一种采用CMT技术制备钢铝异种金属搭接接头的方法与流程

本发明涉及电弧焊接金属领域，特别涉及一种采用CMT技术制备钢铝异种金属搭接接头的方法。

背景技术：

在能源缺乏和环境恶化日益严重的中国，如何减少运输工具的自身重量，提高其运载能力的同时减少化石能源的消耗，降低对环境的影响成为了汽车工业和航空工业关注的重点。以铝合金为代表的轻金属具有比强度高，耐腐蚀性好，自身密度低等优点，可部分替代钢铁来制备结构部件。但是在服役条件比较恶劣，需要承受较重且变化较大的动载荷，需要在温度较高或较低条件下工作的零部件依然需要由钢铁来制备，以保证其在使用过程中的安全性和可靠性，因此铝合金与钢铁的连接技术已成为目前研究的热点。钢在铝中的固溶度几乎为零，在钢铝界面处产生多种硬而脆的金属间化合物；钢与铝的热导率、线膨胀系数，熔点的巨大差距导致接头焊后变形严重，存有残余应力甚至热裂纹；而且在钢铝焊缝内容易形成的气孔和夹杂物。这些因素严重制约着钢铝接头的力学性能，是目前钢铝连接中的难点。

目前钢铝异种金属焊接的方法主要包括摩擦焊、激光焊和电弧焊。

摩擦焊得到的接头力学性能较好，但是接头的尺寸和形状会受到限制。激光焊和电弧焊应用范围广，但是这两种焊接的热输入量较大，会使钢铝界面产生一层较厚的脆性金属间化合物，影响接头力学性能。

采用冷金属过渡焊接技术(CMT技术)制备钢铝搭接接头可以有效降低焊接过程中的热输入量。

CMT技术的特点是当短路电流产生，数字化控制的CMT焊接系统会自动监控短路过渡的过程，反馈给送丝机，送丝机作出回应，迅速回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离，即冷金属过渡模式。在冷金属熔滴过渡时，电源将电流降至非常低，几乎为零；电弧自身输入热量的过程同样很短，短路发生，电弧熄灭，热输入量迅速地减少。整个焊接过程即在冷热交替中循环往复。这种低热输入的焊接模式可减小了钢铝界面处金属间化合物层的厚度；同时在焊接过程中使焊枪保持特定的姿态，能避免了根部裂纹的出现几率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种采用CMT技术制备钢铝异种金属搭接接头的方法，降低了焊缝与钢板界面处脆性金属间化合物层的厚度，同时抑制了钢铝搭接接头根部热裂纹的产生，制备出力学性能优异的钢铝异种金属搭接接头；而且，使熔滴过渡改变为冷金属过渡，减小焊接过程中热输入量的同时减少金属的飞溅，非常适合铝合金板与镀锌钢板的焊接。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种采用CMT技术制备钢铝异种金属搭接接头的方法，将铝合金板以搭接的方式置于镀锌钢板上，搭接量在5～20mm之间，并用夹具固定；使用CMT焊机，焊枪向铝合金板一侧倾斜，与垂直方向成1°～45°角，焊枪向前进方向倾斜5°～30°；焊枪距离镀锌钢板的垂直距离为10～20mm，焊接速度在0.4～1.0m/min。

优选的，使用福尼斯Frounius公司生产的CMT焊机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、CMT技术在冷金属熔滴过渡时，电源将电流降至非常低，几乎为零，热输入量也几乎为零，此时焊丝即停止前进并自动地回抽。在这种方式中，电弧自身输入热量的过程很短，短路发生，电弧即熄灭，热输入量迅速地减少。

现有的MIG焊接方法焊接钢铝异种金属的特点是热输入量较大，在钢铝界面生成的脆性金属间化合物Al₃Fe，Al₅Fe₂的厚度较大，对比图如图3、图4所示。这是由于钢铝界面处的金属间化合物的生长速度受钢铝原子在熔池中的扩散系数影响，而扩散系数是温度的增函数，取决于熔池的温度和焊接过程中的热输入量，金属间化合物Al₃Fe，Al₅Fe₂形成示意图如图5所示。

2、采用电弧焊制备钢铝异种金属搭接接头过程中，由于钢铝的线性膨胀系数和热导率等热力学参数存在较大差异，在焊缝和钢板的界面处，尤其是焊缝根部截面处存在应力集中，容易产生热裂纹。焊枪的角度对于抑制接头根部裂纹的产生非常重要。

当焊枪向铝板方向倾斜一定角度，使焊缝根部区域受热增加，冷却速度减慢，熔融金属有较多时间流动以填充此区域形成的微裂纹，并避免这些微裂纹的聚集和长大。不同姿态焊枪制备钢铝搭接接头横截面如图6、图7所示。

3、焊接速度对制备铝异种金属搭接接头中焊缝成形至关重要。在焊接过程中，熔融的铝合金焊丝滴落在镀锌钢板表面，在重力作用向铺展开来，将钢板和搭接在钢板表面的铝合金板连接起来形成焊缝。

当焊接速度较快时，熔融铝合金很快冷却，其在钢板表面的铺展受到限制，无法形成平直均一的焊缝。如图8所示。

而当焊接速度较慢，热输入量增加，导致金属间化合物层的厚度随之增加。如图9所示。

4、焊枪距离钢板的距离同样影响界面处金属间化合物层的厚度。焊枪高度过低，电弧的热量过多的施加在钢板上，加速了金属间化合物的生长；焊枪高度较高，则惰性气体对熔融铝合金的保护减弱，容易形成铝合金氧化物。

附图说明

图1为本发明CMT技术制备钢铝异种金属搭接接头示意图。

图2为本发明CMT技术制备钢铝异种金属搭接接头示意图。

图3为MIG制备钢铝异种金属搭接接头界面处金属间化合物层厚度的示意图。

图4为本发明CMT制备钢铝异种金属搭接接头界面处金属间化合物层厚度的示意图。

图5为本发明金属间化合物形成示意图。

图6为本发明焊枪向铝板倾斜制备的钢铝搭接接头横截面。

图7为垂直设置焊枪制备的钢铝搭接接头横截面。

图8为焊接速度过快时制备的钢铝搭接接头宏观视图。

图9为焊接速度适中时制备的钢铝搭接接头宏观视图。

图10为本发明CMT技术制备钢铝搭接接头的室温拉伸试验断裂位置。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参见图1、图2，本发明采用CMT技术制备钢铝异种金属搭接接头的方法，在焊接过程中镀锌钢板1固定在工作台上，将铝合金板2以搭接的方式置于镀锌钢板1上，搭接量L在5～20mm之间，并用夹具固定；使用CMT焊机，焊枪3向铝合金板2一侧倾斜，与垂直方向成β＝1°～45°，焊枪向前进方向倾斜α＝5°～30°；焊枪3距离镀锌钢板1的垂直距离为10～20mm，焊接速度在0.4～1.0m/min。

设置焊接电流、焊接电压、保护气流量等参数，在此之后以焊接速度在0.4～1.0m/min开始焊接，具体焊接参数表见表1。

采用本发明工艺制备的钢铝搭接接头强度较高，拉伸试验都断裂在母材上，如图10所示。

表1

备注：焊枪距镀锌钢板距离L，mm；焊枪向铝合金板侧倾斜角度β，°；焊接速度V，m/min。