专利名称：一种铝钢异种材料连接方法
技术领域：
本发明涉及焊接技术领域，特别是一种操作简单、焊接效果好、基于冷金属过渡电弧快速制造的铝钢异种材料连接方法。
背景技术：
众所周知，为了满足产品结构的高强度、轻量化、耐腐蚀等需求，铝钢异种材料连接已广泛的应用于汽车制造、机械零部件、建筑结构材料、航天航空等领域当中。但是当铝-钢材料进行焊接时，在界面处极易生成脆性的金属间化合物，会极大的降低接头的连接强度；液态铝在钢侧的润湿性不好，会影响铝在钢层表面的铺展，降低了焊接过程的稳定性，使得焊缝成形不良；此外，铝钢热涨系数等物化性质的差异，也会使得焊接接头在极端工作条件下发生失效。目前实现铝钢 连接的主要途径主要有以下几种，其一是通过添加钎剂、钎料或合金成分等，使得焊接时在铝钢界面间产生过渡层，减少铝钢脆性化合物的生成，从而实现铝钢接头的焊接，如MIG熔钎焊，钎焊，药芯焊丝焊，电阻点焊、激光填粉熔钎焊等，但是此类方法存在焊接成本较高，接头性能不稳定等问题；其二是依靠热轧，冷压等方法，使得铝钢在热、力作用下在界面处实现结合，如热轧焊等，该方法生产成本低，但铝钢界面处容易有夹杂物存在，降低铝钢界面的结合，服役寿命较短；其三是采用机械连接的方法，依靠铆钉，螺栓等实现铝钢之间的连接，但此方法存在密封性差，可靠性不高等问题。
发明内容
本发明的目的为解决现有方法中存在的问题，采用添加合金夹层与机械镶嵌相结合的办法，提供一种连接可靠、连接强度高、通过冷金属过渡电弧快速制造的铝钢异种材料连接方法。本发明所采用的技术方案是。一种铝钢异种材料连接方法，其特征在于采用添加合金夹层与机械镶嵌相结合实现铝、钢异种材料间的连接，包含以下步骤:
步骤一、将待焊接件的接触表面及周围30毫米范围内采用机械方式进行清理，如采用电动钢丝刷、砂布等；
步骤二、采用有机溶剂或清洗剂，对机械清理后的表面进行细致的擦拭，清除残余的有机物或金属粉尘，有机溶剂或清洗剂为丙酮、酒精等；
步骤三、采用钢焊丝，在钢材件接触表面堆有均匀分布的钢制立柱，钢制立柱的直径r为l-3mm，高度h为5_10mm，钢制立柱在钢材件接触表面上成方阵分布，钢制立柱之间的距离为3-20mm，钢制立柱是由如下方式制得，当焊丝端部熔滴接触钢材件接触表面时，增大焊接电流，停留0.5-ls后，垂直向后抽丝，由于焊丝端部电阻热的存在，焊丝受热被拉断形成钢制立柱，操作全程中采用氩气保护；
步骤四、采用镍基合金焊丝在钢材件接触面上熔敷镍基合金金属层，根据钢制立柱的高度和每层镍基合金金属层的高度选取镍基合金金属层的层数，每层镍基合金金属层的厚度t为3-5_，镍基合金金属层整体高度H为9-15_ ；
步骤五、采用镍基合金焊丝，在镍基合金层表面堆有均匀分布的镍基合金立柱，镍基合金立柱的直径r为l-3mm，高度h为5_10mm，镍基合金立柱在镍基合金层表面上成方阵分布，镍基合金立柱间的距离为3-20mm，镍基合金立柱是由如下方式制得，当焊丝端部熔滴接触钢材件接触表面时，增大焊接电流，停留0.5-ls后，垂直向后抽丝，由于焊丝端部电阻热的存在，焊丝受热被拉断形成镍基合金立柱，操作全程中采用氩气保护；
步骤六、采用铝焊丝在镍基合金表面堆敷一层铝层，每层铝层厚度为3-5mm，铝层整体高度H为9-15mm，最终实现钢-镍-铝夹层式接头。步骤七、对铝钢接头进行进一步的机械加工，如切削、打磨等成型方法，最终实现钢-镍-铝夹层式接头。本发明采用的CMT电弧焊复合热源焊接技术，可以将送丝与焊接过程直接地连接起来，并实现无电流状态下的熔滴过渡，具有焊接热输入低，无飞溅过渡等优点，特别在增量制造领域，生产效率高，且对大型工件的生产成本要远低于激光束和电子束。本发明所述的待焊接件可以是板状件，也可以是管状件。本发明针对钢和镍的结合能力要远高于钢和铝，而镍铝之间的结合又优于钢和铝，因此采用镍合金作为钢-铝接头的过渡夹层，可以完全抑制铝钢之间脆性金属间化合物的生成，提高接头的连接强度，同时，由于层间立柱的存在，因此可以实现层与层之间的镶嵌式连接，从而进一步增加接头连接的牢固性，此外，在温差较大等极端工作环境下，层间金属立柱还可以阻碍金属结合层间的热胀冷缩行为，并将其中的力的作用均匀的分担在每个金属柱的侧向截面上，因此很好地抑制因钢、镍、铝热膨胀系数差异而产生的接头连接失效，特别是在缓解管 道接头中径向方向的涨缩行为时尤为明显。
图1是本发明的一种结构示意图。图2是本发明中钢材件的一种结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。如图所示，一种铝钢异种材料连接方法，通过CMT电源和数控编程，实现钢、镍、铝三种焊丝按特定行走路径的堆敷，最终制得由钢材件1、镍基合金金属层2和铝材件3构成的铝钢过渡接头，铝材件3可以是纯铝材料或铝合金材料，钢材件I包括碳含量小于0.25%的非合金钢或奥氏体不锈钢或马氏体不锈钢或双相不锈钢，包括以下步骤:
步骤一、将待焊接件的接触表面及周围30毫米范围内采用机械方式进行清理，如采用电动钢丝刷、砂布等，所述的待焊接件可以是板状件，也可以是管状件，
步骤二、采用有机溶剂或清洗剂，对机械清理后的表面进行细致的擦拭，清除残余的有机物或金属粉尘，机溶剂或清洗剂为丙酮、酒精等；
步骤三、采用的CMT电弧焊复合热源焊接技术，在钢材件I接触表面堆有均匀分布的钢制立柱4，钢制立柱4的直径r为l-3mm，高度h为5_10mm，钢制立柱4在钢材件I接触表面上成方阵分布，钢制立柱4之间的距离为3-20mm，钢制立柱4是由如下方式制得，当焊丝端部熔滴接触钢材件接触表面时，增大焊接电流，停留0.5-ls后，垂直向后抽丝，由于焊丝端部电阻热的存在，焊丝受热被拉断形成钢制立柱，操作全程中采用氩气保护；
步骤四、采用镍基合金焊丝在钢材件接触面上熔敷镍基合金金属层2，根据钢制立柱4的高度和每层镍基合金金属层2的高度选取镍基合金金属层的层数,每层镍基合金金属层的厚度t为3-5_，镍基合金金属层整体高度H为9-15_ ；
步骤五、采用镍基合金焊丝，在镍基合金层表面2堆有均匀分布的镍基合金立柱5，镍基合金立柱5的直径r为l-3mm，高度h为5_10mm，镍基合金立柱5在镍基合金层2表面上成方阵分布，镍基合金立柱5间的距离为3-20mm，镍基合金立柱5是由如下方式制得，当焊丝端部熔滴接触钢材件接触表面时，增大焊接电流，停留0.5-ls后，垂直向后抽丝，由于焊丝端部电阻热的存在，焊丝受热被拉断形成镍基合金立柱5，操作全程中采用氩气保护；步骤六、采用铝焊丝在镍基合金表面2堆敷一层铝层3，每层铝层厚度为3-5mm，铝层整体高度H为9-15mm，最终实现钢-镍-铝夹层式接头。步骤七、对铝钢接头进行进一步的机械加工，如切削、打磨等成型方法，最终实现钢-镍-铝夹层式接头。本发明可以采用的CMT电弧焊复合热源焊接技术，将送丝与焊接过程直接地连接起来，并实现无电流状态下的熔滴过渡，具有焊接热输入低，无飞溅过渡等优点，特别在增量制造领域，生产效率高，且对大型工件的生产成本要远低于激光束和电子束。本发明针对钢和镍的结合能力要远高于钢和铝，而镍铝之间的结合又优于钢和铝，因此采用镍合金作为钢-铝接头的过渡夹层，可以完全抑制铝钢之间脆性金属间化合物的生成，提高接头的连接强度，同时，由于层间立柱的存在，因此可以实现层与层之间的镶嵌式连接，从而进一步增加接头连接的牢固性，此外，在温差较大等极端工作环境下，层间金属立柱还可以阻碍金属结合层间的热胀冷缩行为，并将其中的力的作用均匀的分担在每个金属柱的侧向截面上，因此很好地抑制因钢、镍、铝热膨胀系数差异而产生的接头连接失效，特别是在缓解管道接头中`径向方向的涨缩行为时尤为明显。
权利要求
1.一种铝钢异种材料连接方法，其特征在于采用添加合金夹层与机械镶嵌相结合实现铝、钢异种材料间的连接，包含以下步骤: 步骤一、将待焊接件的接触表面及周围采用机械方式进行清理； 步骤二、采用有机溶剂或清洗剂，对机械清理后的表面进行细致的擦拭，清除残余的有机物或金属粉尘； 步骤三、采用钢焊丝，在钢材件接触表面堆有均匀分布的钢制立柱，钢制立柱的直径r为l-3mm，高度h为5_10mm，钢制立柱在钢材件接触表面上成方阵分布，钢制立柱之间的距离为3-20mm，钢制立柱是由如下方式制得，当焊丝端部熔滴接触钢材件接触表面时，增大焊接电流，停留0.5-ls后，垂直向后抽丝，由于焊丝端部电阻热的存在，焊丝受热被拉断形成钢制立柱，操作全程中采用氩气保护； 步骤四、采用镍基合金焊丝在钢材件接触面上熔敷镍基合金金属层，根据钢制立柱的高度和每层镍基合金金属层的高度选取镍基合金金属层的层数，每层镍基合金金属层的厚度t为3-5_，镍基合金金属层整体高度H为9-15_ ； 步骤五、采用镍基合金焊丝，在镍基合金层表面堆有均匀分布的镍基合金立柱，镍基合金立柱的直径r为l-3mm，高度h为5_10mm，镍基合金立柱在镍基合金层表面上成方阵分布，镍基合金立柱间的距离为3-20mm，镍基合金立柱是由如下方式制得，当焊丝端部熔滴接触钢材件接触表面时，增大焊接电流，停留0.5-ls后，垂直向后抽丝，由于焊丝端部电阻热的存在，焊丝受热被拉断形成镍基合金立柱，操作全程中采用氩气保护； 步骤六、采用铝焊丝在镍基合金表面堆敷一层铝层，每层铝层厚度为3-5mm，铝层整体高度H为9-15mm，实现钢-镍-铝夹层式接头。
2.根据权利 要求1所述的一种铝钢异种材料连接方法，其特征在于上述是采用CMT电弧焊复合热源焊接技术。
3.根据权利要求1所述 的一种铝钢异种材料连接方法，其特征在于待焊接件是板状件或管状件。
4.根据权利要求1所述的一种铝钢异种材料连接方法，其特征在于铝材件包括纯铝材料或铝合金材料。
5.根据权利要求1所述的一种铝钢异种材料连接方法，其特征在于钢材件包括碳含量小于0.25%的非合金钢或奥氏体不锈钢或马氏体不锈钢或双相不锈钢。
全文摘要
本发明公开一种新型的铝钢异种接头连接方法，其特征在于采用添加合金夹层与机械镶嵌相结合实现铝、钢异种材料间的连接，步骤为将待焊接件的接触表面及周围清理；采用有机溶剂或清洗剂擦拭；采用钢焊丝在钢材件接触表面堆有均匀分布的钢制立柱；采用镍基合金焊丝在钢材件接触面上熔敷镍基合金金属层；采用镍基合金焊丝在镍基合金层表面堆有均匀分布的镍基合金立柱；采用铝焊丝在镍基合金表面堆敷一层铝层，对铝钢接头进行进一步的机械加工成型，本发明克服了通常铝钢焊接时由铁铝金属间化合物导致的连接接头脆化，连接强度低等问题，还很好的解决了铝钢材料因热涨系数差异过大而造成的接头失效问题。
文档编号B23K9/007GK103231203SQ20131017168
公开日2013年8月7日 申请日期2013年5月11日 优先权日2013年5月11日
发明者孙清洁, 刘一搏, 曹健, 冯吉才 申请人:哈尔滨工业大学(威海)