专利名称：铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法
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，特别是一种铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法。
背景技术：
在汽车工业、船体船舱、石油化工、原子能、桥梁及其他领域中均有应用钢螺柱与铝母材的焊接。螺柱焊是将金属螺柱或其他类似的紧固件焊至工件的方法。对于钢螺柱焊接到钢母材上，传统的电弧螺柱焊接工艺方法已经非常的成熟。鉴于钢铝异种金属材料焊接的固有特点，将钢螺柱焊接到铝母材上不适宜采用电弧螺柱焊的方法。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，采用感应加热钎焊的方法进行焊接，焊接存在的主要问题有1.如何有效的去除铝母材表面的氧化膜并且防止其二次生成，由于铝合金属于很活泼的金属，即使焊前经过化学清洗，表面也会生成一层致密的氧化膜。在焊接过程中，氧化膜不能得到及时破碎，熔池凝固后氧化膜在螺柱与母材之间形成阻隔，严重影响接头强度。另外，在焊接过程中容易产生二次氧化，在接头中产生氧化夹杂、气孔等缺陷；2.如何使融化的钎料能够很好地浸润钢螺柱的表面，这能够使得钎料与螺柱更大面积的冶金结合；3.如何将钢铝在焊接过程生成的金属间化合物层的厚度控制在一个小范围内，实践证明当金属间化合物层的厚度在十微米以下的时候，接头的力学性能是可观的。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焊缝美观、结合强度高的铝钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法。实现本发明目的的技术解决方案为一种铝_钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法，包括以下步骤步骤1，将钢螺柱加工成平底无螺帽式样；步骤2，对铝板、钢螺柱表面及焊丝状钎料分别进行化学清洗；步骤3，将铝板、钢螺柱表面及焊丝状钎料分别用酒精清洗，并用电吹风冷风吹干；步骤4，将焊丝状钎料缠绕在钢螺柱的一端，并作为焊接端；步骤5，将铝板水平放置，将钢螺柱垂直放置在铝板上并对其通过压力装置施加垂直向下的压力；步骤6，将感应加热线圈套在钢螺柱焊接端，并对其加热，加热至焊丝状钎料完全熔化后，继续加热，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，实现钢螺柱与铝母材间无氧化夹杂、未焊透、未熔合等缺陷的优质焊接接头。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法的流程图。图2是铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法的示意图。图3是铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法的焊接试样4是铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法的金相试样5是铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法的焊缝金相6是焊缝金相2中标号所代表的器件为1一焊丝状钎剂；2—感应线圈；3—压力装置； 4—钢螺柱；5—铝母材。
具体实施例方式结合图1、图2，本发明铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法，包括以下步骤步骤1，将钢螺柱4加工成平底无螺帽式样。步骤2，对铝板5、钢螺柱4表面及焊丝状钎料1分别进行化学清洗。其中焊丝状钎料1是钎料与钎剂以药芯焊丝的形式存在，外层结构实为钎料，钎料包覆的里层为钎剂， 钎料为4047铝合金，铝合金成分质量百分比为11% 13%的Si，0.8%的Fe，0.3%的Cu， 0. 2%的Ζη，0. 15%的胞，0. 1 %的Mg，其余为Al，钎剂为氟化物共晶熔盐K3A1F6_K3A1F4。采用的氟化物钎剂K3AlF6-K3AlF4当中含有的氟离子担当了去膜剂的作用，能够有效地破碎、 除去铝板母材5的表面氧化膜，使得熔化的钎料能够润湿新鲜的母材表面，并且氟化物钎剂K3AlF6-K3AlF4不溶于水，不吸潮，对焊接部位不会产生腐蚀的影响；化学清洗的步骤为先用丙酮擦拭铝板5，除去加工残留的机油，在浓度为8% 11%的NaOH溶液对铝板5表面浸蚀，浸蚀的时间为8 12min ；对焊丝状钎料1浸蚀的时间为4 6min，上述浸蚀的温度为40 60°C ；用硝酸和氢氟酸的混合液对清洗后的铝板 5和焊丝状钎料1分别再进行清洗中和，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(23 1) (25 1)，用硝酸和氢氟酸的混合液清洗铝板5的时间为5 7min，清洗焊丝状钎料1的时间为3 4min。将钢螺柱4焊接端在砂纸上打磨除锈，并用丙酮擦拭除油。步骤3，将铝板5、钢螺柱4表面及焊丝状钎料1分别用酒精清洗，并用电吹风冷风吹干。步骤4，将长度为25cm 30cm的焊丝状钎料1缠绕在钢螺柱4的一端，并作为焊接端。步骤5，将铝板5水平放置，将钢螺柱4垂直放置在铝板5上并对其通过压力装置 3施加垂直向下的压力。步骤6，调节感应发生器，使电源输出阻抗大约等于线圈的输入阻抗，实现最适合的能量转换，将感应加热线圈2套在钢螺柱4焊接端，并对其加热，焊接参数为感应电流 700 850A，加热至焊丝状钎料1完全熔化后，继续加热5 10s，总焊接时间控制在135 150s，完成焊接。焊接过程中，当温度到达590°C 600°C时，氟化物钎剂K3AlF6-K3AlF4变成流体并具有活性，分解了残余的铝板5的表面氧化物；焊接结束后，将装置置于空气中自然冷却，实现钢螺柱和铝板接头的有效结合；本发明中采用的感应加热使得只有焊丝状钎料熔化，钢铝母材均不熔化，因此接头处发生反应时，只有固态的铁原子向熔融成液态的铝中扩散，而铝原子很难向固态的铁中扩散，从而能够控制铝铁金属间化合物的形成。本发明将钢螺柱加工成平底无螺帽式样，使得钢螺柱4与铝板5之间能够紧密接触，形成微小的间隙，从而增大钎焊毛细填缝，并且在焊接过程中，由于加热迅速，能够防止铝板氧化，抑制钢铝金属间化合物的生长。感应加热线圈2加热钢螺柱4底端，使钢螺柱4 温度迅速升高，将热量传递给铝板5和缠绕在钢螺柱4上的焊丝状钎料1，使钎料熔化，通过毛细作用，熔融的钎料渗透到钢螺柱4与铝板5的间隙中，冷却凝固后形成焊接接头。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15mm，高为55mm的Q235钢螺柱，80mmX80mmX 12mm 的6061铝板为例。首先在焊前对铝母材5表面和焊丝状钎料1进行化学清洗，具体的清洗工艺为先用丙酮擦拭铝母材5，除去加工残留的机油，再用浓度为8%的NaOH溶液，对铝母材5表面浸蚀的时间为8min，对焊丝状钎料1浸蚀的时间为4min，上述浸蚀的温度为 400C ；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46%，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，清洗焊丝状钎料1的时间为3min ；将钢螺柱4待焊底端在砂纸上打磨除锈， 并用丙酮擦拭除油；最后将铝板5、钢螺柱4母材表面用酒精清洗，电吹风冷风吹干，取25cm 焊丝状钎料1缠绕在钢螺柱4底端，再将钢螺柱4放在铝板母材5的表面，用高频感应加热线圈2加热钢螺柱4的焊接端，在感应加热过程中，通过加压装置3对钢螺柱4实施一个竖直向下的15N的压力，控制钢螺柱4与铝板5之间的装配间隙，使得熔融钎料的毛细渗透作用发挥得更好，调节感应电流800A，加热135s，完成焊接。图3为铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法试样的宏观照片，从图中可以看出焊缝成形良好，焊接过程中钎料全部熔化，铺展情况较好，由于钎料熔化后继续加热了一段时间，保证了钎料在铝钢母材之间的充分渗透。图4为铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法金相试样，为钎焊焊缝的剖面照片，铝钢母材之间形成一条完整的焊缝，焊缝中没有出现夹杂、气孔等缺陷。图5为铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法的焊缝金相图，钎焊完毕后，整个接头形成一条较为致密的连接，钎缝组织由Fe-Al金属间化合物、Al-Si共晶相、α -Al固溶体三个区域组成。由于铝冷却速度较快，金属间化合物沿垂直于铝基体的方向生成出一些胞状晶，生成的金属间化合物厚度大致为ΙΟμπι;力学性能测试表明接头的抗剪强度最大达 65.32MPa。实施例2结合图1禾Π图2，以直径为20mm，高为55mm的Q235钢螺柱，80mmX 80mmX 12mm的 6061铝板为例。首先在焊前对铝母材5表面和焊丝状钎料1进行化学清洗，具体的清洗工艺为先用丙酮擦拭铝母材5，除去加工残留的机油，再用浓度为11%的NaOH溶液，对铝母材5表面浸蚀的时间为12min，对焊丝状钎料1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55%，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，清洗焊丝状钎料1的时间为4min ；将钢螺柱4待焊底端在砂纸上打磨除锈，并用丙酮擦拭除油；最后将铝板5、钢螺柱4母材表面用酒精清洗，电吹风冷风吹干，取 30cm焊丝状钎料1缠绕在钢螺柱4底端，再将钢螺柱4放在铝板母材5的表面，用高频感应加热线圈2加热钢螺柱4的焊接端，在感应加热过程中，通过加压装置3对钢螺柱4实施一个竖直向下的20N的压力，控制钢螺柱4与铝板5之间的装配间隙，使得熔融钎料的毛细渗透作用发挥得更好，调节感应电流850A，加热145s，完成焊接。图6为焊缝金相图，金属间化合物厚度为12 μ m,接头的抗剪强度达67. 7MPa。实施例3结合图1禾Π图2，以直径为20mm，高为55mm的Q235钢螺柱，80mmX 80mmX 12mm的 6061铝板为例。首先在焊前对铝母材5表面和焊丝状钎料1进行化学清洗，具体的清洗工艺为先用丙酮擦拭铝母材5，除去加工残留的机油，再用浓度为9%的NaOH溶液，对铝母材5表面浸蚀的时间为lOmin，对焊丝状钎料1浸蚀的时间为5min，上述浸蚀的温度为 520C ；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50%，硝酸溶液与氢氟酸溶液的体积比为24 1，用硝酸和氢氟酸的混合液清洗铝母材5 的时间为6min，清洗焊丝状钎料1的时间为3min ；将钢螺柱4待焊底端在砂纸上打磨除锈， 并用丙酮擦拭除油；最后将铝板5、钢螺柱4母材表面用酒精清洗，电吹风冷风吹干，取27cm 焊丝状钎料1缠绕在钢螺柱4底端，再将钢螺柱4放在铝板母材5的表面，用高频感应加热线圈2加热钢螺柱4的焊接端，在感应加热过程中，通过加压装置3对钢螺柱4实施一个竖直向下的17N的压力，控制钢螺柱4与铝板5之间的装配间隙，使得熔融钎料的毛细渗透作用发挥得更好，调节感应电流830A，加热140s，完成焊接。经电子显微镜检测，金属间化合物厚度为10 μ m，力学性能测试接头的抗剪强度达66. 24MPa。
权利要求
1.一种铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法，其特征在于包括以下步骤步骤1，将钢螺柱(4)加工成平底无螺帽式样；步骤2，对铝板(5)、钢螺柱(4)表面及焊丝状钎料(1)分别进行化学清洗；步骤3，将铝板(5)、钢螺柱(4)表面及焊丝状钎料(1)分别用酒精清洗，并用电吹风冷风吹干；步骤4，将焊丝状钎料01缠绕在钢螺柱(4)的一端，并作为焊接端；步骤5，将铝板(5)水平放置，将钢螺柱(4)垂直放置在铝板(5)上并对其通过压力装置⑶施加垂直向下的压力；步骤6，将感应加热线圈(2)套在钢螺柱(4)焊接端，并对其加热，加热至焊丝状钎料 (1)完全熔化后，继续加热，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的铝_钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法，其特征在于步骤2中， 焊丝状钎料(1)是钎料与钎剂以药芯焊丝的形式存在，外层结构实为钎料，钎料包覆的里层为钎剂，钎料为4047铝合金，铝合金成分质量百分比为11% 13%的Si，0.8%的 Fe，0. 3 %的Cu，0. 2 %的Zn，0. 15 %的Mn，0. 1 %的Mg，其余为Al，钎剂为氟化物共晶熔盐 K3AlF6-K3AlF4。
3.根据权利要求1所述的铝_钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法，其特征在于步骤2中，用丙酮擦拭铝板(5)，除去加工残留的机油，在浓度为8 % 11 %的NaOH溶液对铝板5表面浸蚀，浸蚀的时间为8 12min ；对焊丝状钎料(1)浸蚀的时间为4 6min，上述浸蚀的温度为40 60°C ；用硝酸和氢氟酸的混合液对清洗后的铝板(5)和焊丝状钎料(1)分别再进行清洗中和，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(23 1) (25 1)，用硝酸和氢氟酸的混合液清洗铝板(5)的时间为 5 7min，清洗焊丝状钎料(1)的时间为3 4min。
4.根据权利要求1所述的铝_钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法，其特征在于步骤2中，将钢螺柱(4)焊接端在砂纸上打磨除锈，并用丙酮擦拭除油。
5.根据权利要求1所述的铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法，其特征在于步骤4中，焊丝状钎料(1)的长度为25cm 30cm。
6.根据权利要求1所述的铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法，其特征在于步骤6中，焊接参数为感应电流700 850A，加热至焊丝状钎料(1)完全熔化后，继续加热5 10s，总焊接时间控制在135 150s。
全文摘要
本发明公开了一种铝-钢螺柱感应加热螺柱钎焊方法，包括以下步骤将钢螺柱加工成平底无螺帽式样；对铝板、钢螺柱母材表面及焊丝状钎料进行化学清洗；将铝板、钢螺柱母材表面及焊丝状钎料用酒精清洗，吹干；取焊丝状钎料缠绕在钢螺柱底端，焊丝状钎料为药芯焊丝的形式，外层结构实为钎料，钎料包覆的里层为钎剂；将铝板水平放置，将绕有钢螺柱垂直放置在铝板上并对其施加垂直向下的压力；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B23K1/20GK102513631SQ201110367049
公开日2012年6月27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, 葛佳棋 申请人:南京理工大学