊缝局部修整等过程中擦拭坡口时的残留物和打磨时残留的磨粒污染铝侧焊接区域，该类残留物会造成铝侧焊接时产生夹渣、气孔等缺陷；另一方面铝的导热系数约是铁的3倍，先焊铝时有利于铝-钢界面的散热，降低焊接过程中铝-钢界面的峰值温度，先焊铝后焊钢的方法为：先将铝连接板和超薄铝-钢复合过渡接头焊接在一起，焊接时控制二分之一至四分之三的电弧偏向铝连接板侧，再将钢连接板与超薄铝-钢复合过渡接头焊接在一起，焊接时控制二分之一至四分之三的电弧偏向钢连接板侧，钢连接板与超薄铝-钢复合过渡接头焊接在一起后，焊接完成，其中铝焊接时的保护气体采用惰性气体，钢焊接时的保护气体采用体积含量不低于50%的惰性气体与二氧化碳的混合气体；焊接过程中保持二分之一至四分之三的电弧偏向铝连接板和钢连接板侧，以避免超薄铝-钢复合过渡接头界面处产生铝、铁互熔现象；

所述的步骤一中是参照CB/T3953-2002《铝-钛-钢复合过渡接头焊接技术条件》要求进行焊接工艺试验，确定焊接工艺参数

所述的步骤二中采用不锈钢制钢丝刷配合丙酮溶液或者磨削加工中的任意一种方法对表面进行清理，清理后用擦拭布去除表面水分、灰尘、油污、氧化膜等杂质和附着物。

所述的步骤三中无法进行平角焊时，即为根据现场施工位置或条件限制无法进行平角焊，可以采用横焊、立焊或仰焊进行焊接，与平焊方式相比，采用横焊焊接和立焊焊接时的焊接速度提高1%~10%，采用仰焊焊接时的焊接速度提高5%~10%，避免液态熔敷金属溢出造成超薄铝-钢复合过渡接头界面处铝、铁互熔现象。

所述的步骤三中无法采用先焊铝后焊钢的方法进行焊接时，先采取措施保持铝侧焊接区域的清洁，以免铝侧焊接时产生夹渣、气孔等缺陷，再采用先焊钢后焊铝的方法进行焊接，即为：先将钢连接板和超薄铝-钢复合过渡接头焊接在一起，焊接时控制二分之一至四分之三的电弧偏向钢连接板侧，再将铝连接板与超薄铝-钢复合过渡接头焊接在一起，焊接时控制二分之一至四分之三的电弧偏向铝连接板侧。

所采取保持铝侧焊接区域清洁的措施为：在铝侧焊接区域表面涂防氧化涂料或在铝侧焊接区域加覆盖物中的任意一种。

所覆盖物为橡胶或者石棉布中的任意一种，也可以采用其他不会造成焊接区域污染的隔离用覆盖物品，这两种为常用材料。

所述的步骤三中所用的惰性气体为氩气。

本发明的有益效果是：本发明专利提出了先焊铝后焊钢的焊接方法，由于铝的导热系数约是铁的3倍，先焊铝时有利于铝-钢界面的散热，降低焊接过程中铝-钢界面的峰值温度，这样就保证了连续焊接，同时不会造成超薄铝-钢复合过渡接头的铝-钢界面剥离，并且在钢焊接时的保护气体采用至少50%体积的惰性气体和50%二氧化碳的混合气体，一般采用80%氩气+20%二氧化碳，大大降低了单一的二氧化碳气体保护焊时造成的飞溅现象，减少了焊后清理工作量，与纯氩气相比，又在一定程度上降低了生产成本；焊接过程中电弧偏向铝连接板和钢连接板侧，在保证设计要求的焊脚高度的前提下有效的避免了由于铝、铁互熔造成的焊缝脆化甚至开裂的现象，同时采用直角焊避免了液态熔敷金属溢出造成超薄铝-钢复合过渡接头界面处铝、铁互熔现象。

附图说明

图1为本发明中超薄铝钢复合过渡接头搭接形式示意图。

图2为本发明中超薄铝钢复合过渡接头焊接试板装配及测温位置示意图。

图3为本发明中图2的侧视图。

具体实施方式

一种利用超薄铝钢复合过渡接头搭接焊的方法，包括如下步骤：

步骤一、根据设计要求确定待搭接的钢连接板、铝连接板和焊接位置，使用超薄铝钢复合过渡接头，选定半自动熔化极气体保护焊的焊接方法，确定该焊接方法的焊接工艺参数；

步骤二、焊前对步骤一中确定待焊部位以及焊接部位两侧不小于50mm的范围内进行表面清理；

步骤三、根据步骤一中确定的焊接参数，采用平角焊和先焊铝后焊钢的方法进行焊接，采用先焊铝后焊钢一方面可以避免因去除钢侧氧化层、钢侧焊缝局部修整等过程中擦拭坡口时的残留物和打磨时残留的磨粒污染铝侧焊接区域，该类残留物会造成铝侧焊接时产生夹渣、气孔等缺陷；另一方面铝的导热系数约是铁的3倍，先焊铝时有利于铝-钢界面的散热，降低焊接过程中铝-钢界面的峰值温度，先焊铝后焊钢的方法为：先将铝连接板和超薄铝钢复合过渡接头焊接在一起，焊接时控制二分之一至四分之三的电弧偏向铝连接板侧，再将钢连接板与超薄铝-钢复合过渡接头焊接在一起，焊接时控制二分之一至四分之三的电弧偏向钢连接板侧，钢连接板与超薄铝-钢复合过渡接头焊接在一起后，焊接完成，其中铝焊接时的保护气体采用惰性气体，钢焊接时的保护气体采用体积含量不低于50%的惰性气体与二氧化碳的混合气体；焊接过程中保持二分之一至四分之三的电弧偏向铝连接板和钢连接板侧，以避免铝-钢复合过渡接头界面处铝、铁互熔现象；

所述的步骤一中是参照CB/T3953-2002《铝-钛-钢复合过渡接头焊接技术条件》要求进行焊接工艺试验，确定焊接工艺参数

所述的步骤二中采用不锈钢制钢丝刷配合丙酮溶液或者磨削加工中的任意一种方法对表面进行清理，清理后用擦拭布去除表面水分、灰尘、油污、氧化膜等杂质和附着物。

所述的步骤三中无法进行平角焊时，即为根据现场施工位置或条件限制无法进行平角焊，可以采用横焊、立焊或仰焊进行焊接，与平焊方式相比，采用横焊焊接和立焊焊接时的焊接速度提高1%~10%，采用仰焊焊接时的焊接速度提高5%~10%，避免液态熔敷金属溢出造成超薄铝-钢复合过渡接头界面处铝、铁互熔现象。

所述的步骤三中无法采用先焊铝后焊钢的方法进行焊接时，先采取措施保持铝侧焊接区域的清洁，以免铝侧焊接时产生夹渣、气孔等缺陷，再采用先焊钢后焊铝的方法进行焊接，即为：先将钢连接板和超薄铝-钢复合过渡接头焊接在一起，焊接时控制二分之一至四分之三的电弧偏向钢连接板侧，再将铝连接板与超薄铝钢复合过渡接头焊接在一起，焊接时控制二分之一至四分之三的电弧偏向铝连接板侧。

所采取保持铝侧焊接区域清洁的措施为：在铝侧焊接区域表面涂防氧化涂料或在铝侧焊接区域加覆盖物中的任意一种。

所覆盖物为橡胶或者石棉布中的任意一种，也可以采用其他不会造成焊接区域污染的隔离用覆盖物品，这两种为常用材料。

所述的步骤三中所用的惰性气体为氩气。

为验证本发明中的方法的可实施性以及检测焊接后产品的性能，采用如下实施例进行性能检测：

实施例1：

以厚度为5mm的船体结构钢CCSB为基层，以厚度为2mm的纯铝1060为中间层，以厚度为3mm的铝合金5083为复层采用爆炸焊接方法制造的超薄铝-钢复合过渡接头，锯取的超薄铝-钢复合过渡接头焊接工艺试验用试板尺寸为（5+2+3）×20×400mm，数量为2块。对焊接工艺试验用铝-钢过渡接头焊接试板铝-钢界面处钻测温孔，孔径为3~4mm。焊前对待焊部位及两侧50mm范围内分别采用不锈钢制钢丝刷和丙酮进行表面清理，去除水分、灰尘、油污、氧化膜等杂质和所有附着物。焊接过程中采用了先焊铝，后焊钢的焊接顺序。铝合金侧搭接焊时铝合金焊丝为ER5183，直径为Ф1.2mm，钢侧搭接焊时钢焊丝为H08Mn2SiA，直径为Ф1.2mm，参照CB/T3953-2002《铝-钛-钢过渡接头焊接技术条件》的要求先进行了超薄铝-钢复合过渡接头焊接工艺试验，焊接工艺参数见表1。焊后在试板的中间位置（虚线区域内）切取两个拉伸试样，测温位置和拉伸取样位如图2所示。

表1 超薄铝-钢复合过渡接头搭接工艺

拉伸试验采用600KN万能拉伸试验机进行试验，夹持铝连接板和钢连接板端头，对超薄铝-钢复合过渡接头焊接结构件进行拉伸性能检测，检测结果分别为334Mpa、323Mpa，两个拉伸试样的拉伸力均不低于船体结构件中按标准规定的铝合金5083最小抗拉强度所计算的较小拉力值。超薄铝-钢过渡接头焊接整体结构件经拉伸试验后，超薄铝-钢复合过渡接头的铝-钢界面完好，拉伸试样的断裂位置为铝连接板。

在焊接过程中测量铝-钢界面的峰值温度，保证焊接时铝-钢界面的温度严格控制在300℃以下。结合实际施工的便利性，铝合金之间的焊接采用了线能量较小的半自动熔化极气体保护焊的焊接方法，其中铝合金焊接时的保护气体为纯度为99.99%的氩气，钢焊接时的保护气体为80%氩气+20%二氧化碳，选用了相应的焊接设备。根据焊接工艺试验结果选定的焊接工艺进行了超薄铝-钢复合过渡接头搭接焊，焊接过程中三分之二的电弧偏向铝连接板和钢连接板侧，焊接过程中测量铝-钢界面的峰值温度为266℃。焊后分别对超薄铝-钢复合过渡接头试板焊缝及铝-钢界面进行了外观检查，焊缝成形良好，超薄铝-钢复合过渡接头界面无肉眼可见的剥离现象。

外观检查合格后分别对超薄铝-钢复合过渡接头搭接焊缝和铝-钢界面进行渗透检测，检测结果满足NB/T47013-2015 Ⅰ级要求。去除钢、铝连接板及其连接焊缝，分别切取超薄铝-钢复合过渡接头粘结试样3件，剪切试样3件，测量焊后超薄铝-钢复合过渡接头的界面结合强度，检测结果显示铝-钢界面粘结强度为151Mpa、168Mpa、133Mpa，平均值为150Mpa；铝-钢界面剪切强度为81Mpa、77Mpa、79Mpa，平均值为79Mpa。对超薄铝-钢过渡接头搭接接头经侵蚀后进行低倍形貌观察，无熔合不良现象。以上各项检测结果均满足CB20091-2012和CB/T3953-2002的指标要求。

实施例2

以厚度为5mm的船体结构钢CCSB为基层，以厚度为2mm的钛TA1为中间层，以厚度为3mm的铝合金5083为复层采用爆炸焊接方法制造的超薄铝-钢复合过渡接头，参照CB/T3953-2002《铝-钛-钢复合过渡接头焊接技术条件》要求，切取的超薄铝-钢复合过渡接头焊接工艺试验用试板尺寸为（5+2+5）×20×400mm，数量为5块。焊前对待焊部位及两侧50mm范围内采用不锈钢钢制钢丝刷和丙酮进行表面清理，去除水分、灰尘、油污、氧化膜等杂质和所有附着物。焊接过程中采用先焊铝，后焊钢的焊接顺序。超薄铝-钢复合过渡接头与连接板之间的焊接采用线能量较小的半自动熔化极气体保护焊的焊接方法，其中铝焊接时的保护气体为纯度为99.99%的氩气，钢焊接时的保护气体为80%氩气+20%二氧化碳，选用了相应的焊接设备。焊接工艺参数同实施例1。焊后分别对超薄铝-钢复合过渡接头试板焊缝及铝-钢界面进行了外观检查，焊缝成形良好，铝-钢复合过渡接头界面无肉眼可见的剥离现象。

外观检查合格后分别对超薄铝-钢复合过渡接头搭接焊缝和铝-钢界面进行渗透检测，检测结果满足NB/T47013-2015 Ⅰ级要求。

去除钢、铝连接板及其连接焊缝，分别切取超薄铝-钢复合过渡接头粘结试样3件，剪切试样3件，测量焊后的超薄铝-钢复合过渡接头的界面结合强度，检测结果显示铝-钢界面粘结强度为172Mpa、188Mpa、171Mpa，平均值为177Mpa；铝-钛界面剪切强度为88Mpa、88Mpa、81Mpa，平均值为85.7Mpa，钛-钢界面剪切强度为375Mpa、369Mpa、370Mpa，平均值为371.3Mpa。对超薄铝-钢过渡接头搭接接头经侵蚀后进行低倍形貌观察，无熔合不良现象。以上各项检测结果均满足CB20091-2012和CB/T3953-2002的指标要求。

本发明所列举的技术方案和实施方式并非是限制，与本发明所列举的技术方案和实施方式等同或者效果相同方案都在本发明所保护的范围内。