专利名称：铝-钢螺柱熔覆铜感应熔钎焊方法
技术领域：
本发明属于在铝合金基体上焊接钢螺柱的焊接技术，特别是一种表面预先熔覆铜的钢螺柱在铝母材上的焊接方法。
背景技术：
铝及铝合金因质量轻、塑性好、耐腐蚀性强等特点被广泛应用于各种加工制造领域，是目前应用最广的一种轻金属；而钢是一种最普通、最常用的黑色金属，在制造业中的主导地位至今无法撼动。因铝钢异种金属结构整体的轻质、高强及良好导热导电性能，除了已在航空制造等领域得到应用外，在民用汽车行业，更是得到了广泛关注，显示出良好的应用前景。增加铝材的使用量是汽车降低自重、减少排量、保护环境的重要途径，所以在汽车工业生产中，采用"钢+铝"双金属焊接结构成为汽车轻量化的首选方案，这必然涉及到铝和钢两种材料之间的连接。钢铝异种金属的焊接作为焊接领域的一个难点问题虽然已经发展到一个成熟阶段，但是有效的焊接方法却将熔焊排除在了焊接方法之外，即便如此焊接成型好，焊缝强度大的焊接件的重现率仍然较低。将钢螺柱焊接至铝母材作为一种特殊的钢铝异种金属的焊接形式，主要采用熔钎焊的方法进行焊接，焊接存在的主要问题有(1)由于钢的熔点比铝的熔点高，在焊接过程中，当铝完全熔化为液态时，钢仍处于固态，而且两者的密度相差很大，当钢完全熔化后，液态铝浮在钢水上面冷却结晶后焊缝成分不均勻，使得焊接接头的性能降低。目前，铝与钢很难用熔化焊直接焊接。( 铝及其合金与钢焊接过程中，在铝母材表面形成难熔的Al2O3(熔点高达2073°C)氧化膜，这种氧化膜也可以存在于熔池表面，熔池温度越高，表面氧化膜越厚，氧化膜的存在阻碍液态金属的结合，容易使焊缝产生夹渣。(3) 铝及其合金与钢的热导率、线膨胀系数相差很大，焊后焊接接头变形严重，并且有很大的残余应力存在，易产生裂纹。此外，铁在铝中的固溶度几乎为零(在225-600°C时，铁在铝中的固溶极限为0. 01%-0. 022% )，且铁与铝可以产生多种硬而脆的金属间化合物，如 ^ΑΙ， FeAl2, FeAl3, Fe2Al5, !^2Al7及!^e4Al13等，这些金属间化合物的存在，增加了焊接接头的脆性，降低了其塑性和韧性。目前将钢螺柱焊至铝母材的主要方法TIG/MIG电弧钎焊由于设备原因导致某些形状的焊接件焊接难于实施并且焊缝的质量也较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使钢螺柱与铝母材结合强度高的Al-钢螺柱感应熔钎焊方法。实现本发明目的的技术解决方案为一种铝-钢螺柱预镀铜感应熔钎焊方法，包括以下步骤步骤1，将钢螺柱加工成平底无螺帽式样并对钢螺柱一端作为待熔覆端进行表面清洗；步骤2，在钢螺柱清洗过的一端加陶瓷环，在陶瓷环中放入铜块和保护剂进行感应加热，使铜熔覆在钢螺柱端面，取下该陶瓷环；步骤3，分别对铝母材表面和钎料进行化学清洗；步骤4，将经步骤清洗过的铝母材表面及钎料分别用酒精清洗并吹干，在铝母材表面涂覆一层钎剂；步骤5，将铝母材水平放置，将钢螺柱的镀铜端垂直放置在铝母材上并对其通过压力装置施加垂直向下的压力，之后在二者接触面上填充钎料和钎剂；步骤6，在钢螺柱的镀铜端与铝母材的接触位置上再次放置陶瓷环，并在陶瓷环内填充钎料；步骤7，将感应加热线圈套在钢螺柱焊接端，并对其加热，完成焊接。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)能够获得更好的焊缝质量；(2)操作简单，效率明显提高；(3)可实现中小直径的钢螺柱与铝母材的焊接，对板厚适用范围广。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是铝-钢螺柱预熔覆铜感应熔钎焊方法的流程图。图2是铝-钢螺柱预熔覆铜感应熔钎焊方法的示意图。
具体实施例方式结合图1、图2，本发明铝-钢螺柱预镀铜感应熔钎焊方法，包括以下步骤步骤1，将钢螺柱3加工成平底无螺帽式样并对钢螺柱3 —端作为待熔覆端进行表面清洗，即将钢螺柱3待熔覆端在砂纸上打磨除锈，并用丙酮擦拭除油。步骤2，在钢螺柱3清洗过的一端加陶瓷环5，在陶瓷环5中放入铜块和保护剂进行感应加热，使铜熔覆在钢螺柱3端面，取下该陶瓷环5。保护剂成分的质量分数分别为 42 46 %的无水氟化钾，23 25 %的氟硼酸钾，30 35 %的硼酐，感应加热温度为1100 1150°C，铜块厚度为3 5mm。步骤3，分别对铝母材6表面和钎料进行化学清洗。进行化学清洗时包括以下步骤首先分别用NaOH溶液浸蚀铝母材6表面和钎料，之后用硝酸和氢氟酸的混合液浸蚀铝母材6表面和钎料；所用的NaOH溶液浓度为8% 11 %，对铝母材6表面浸蚀的时间为8 12min,对钎料浸蚀的时间为4 6min，上述浸蚀的温度为40 60°C，所述硝酸和氢氟酸的混合液中硝酸溶液的浓度为58 64%，氢氟酸溶液浓度为46 55%，硝酸溶液与氢氟酸溶液的体积比为03 1) 05 1)，用硝酸和氢氟酸的混合液清洗铝母材6的时间为 5 7min，清洗钎料的时间为3 ^iin。步骤4，将经步骤3清洗过的铝母材6表面及钎料分别用酒精清洗并吹干，在铝母材6表面涂覆一层钎剂。步骤5，将铝母材6水平放置，将钢螺柱3的镀铜端垂直放置在铝母材6上并对其通过压力装置4施加垂直向下的压力，之后在二者接触面上填充钎料和钎剂1。步骤6，在钢螺柱3的镀铜端与铝母材6的接触位置上再次放置陶瓷环5，并在陶瓷环5内填充钎料。步骤7，将感应加热线圈套在钢螺柱3焊接端，并对其加热，完成焊接。加热温度为570 600°C，加热时间为120 150s。上述步骤3、4、5中，所述的钎料成份的质量分数分别为9 11%的Si，3 6% 的Cu，5 7 %的Si，0. 3 %的Mn，0. 04%的Ti，0. 04%的％，其余为Al，步骤4、5中所述的钎剂为氟化物钎剂K3AlF6-K3AlF4。本发明将钢螺柱加工成平底无螺帽式样，焊前将钢螺柱前部进行熔覆铜工艺，从而增大钢螺柱在铝液中的润湿程度，并且在焊接过程中能够起到抑制钢铝金属间化合物生长的作用。感应加热线圈加热钢螺柱端部，使钢螺柱端部温度迅速升高，螺柱将热量传递给母材和周围的钎料，使母材表面的一部分和钎料熔化，形成熔池，冷却后凝固形成焊接接头。采用陶瓷环对焊接的螺柱接头进行保护，一定程度上保护焊接过程熔池，同时有利于强化接头。下面结合实施例对本发明做进一步详细描述。实施例1结合图1禾Π图2，以直径为20mm，高为60mm的Q235钢螺柱、80mmX 80mmX 12mm的 6061铝板为例。首先对钢螺柱3待熔覆端在砂纸上打磨除锈，并用丙酮擦拭除油。在钢螺柱3清洗过的一端加陶瓷环5，在陶瓷环5中放入3mm铜块和保护剂进行感应加热，加热温度为1100°C，使铜熔覆在钢螺柱3端面；然后对铝母材6表面和钎料进行化学清洗，具体的清洗工艺为先用丙酮擦拭铝母材6，除去加工残留的机油，再用浓度为8%的NaOH溶液，对铝母材6表面浸蚀的时间为8min，对钎料浸蚀的时间为％iin，上述浸蚀的温度为40°C ；再用硝酸和氢氟酸的混合液进行清洗中和，硝酸溶液的浓度为58%，氢氟酸溶液浓度为42%， 硝酸溶液与氢氟酸溶液的体积比为23 1，用硝酸和氢氟酸的混合液清洗铝母材5的时间为5min，清洗钎料1的时间为;3min ；最后将铝母材6表面用酒精清洗并吹干。此后在母材6 表面涂覆钎剂，钎剂成份为K3AlF6，将熔覆铜的钢螺柱3放置在铝母材6的表面并且在螺柱的焊接端套上陶瓷环5，在陶瓷环5和铝母材6之间添加钎料，钎料成份为9%的Si，3%的 Cu，5%的Zn，0. 3%的Mn，0. 04%的Ti,0. 04%的Yb，其余为Al。将高频感应加热装置加热钢螺柱的焊接端，加热温度为570°C，加热时间为150s。在感应加热过程中，对钢螺柱实施一个竖直向下的压力，这样有利于在铝母材上产生适当的熔深，从而加强焊接接头的强度， 铝母材6和钎料熔化后，关闭感应加热装置的电源，使熔池冷却凝固。焊接之后经过检测， 剪切强度见表1。实施例2结合图1禾Π图2，以直径为20mm，高为60mm的Q235钢螺柱、80mmX 80mmX 12mm的 6061铝板为例。首先对钢螺柱3待熔覆端在砂纸上打磨除锈，并用丙酮擦拭除油。在钢螺柱3清洗过的一端加陶瓷环5，在陶瓷环5中放入5mm铜块和保护剂进行感应加热，加热温度为1150°C，使铜熔覆在钢螺柱3端面；然后对铝母材6表面和钎料进行化学清洗，具体的清洗工艺为先用丙酮擦拭铝母材6，除去加工残留的机油，再用浓度为10%的NaOH 溶液，对铝母材6表面浸蚀的时间为12min，对钎料浸蚀的时间为6min，上述浸蚀的温度为 600C ；再用硝酸和氢氟酸的混合液进行清洗中和，硝酸溶液的浓度为64%，氢氟酸溶液浓度为36%，硝酸溶液与氢氟酸溶液的体积比为25 1，用硝酸和氢氟酸的混合液清洗铝母材5 的时间为7min，清洗钎料1的时间为^iin ；最后将铝母材6表面用酒精清洗并吹干。此后在母材6表面涂覆钎剂，钎剂成份为K3AlF4,将熔覆铜的钢螺柱3放置在铝母材6的表面并且在螺柱的焊接端套上陶瓷环5，在陶瓷环5和铝母材6之间添加钎料，钎料成份为11 %的 Si，6%的Cu，7%的Zn，0. 3%的Mn，0. 04%的Ti，0. 04%的Yb，其余为Al。将高频感应加热装置加热钢螺柱的焊接端，加热温度为600°C，加热时间为120s。在感应加热过程中，对钢螺柱实施一个竖直向下的压力，这样有利于在铝母材上产生适当的熔深，从而加强焊接接头的强度，铝母材6和钎料熔化后，关闭感应加热装置的电源，使熔池冷却凝固。焊接之后经过检测，剪切强度见表1。实施例3结合图1禾Π图2，以直径为20mm，高为60mm的Q235钢螺柱、80mmX 80mmX 12mm的 6061铝板为例。首先对钢螺柱3待熔覆端在砂纸上打磨除锈，并用丙酮擦拭除油。在钢螺柱 3清洗过的一端加陶瓷环5，在陶瓷环5中放入4mm铜块和保护剂进行感应加热，加热温度为1140°C，使铜熔覆在钢螺柱3端面；然后对铝母材6表面和钎料进行化学清洗，具体的清洗工艺为先用丙酮擦拭铝母材6，除去加工残留的机油，再用浓度为9%的NaOH溶液，对铝母材6表面浸蚀的时间为lOmin，对钎料浸蚀的时间为5min，上述浸蚀的温度为50°C ；再用硝酸和氢氟酸的混合液进行清洗中和，硝酸溶液的浓度为60%，氢氟酸溶液浓度为40%， 硝酸溶液与氢氟酸溶液的体积比为M 1，用硝酸和氢氟酸的混合液清洗铝母材5的时间为6min，清洗钎料1的时间为細^!；最后将铝母材6表面用酒精清洗并吹干。此后在母材6 表面涂覆钎剂，钎剂成份为K3AlF4，将熔覆铜的钢螺柱3放置在铝母材6的表面并且在螺柱的焊接端套上陶瓷环5，在陶瓷环5和铝母材6之间添加钎料，钎料成份为10 %的Si，5 %的 Cu，6%的Zn，0. 3%的Mn，0. 04%的Ti,0. 04%的Yb，其余为Al。将高频感应加热装置加热钢螺柱的焊接端，加热温度为580°C，加热时间为130s。在感应加热过程中，对钢螺柱实施一个竖直向下的压力，这样有利于在铝母材上产生适当的熔深，从而加强焊接接头的强度， 铝母材6和钎料熔化后，关闭感应加热装置的电源，使熔池冷却凝固。焊接之后经过检测， 剪切强度见表1。表1铝-钢螺柱预熔覆铜感应熔钎焊不同工艺下的剪切强度
权利要求
1.一种铝-钢螺柱预镀铜感应熔钎焊方法，其特征在于包括以下步骤步骤1，将钢螺柱(3)加工成平底无螺帽式样并对钢螺柱(3) —端作为待熔覆端进行表面清洗；步骤2，在钢螺柱C3)清洗过的一端加陶瓷环(5)，在陶瓷环(5)中放入铜块和保护剂进行感应加热，使铜熔覆在钢螺柱C3)端面，取下该陶瓷环(5)；步骤3，分别对铝母材(6)表面和钎料进行化学清洗；步骤4，将经步骤C3)清洗过的铝母材(6)表面及钎料分别用酒精清洗并吹干，在铝母材(6)表面涂覆一层钎剂；步骤5，将铝母材(6)水平放置，将钢螺柱(3)的镀铜端垂直放置在铝母材(6)上并对其通过压力装置(4)施加垂直向下的压力，之后在二者接触面上填充钎料和钎剂；步骤6，在钢螺柱(3)的镀铜端与铝母材(6)的接触位置上再次放置陶瓷环(5)，并在陶瓷环(5)内填充钎料；步骤7，将感应加热线圈套在钢螺柱(3)焊接端，并对其加热，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的铝-钢螺柱熔覆铜感应熔钎焊方法，其特征在于步骤1中，将钢螺柱(3)待熔覆端在砂纸上打磨除锈，并用丙酮擦拭除油。
3.根据权利要求1所述的铝-钢螺柱熔覆铜感应熔钎焊方法，其特征在于步骤2中， 所述保护剂成分的质量分数分别为42 46%的无水氟化钾，23 25%的氟硼酸钾，30 35%的硼酐，感应加热温度为1100 1150°C，铜块厚度为3 5mm。
4.根据权利要求1所述的铝-钢螺柱预镀铜感应熔钎焊方法，其特征在于步骤3、4、 5中，所述的钎料成份的质量分数分别为9 ll^mSidNe^mCuj-T^mZn， 0. 3%的Μη，0. 04%的Ti，0. 04%的％，其余为Al，步骤4、5中所述的钎剂为氟化物钎剂 K3AlF6-K3AlF4O
5.根据权利要求1所述的铝-钢螺柱预镀铜感应熔钎焊方法，其特征在于步骤3中进行化学清洗时包括以下步骤首先分别用NaOH溶液浸蚀铝母材(6)表面和钎料，之后用硝酸和氢氟酸的混合液浸蚀铝母材(6)表面和钎料；所用的NaOH溶液浓度为8% 11%，对铝母材(6)表面浸蚀的时间为8 12min，对钎料浸蚀的时间为4 6min，上述浸蚀的温度为40 60°C，所述硝酸和氢氟酸的混合液中硝酸溶液的浓度为58 64%，氢氟酸溶液浓度为46 55%，硝酸溶液与氢氟酸溶液的体积比为03 1) 05 1)，用硝酸和氢氟酸的混合液清洗铝母材(6)的时间为5 7min，清洗钎料的时间为3 ％iin。
6.根据权利要求1所述的铝-钢螺柱预镀铜感应熔钎焊方法，其特征在于步骤7加热温度为570 600°C，加热时间为120 150s。
全文摘要
本发明公开了一种铝-钢螺柱熔覆铜感应熔钎焊方法，步骤如下将钢螺柱加工成平底无螺帽式样并对钢螺柱一端进行表面清洗；在钢螺柱清洗过的一端加陶瓷环，在陶瓷环中放入铜块和保护剂进行感应加热，使铜熔覆在钢螺柱端面；将化学清洗过后铝母材表面及钎料用酒精清洗并吹干，在铝母材表面涂覆一层钎剂；将铝母材水平放置，将钢螺柱的镀铜端垂直放置在铝母材上并对其施加垂直向下的压力，之后在二者接触面上填充清洗过后钎料与钎剂；在钢螺柱的镀铜端与铝母材的接触位置上放置与螺柱配套的陶瓷环，并在陶瓷环内填充清洗后的钎料；将感应加热线圈套在螺柱焊接端，并对其加热，完成焊接。本发明可实现中小直径的钢螺柱与铝母材的焊接，对板厚适用范围广。
文档编号B23K35/28GK102489809SQ20111036704
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者张德库, 王克鸿, 胡旭, 蒋勇 申请人:南京理工大学