专利名称：一种钢与铝或铝合金的快速焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种异种金属的焊接方法，尤其涉及一种钢与铝或钢与铝合金的快速焊接方法，属于金属材料的焊接技术领域。
背景技术：
钢与铝焊接是非常困难的，即使是在科技和焊接技术已很发达的今天，实现钢与铝的可靠焊接和获得工业应用仍是很困难的。人们尝试过很多种办法试图将钢与铝焊接在一起，所采用的焊接方法有扩散焊、爆炸焊、电阻焊、激光焊、激光-电弧复合焊等，但仍难以获得满意的效果和质量稳定的焊接接头，或是在焊缝成形方面存在缺陷，或是对焊接设备和操作技能要求极高。低碳钢的熔点1650°C，而纯铝的熔点只有660°C，铝合金的熔点更低。加上低碳钢与铝的晶格结构不同，热传导系数不同，因此采用熔焊方法将钢和铝焊接在一起非常困难，因为二者熔点和物理化学性能差别太大，铝比钢具有更好的导电性和导热性。钢与铝的其他焊接方法(如激光焊、激光-电弧复合焊等)，存在成本上的问题，如果采用机械化焊接技术需要购置较昂贵的装备等。实现钢与铝的焊接有广阔的应用前景，例如可用于汽车、船舶、高速列车等，对这些现代化交通工具的轻量化、节能减排等有巨大的推进作用。因此，解决钢与铝异种金属的焊接难题，实现钢与铝异种金属的可靠连接，会大大推动钢与铝轻量化异种金属结构在汽车、船舶等交通工具制造等领域的应用。
发明内容
针对现有钢与铝焊接技术的不足，本发明提出了一种使钢与铝及铝合金快速焊接的方法。利用本发明的方法可以实现钢与铝板的可靠连接，形成焊接接头质量稳定、密封性好的钢一铝板材搭接接头，以满足轻量化工程结构上对钢-铝连接的需求。本发明是通过以下技术方案实现的:—种钢与铝或铝合金的快速焊接方法，步骤如下:( I)焊前清除钢板表面、铝板表面和Al-Si钎料表面的油污和氧化膜，使其表面尽可能光洁和无任何杂质，并且干燥；(2)在钢板与铝板叠合待焊面之间放置表面去除氧化膜的膜片状Al-Si钎料，用不锈钢工装夹具板将待焊工件夹紧；(3)采用交流电阻点焊机，焊接工艺参数为:焊接电流6kA 20kA，焊接压力2kN 5kN,焊接时间0.5s 2s,工频50Hz,电极直径3.2mm 4.8mm,最小点距14mm,环境温度25°C以上；(4)焊接完成后，钢与铝接头处自然冷却；冷却后，松开夹紧装置，取下工件。所述步骤(I)中，钢板表面的清理方法是:用砂纸将钢板表面的锈蚀打磨干净，使其露出金属光泽；或:将待焊钢板表面置于酸洗液中浸泡15min 20min，然后以清水将待焊钢板表面洗净；所述酸洗液是指常规浓度的稀硫酸(比如:体积分数98%的浓硫酸与水以I:4的比例进行稀释)，或常规浓度的稀盐酸(比如:体积分数36%的盐酸与水以1:3的比例进行稀释)，或二者以体积比1: 2的比例相混合的混合溶液。所述步骤(I)中，铝板表面、Al-Si钎料表面的油污和氧化膜的去除方法是:将铝板、Al-Si钎料置于硝酸水溶液中，温度20 37°C，浸洗5 15min，取出后依次用温度50 60°C热水、冷水(常温下的水，温度5 25°C)将铝板或Al-Si钎料表面冲洗干净，烘干；所述硝酸水溶液是体积百分数为30%的硝酸水溶液，可以用60%HN03+纯净水配制。所述步骤(2)中，膜片状Al-Si钎料的组分含量是:以质量百分比计，Si 11.0% 13.0% ；Cu 0.10% 0.30% ；Zn 0.10% 0.20% ；Mg 0.05% 0.10% ；Mn 0.03% 0.05% ;余量为Al。优选的，所述膜片状Al-Si钎料的组分含量是:以质量百分比计，Si 12.0% 12.5% ；Cu 0.20% 0.30%, Zn 0.20%, Mg 0.08% 0.10%%，余量为 Al。所述步骤(2)中，膜片状Al-Si钎料的厚度优选为0.6 0.8mm。所述步骤(2)中，焊接工件的叠放次序是钢板-膜片状钎料-铝板，钢板与铝板搭接，用不锈钢工装夹具板夹紧。采用本发明的钢与铝异种金属的焊接方法，添加Al-Si钎料实现了钢板与铝板的搭接焊，并且形成的钢与铝板搭接接头界面结合稳定、连接质量可靠。本发明提出的钢与铝异种金属的焊接方法具有工艺简单、成本低、生产周期短、能实现批量生产和便于推广应用等优点。采用本发明给出的Al-Si钎料，可以制得界面结合强度较高的钢与铝搭接接头。经试验测试:钢与铝搭接接头的剪切强度大于80MPa，抗拉强度大于140MPa，能够满足轻量化工程结构对钢与铝连接接头的质量要求。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步的说明。实施例1 钢与铝合金的快速焊接厚度Imm的低碳钢板与厚度Imm的防锈铝板(3A21)搭接焊，被焊低碳钢板与铝板的工件长度分别为120mm，宽度为80mm。具体焊接工艺步骤如下:(I)焊接前将防锈铝板3A21和Al-Si膜片状钎料置于25°C的体积百分数为30%的硝酸水溶液(用浓度60%HN03+纯净水配制)中,浸洗8 12min (招板浸洗12min,膜片状Al-Si钎料浸洗8min)，去除表面的油污和氧化膜,然后经50 V热水、冷水(20 V )冲洗后,用热风吹干或烘干；低碳钢板待焊接处用砂纸打磨至露出金属光泽。(2)将厚度 0.6mm 的膜片状Al-Si 钎料(Si 12.0%,Cu 0.20%, Zn 0.15%,Mg 0.08%,余量为Al，以质量百分比计)置于搭接的低碳钢板和防锈铝板之间，其外侧面两边用不锈钢工装板夹紧(用螺母紧固)，露出待焊接处。(3)采用交流电阻点焊机进行焊接，焊接工艺参数为:焊接电流SkA 10kA，焊接压力2.5kN，焊接时间0.8s，工频50Hz，电极直径3.2mm，环境温度25°C以上；(4)焊接完成后钢与铝接头处自然冷却至室温后，松开夹紧装置，取下工件。经测试，得到的低碳钢板与防锈铝板点焊接头的熔核直径为4mm，搭接接头剪切强度为84MPa，抗拉强度为150MPa，能够满足对钢与铝连接接头的质量要求。实施例2:钢与铝的快速焊接厚度1.5mm的低碳钢板与厚度1.5mm的纯铝板(1060)搭接焊，被焊低碳钢板与纯铝板工件长度分别为160mm，宽度为120mm。具体焊接工艺步骤如下:(I)焊接前将纯铝板1060和Al-Si膜片状钎料置于30°C的体积百分数为30%的硝酸水溶液(用浓度60%HN03+纯净水配制)中，浸洗8 12min (招板浸洗12min,膜片状Al-Si钎料浸洗8min)，去除表面的油污和氧化膜,然后经60 V热水、冷水(15°C )冲洗后,用热风吹干或烘干。低碳钢板待焊接处用砂纸打磨至露出金属光泽。(2)将厚度 0.8mm 的膜片状Al-Si 钎料(Si 12.5%, Cu 0.25%, Zn 0.20%,Mg 0.10%,余量为Al，以质量百分比计)置于低碳钢板和纯铝板搭接接头之间，其搭接外侧面两边用不锈钢工装板夹紧(用螺母紧固)，露出待焊接处。(3)采用交流电阻点焊机进行焊接，焊接工艺参数为:焊接电流12kA 14kA，焊接压力3.5kN，焊接时间1.2s，工频50Hz，电极直径4.8mm，环境温度25°C以上；(4)焊接完成后钢与铝接头处自然冷却至室温后，松开夹紧装置，取下工件。经测试，得到的低碳钢板与纯铝板点焊接头的熔核直径为6_，搭接接头剪切强度为81MPa，抗拉强度为142MPa，能够满足对钢与铝连接接头的质量要求。上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式
进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
权利要求
1.一种钢与铝或铝合金的快速焊接方法，其特征在于:步骤如下: (1)焊前清除钢板表面、铝板表面和Al-Si钎料表面的油污和氧化膜，使其表面光洁和无任何杂质，并且干燥； (2)在钢板与铝板叠合待焊面之间放置表面去除氧化膜的膜片状Al-Si钎料，用不锈钢工装夹具板将待焊工件夹紧； (3)采用交流电阻点焊机，焊接工艺参数为:焊接电流6kA 20kA，焊接压力2kN 5kN,焊接时间0.5s 2s,工频50Hz,电极直径3.2mm 4.8mm,最小点距14mm,环境温度25°C以上； (4)焊接完成后，钢与铝接头处自然冷却；冷却后，松开夹紧装置，取下工件。
2.根据权利要求1所述的一种钢与铝或铝合金的快速焊接方法，其特征在于:所述步骤(I)中，钢板表面的清理方法是:用砂纸将钢板表面的锈蚀打磨干净，使其露出金属光泽；或:将待焊钢板表面置于酸洗液中浸泡15min 20min，然后以清水将待焊钢板表面洗净；所述酸洗液是指稀硫酸，或稀盐酸，或二者以体积比1: 2的比例相混合的混合溶液。
3.根据权利要求1所述的一种钢与铝或铝合金的快速焊接方法，其特征在于:所述步骤(I)中，铝板表面、Al-Si钎料表面的油污和氧化膜的去除方法是:将铝板、Al-Si钎料置于硝酸水溶液中，温度20 37°C，浸洗5 15min，取出后依次用热水、冷水将铝板或Al-Si钎料表面冲洗干净，烘干；所述硝酸水溶液是体积百分数为30%的硝酸水溶液。
4.根据权利要求1所述的一种钢与铝或铝合金的快速焊接方法，其特征在于:所述步骤(2)中，膜片状Al-Si钎料的组分含量是:以质量百分比计，Si 11.0% 13.0% ;Cu0.10% 0.30% ；Zn 0.10% 0.20% ；Mg 0.05% 0.10% ；Mn 0.03% 0.05% ;余量为 Al。
5.根据权利要求4所述的一种钢与铝或铝合金的快速焊接方法，其特征在于:所述膜片状Al-Si钎料的组分含量是:以质量百分比计，Si 12.0% 12.5% ；Cu 0.20% 0.30%，Zn 0.20%, Mg 0.08% 0.10%%，余量为 Al。
6.根据权利要求1所述的一种钢与铝或铝合金的快速焊接方法，其特征在于:所述步骤(2)中，膜片状Al-Si钎料的厚度为0.6 0.8mm。
7.根据权利要求1所述的一种钢与铝或铝合金的快速焊接方法，其特征在于:所述步骤(2)中，焊接工件的叠放次序是钢板-膜片状钎料-铝板，钢板与铝板搭接，用不锈钢工装夹具板夹紧。
全文摘要
本发明公开了一种钢与铝或铝合金的快速焊接方法，步骤如下(1)焊前清除钢板表面、铝板表面和Al-Si钎料表面的油污和氧化膜；(2)在钢板与铝板叠合待焊面之间放置表面去除氧化膜的膜片状Al-Si钎料；(3)采用交流电阻点焊机；(4)焊接完成后，钢与铝接头处自然冷却。采用本发明的钢与铝异种金属的焊接方法，添加Al-Si钎料实现了钢板与铝板的搭接焊，并且形成的钢与铝板搭接接头界面结合稳定、连接质量可靠。采用Al-Si钎料，可以制得界面结合强度较高的钢与铝搭接接头，经试验测试钢与铝搭接接头的剪切强度大于80MPa，抗拉强度大于140MPa，能够满足轻量化工程结构对钢与铝连接接头的质量要求。
文档编号B23K11/11GK103111743SQ20131006416
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者李亚江, 王娟, 魏守征 申请人:山东大学