铝/钢异种金属冷金属过渡连接方法

专利名称：铝/钢异种金属冷金属过渡连接方法
技术领域：
本发明涉及的是异种金属的焊接连接技术方法。
背景技术：
由于!^-Al之间的晶体结构、物理及化学性能相差悬殊，造成铝钢的焊接性很差， 集中体现在(1)被焊接头容易氧化；( 焊缝成分不均勻；C3)焊接变形大且易产生较大的焊接应力；(4)焊接接头容易产生裂纹。最主要的是在钢与铝或铝合金的焊接过程中， 容易生成硬而脆的各种金属间化合物，这就增加了焊缝的脆性，降低了焊缝的塑性和韧性。 基于以上焊接特点，结合工程应用的实用性以及国内外研究现状，目前主要集中通过钎焊、 压力焊、扩散焊、电阻点焊、搅拌摩擦焊、等固相连接实现铝钢异种金属的连接。然而，采用一般的熔化焊接方法时，以上这些因素给两者之间的连接造成了困难， 特别是结合面金属间化合物厚度超过 ο μ m时性能将会大大降低。若采用其他焊接方法， 比如压力焊接和钎焊，接头的形状受到限制，且效率也大大降低。CMT(Cold Metal Transfer)冷金属过渡技术有广泛的应用领域，几乎可以应用于已知的所有可焊材料，如微电子器件，机车制造行业，航天领域及桥梁和钢结构。CMT工艺将焊丝的运动同熔滴过渡过程相结合，在焊接过程中实现冷-热交替焊接，大幅度降低热输入量、变形小、无飞溅、搭桥能力好、焊缝均勻一致、焊接速度高、运行成本低，为薄板的焊接提供了完美的解决方案，并已为众多欧州、日本和美国的公司所接受和采用。基于铝钢焊接技术的发展有重大意义，但是铝钢焊接又存在一些不足之处，如焊缝成形不均勻光滑，有宏观缺陷，不能有效地控制焊接热输入及铝钢界面层金属间化合物的厚度，影响了接头的力学性能。

发明内容
本发明的目的是提供一种铝/钢异种金属冷金属过渡连接方法。本发明是铝/钢异种金属冷金属过渡连接方法，采用一种含铝硅元素的铝合金焊丝焊接，通过冷金属过渡焊，焊接时通过熔化铝合金焊丝以及铝合金母材，在铝板一侧形成熔化焊连接，同时钢板保持为固态，在钢板一侧实现钎焊连接，形成熔-钎焊搭接接头。本发明的有益效果为通过采用在铝及铝合金与镀层钢板焊接过程中偏离钢板一侧的焊接技术，利用CMT(Cold Metal Transfer)焊的焊接方法，通过调整各种焊接工艺参数及改善工艺条件，确保焊缝成形良好，均勻光滑，无宏观缺陷。特别是该方法能有效控制焊接热输入及铝钢界面层金属间化合物的厚度，显著提高了接头的力学性能，实现了铝钢异种金属的有效连接。


图1为本发明焊接工艺方法示意图，图中1为铝合金，2为镀锌钢板，3为铝合金焊丝，4为焊枪，5为焊嘴。
图2为铝合金与镀锌钢板焊接搭接接头结构示意图，图中H为焊嘴离铝母材垂直距离，L为搭接宽度。图3为采用焊丝送进位置偏离铝钢搭接缝隙的距离为Imm时，焊缝的宏观成形。图4为采用焊丝送进位置偏离铝钢搭接缝隙的距离为Imm时，焊接接头的横截面图。图5为采用焊丝送进位置偏离铝钢搭接缝隙的距离为Imm时，拉伸试样断裂图。图6为采用焊丝送进位置偏离铝钢搭接缝隙的距离为2mm时，焊缝的宏观成形。图7为采用焊丝送进位置偏离铝钢搭接缝隙的距离为2mm时，焊接接头的横截面图。图8为采用焊丝送进位置偏离铝钢搭接缝隙的距离为2mm时，拉伸试样断裂图。
具体实施例方式本发明是铝/钢异种金属冷金属过渡连接方法，采用一种含铝硅元素的铝合金焊丝焊接，通过冷金属过渡焊，焊接时通过熔化铝合金焊丝以及铝合金母材，在铝板一侧形成熔化焊连接，同时钢板保持为固态，在钢板一侧实现钎焊连接，形成熔-钎焊搭接接头。由于铝的熔点仅为610°C，而钢的熔点为1500°C，所以在电弧的作用下只有上层金属铝熔化，而下层金属钢板没有熔化或只有微熔；接头由钎焊接头和熔化焊焊接接头两部分组成。在铝及铝合金一侧实现熔焊接头，在镀锌钢板一侧实现钎焊接头。焊前，先后对铝合金母材进行机械、化学处理。首先用砂纸和钢丝刷将铝合金试件表面的氧化膜去除，再用丙酮、汽油、煤油等有机溶剂去除铝合金板上的水渍和油污，再对上述铝合金分别进行碱洗和酸洗，流动水冲洗。风干或低温干燥待用；用丙酮、汽油、煤油等有机溶剂去除镀锌钢板上的水渍和油污，干燥环境中晾干待用。将表面处理干净的试板组合成搭接接头(铝合金板在上，镀锌钢板在下)。搭接的宽度为10mm，然后利用CMT (Cold Metal Transfer) 3200焊机进行焊接，焊接时焊丝送进位置偏离铝合金板材边0_2mm，调节焊接工艺参数，进行施焊。最后得到成形美观、性能良好的熔钎焊搭接接头。下面结合附图和实施案例对本发明作详细说明。实施例1 偏离Imm本实施案例的上层金属板为Imm厚度的变形铝合金AA6061板材，下层镀锌板为厚度为Imm的HDG60板材，尺寸均为100 X 200mm。焊前，铝合金板材先用机械处理方式除去表面的氧化膜，再用丙酮等有机溶剂去除表面油脂，最后对上述清洗后铝合金分别进行碱洗和酸洗，风干或低温干燥待用。用丙酮等有机溶剂去除镀锌钢板上的水渍和油污，干燥环境中晾干待用。焊接时所用的焊丝为直径Φ 1.2mm的ER4043 (AlSi5)。如图1和图2所示，采用搭接的焊接方式，铝合金1在上，镀锌层钢板2在下，搭接宽度L为10mm。用焊接夹具夹紧固定。CMT熔钎焊工艺参数选择如下电弧电压10V，焊接电流45A，送丝速度3. Om/min, 焊接速度5mm/s。焊枪4与铝母材1成45度夹角，焊嘴5离铝母材1垂直距离为7mm，焊丝3送进位置偏离铝母材1边缘O-Imm处，采用氩气作为保护气体，焊接时气流量为15L/min。在该焊接工艺参数条件下，CMT熔钎焊工艺稳定性好，接头正面成形美观，接头表面形成连续均勻的、无飞溅的、窄而低的鱼鳞状的焊缝，如图3所示。并且接头的背面镀锌钢板颜色略有变化，镀锌层烧损较少，有利于保持镀锌钢板的抗腐蚀性。焊后母材变形量小，与焊缝相比无明显弯曲。同时对其截面进行分析，发现该种焊接方法余高较低，润湿角较小，由图可知余高高度为2. 4mm，润湿角角度为18°。锌起到了很好的润湿铺展作用，如图4所示。因此，采用本焊接方法可大大减小连接母材的变形量。该方法得到的接头结合面金属间化合物种类沿着钢一钎焊结合面一焊缝熔化区这条路径上，相分布变化趋势为 α -Fe固溶体，Fe3Al, FeAl3, Fe2Al5, FeAl金属间化合物，α Al+Si的共晶。金属间化合物尺寸为4 μ m。焊后，为了检测接头力学性能，室温(20°C)下在WDW-100D的微机控制电子式万能试验机上进行静态拉伸试验，测量接头的抗拉剪强度，拉伸速度为lmm/min，试验结果表明， 断裂发生在远离热影响区的铝母材，如图5所示，断裂部分有颈缩现象。焊接接头的抗拉剪强度可达204MPa，能够满足实际应用的需求。拉伸过程中由于搭接接头的受力状况和母材平板拉伸的受力状况不同，故试验断裂在母材的强度和铝母材平板拉伸强度有所不同。实施例2 偏离2mm本实施案例的上层金属板为Imm厚度的变形铝合金AA6061板材，下层镀锌板为厚度为Imm的HDG60板材，尺寸均为100 X 200mm。焊前，铝合金板材先用机械处理方式除去表面的氧化膜，再用丙酮等有机溶剂去除表面油脂，最后对上述清洗后铝合金分别进行碱洗和酸洗，风干或低温干燥待用。用丙酮等有机溶剂去除镀锌钢板上的水渍和油污，干燥环境中晾干待用。焊接时所用的焊丝为直径Φ 1.2mm的ER4043 (AlSi5)。如图1和图2所示，采用搭接的焊接方式，铝合金1在上，镀锌层钢板2在下，搭接宽度L为10mm。用焊接夹具夹紧固定。CMT (Cold Metal Transfer)熔钎焊工艺参数选择如下电弧电压12V，焊接电流 60A，送丝速度4. Om/min，焊接速度6mm/s。焊枪4与铝母材1成60度夹角，焊嘴5离铝母材1垂直距离为10mm，焊丝3送进位置偏离铝母材1边缘l_2mm处，采用氩气作为保护气体，焊接时气流量为15L/min。在该焊接工艺参数条件下，镀层钢板上的锌元素大大提高了熔融状态的铝在钢上的润湿性和铺展性，获得了良好的焊接接头。接头形貌连续、均勻、美观，无飞溅，裂纹、气孔等缺陷少，如图6所示。同时焊后接头背面镀锌层烧损较少，母材变形量小，并且接头余高较低，润湿角较小，如图7所示。由图可知焊缝余高为2. 7mm，润湿角角度为20°。因此， 采用本焊接方法可大大减小连接母材的变形量。采用该方法得到的接头结合面金属间化合物种类沿着钢一钎焊结合面一焊缝熔化区这条路径上，相分布变化趋势为α "Fe固溶体， !^3AUeAl3, !^2Al5JeAl金属间化合物，α Al+Si的共晶。金属间化合物尺寸为5 μ m。焊后，进行力学性能分析。此实施方式与实施例1相同，试验结果表明，断裂发生在远离热影响区的铝母材，断裂部分有颈缩现象，如图8所示。焊接接头的抗拉剪强度可达 195MPa,因此该工艺方法可达到较高的抗拉剪强度，能够满足实际应用的需求。拉伸过程中由于搭接接头的受力状况和母材平板拉伸的受力状况不同，故试验断裂在母材的强度和铝母材平板拉伸强度有所不同。
权利要求
1.铝/钢异种金属冷金属过渡连接方法，其特征在于采用一种含铝硅元素的铝合金焊丝焊接，通过冷金属过渡焊，焊接时通过熔化铝合金焊丝以及铝合金母材，在铝板一侧形成熔化焊连接，同时钢板保持为固态，在钢板一侧实现钎焊连接，形成熔-钎焊搭接接头。
2.根据权利要求1所述的铝/钢异种金属冷金属过渡连接方法，其特征在于对普通低碳钢或低合金钢板进行镀锌处理，进行镀锌处理后的板材厚为1mm，其中镀锌层厚为60g/2m ο
3.根据权利要求1所述的铝/钢异种金属冷金属过渡连接方法，其特征在于使用含铝硅元素的铝合金焊丝，其化学成分(%)为:Si 4. 5-6. 0，Fe :0. 8,Cu :0. 3,Ti :0. 2,Zn :0. 1， Mn :0. 05，Mg :0. 05，其余为 Al。
4.根据权利要求1所述的铝/钢异种金属冷金属过渡连接方法，其特征在于焊接电压 10 12V，焊接电流45 60A，送丝速度3. 0 4. Om/min,焊接速度5. O 6. Omm/s，焊枪与焊接母材成45-60度夹角，焊嘴离母材垂直距离为7 10mm，焊丝送进位置偏离铝板板边缘 0-2mm处，采用氩气作为保护气体，焊接时气流量为15L/min。
全文摘要
铝/钢异种金属冷金属过渡连接方法，采用一种含铝硅元素的铝合金焊丝焊接，通过冷金属过渡焊，焊接时通过熔化铝合金焊丝以及铝合金母材，在铝板一侧形成熔化焊连接，同时钢板保持为固态，在钢板一侧实现钎焊连接，形成熔-钎焊搭接接头。
文档编号B23K1/20GK102500853SQ20111031079
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月14日 优先权日2011年10月14日
发明者余刚, 曹睿, 陈剑虹 申请人:兰州理工大学