一种铝合金/钢激光-磁场复合熔钎焊接方法与流程

本发明涉及焊接领域，具体地指一种铝合金/钢激光-磁场复合熔钎焊接方法。

背景技术

铝合金质量轻、导热性好、耐蚀性好，而钢作为制造业中主要的传统材料，其强度高、韧塑性好、适用性广。铝合金/钢复合结构不仅可以发挥两者优点，而且在保证性能的前提下使制造产品整体轻量化，因而在航空航天、机械装备、轨道交通等国民经济重大领域具有广泛的应用前景。

常规的机械连接(如铆接、螺栓连接等)虽然可以实现铝合金/钢的宏观连接，但复合结构存在气密性差或表面质量问题，难以满足日益发展的工业制造的需求。而采用焊接方法时，由于铝/钢熔化状态下的物理性能差异大，且两者间的固溶度低，导致接头界面处(层)易产生大量的fe-al脆性金属间化合物(fexaly)。这些化合物晶体结构与母材金属迥异，且硬度高、脆性大，集中时极易诱导铝合金/钢界面处产生大量微裂纹，严重恶化接头的力学性能。

近年来，为降低界面处fe-al脆性金属间化合物的生成量，国内外学者提出了多种焊接方法如搅拌摩擦焊、爆炸焊、磁脉冲焊、超声波焊等固相焊接方法，以及扩散连接焊、搅拌摩擦钎焊等液固相焊接方法。大量的研究表明，这些方法均能够基本地控制界面fe-al脆性金属间化合物的生成厚度，但其对焊接条件要求苛刻，应用局限性明显，且生产效率低。铝合金/钢的高质效焊接仍极具挑战。

虽然众多学者解决界面处脆性金属间化合物方法较多，但各有利弊。通过对比分析可知，激光熔钎焊具有热输入量小、热源易控制、高效、可达性强等优点，是目前实现铝合金/钢复合结构高质效连接比较理想的选择。但铝合金/钢复合结构激光熔钎焊接存在以下技术难题：

(1)铝合金/钢复合接头的组织不均匀；

(2)铝合金/钢复合结构结合面的连接强度低；

(3)铝合金/钢焊接时界面处形成较大的温度梯度和应力梯度，诱导热裂纹的产生。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对铝合金/钢激光熔钎焊存在组织不均匀、结合面连接强度低等技术问题，本发明提供一种铝合金/钢激光-磁场复合熔钎焊接方法。

为了实现上述目的，本发明所设计的铝合金/钢激光-磁场复合熔钎焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1对待搭接的铝合金和钢板进行清理固定；

s2根据所需焊接厚度选择激光能量，并选择锌铝合金或者铝硅合金焊丝作为填充金属；本发明中选择锌铝合金，锌的存在可以改善钢铝界面处液态金属的铺展性与润湿性。

s3控制送丝速度和交变磁场的参数，使焊接组织中的针状组织被打断，实现细长针状组织向细小棒状组织转变，以形成在铝合金和钢板搭接面形成锯齿状连接的焊接结构。

进一步地，所述步骤s1的具体过程包括：

采用机械化学方法去除铝合金和钢板表面的油污和氧化物薄膜；

通过夹具对铝合金和钢板进行固定；

用丙酮对搭接面和焊接表面进行擦拭，去除油污。

进一步地，铝合金和钢板的界面脆性金属间化合物层厚度为10-14μm。

更进一步地，所述步骤s2中激光能量为2.5～3kw。优选地，激光能量采用2.73kw。

再进一步地，所述步骤s3中送丝速度为0.8～1.2m/min，所述激光的焊接速度与送丝速度大小相同；且所述交变磁场的频率为150hz。

进一步地，激光入射方向偏转一定角度，避免激光“高反”现象。

进一步地，所述交变磁场由设置在铝合金和钢板搭接面正下方的线圈、铁芯和励磁电源组成的电磁发生器产生。

进一步地，所示铝合金和钢板的搭接面长度为40mm。

本发明的优点在于：

1)利用激光线能量准确可控的优点来控制铝合金/钢界面处(层)脆性金属间化合物的厚度，与此同时利用交变磁场作用下产生的洛伦兹力对熔池中液态金属进行搅拌，控制焊缝区及界面处(层)的晶粒生长，进而细化两处的微观组织；

2)在激光-磁场复合焊接过程中添加锌铝合金焊丝，利用交变磁场产生的洛伦兹力作用对焊缝成分进行冶金调控，从而改善熔池在钢表面的润湿性和铺展性，提高铝合金/钢复合结构界面处的结合性；

3)通过交变磁场产生的洛伦兹力来搅拌熔池，改变溶质分布及界面处(层)的温度梯度与应力分布，从而抑制过大的温度梯度和应力造成界面处晶粒粗化与开裂，实现界面处(层)晶粒生长模式的有效调控。采用150hz的交变磁场与激光熔钎焊接配合，原来的针状组织(不加磁场熔钎焊接时)会被打断，组织变得细化，实现细长针状组织向细小棒状组织转变，促使界面处形成锯齿状连接。之前焊缝出现成分偏析，组织分布不均，现在交变磁场搅拌，减少成分偏析，组织相对均匀，增强铝合金/钢界面处的连接强度。

4)该种方法获得的铝合金/钢复合接头具有较高的连接强度，有望应用到航空航天、轨道交通、汽车等领域的轻量化关键装备。

附图说明

图1为本发明实施铝合金/钢激光-磁场复合熔钎焊结构示意图；

图2为不同磁场条件下铝合金/钢结合面形貌。

图中：激光头1、焊枪2、激光束3、焊丝4、钢板5，铝合金6，线圈7，励磁电源8，v为焊接方向，b为磁感应强度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

针对上述铝合金/钢激光熔钎焊存在组织不均匀、结合面连接强度低等技术问题，本发明提供一种铝合金/钢激光-磁场复合熔钎焊接方法，包括以下步骤：

s1对待搭接的铝合金和钢板进行清理固定；

s2根据所需焊接厚度选择激光能量，并选择锌铝合金或者铝硅合金焊丝4作为填充金属；本发明中选择锌铝合金，锌的存在可以改善钢铝界面处液态金属的铺展性与润湿性。

s3控制焊枪2的送丝速度和交变磁场的参数，使焊接组织中的针状组织被打断，实现细长针状组织向细小棒状组织转变，以形成在铝合金和钢板搭接面形成锯齿状连接的焊接结构。

首先采用机械化学方法去除铝合金6和钢板5表面的油污和氧化物薄膜，通过自制夹具对搭接的铝合金和钢板进行固定，固定前需使用丙酮对搭接面和焊接表面进行擦拭，去除两处的油污。本发明的搭接面搭接重合宽度为40mm。

考虑到焊接过程中需要同时熔化填充焊丝4和铝合金6板材，需调整好激光束3光斑能量在焊丝和铝合金板材(端部)的能量几何分配，确保焊接过程中下面的钢板5没有熔化，离焦量选用+30～35mm。离焦量的作用是降低焊接过程中的激光能量密度；降低焊接过程中送丝工程中的装配精度。本发明的铝合金和钢板焊接界面脆性金属间化合物层厚度为10～14μm，所述激光束3的能量选择2.5～3kw，优选地，采用2.73kw的激光进行焊接。

为避免焊接过程中发生激光“高反”现象，需将激光头1的激光入射方向偏转一定的角度α。由于焊接位置在铝合金板材端部，此时需将调整焊枪与钢板之间成一定角度β。该偏转角度的选取可根据实验的经验选择。为了获得良好的焊缝表面成形，需在焊接过程中焊缝表面通入一定的氩气抑制高温条件焊缝的表面氧化。焊接过程送丝速度采用0.8～1.2m/min，激光的焊接速度跟送丝速度大小相同。

在铝合金/钢板搭接面正下方放置一个固定线圈，线圈7内部插入铁芯，该线圈与励磁电源8形成闭合回路。通过改变交变电流的大小，在焊件熔池内部形成周期性变化的磁场强度，该交变磁场作用下焊缝区熔化的金属液内部会产生电磁搅拌力(洛伦兹力fe)，fe＝j×b＝σe(e+u×b)×b其中：j为电流密度(矢量)；b为磁通密度(矢量)；e为电场强度(矢量)；σe为材料的电导率；u为流体流动速度(矢量)。本发明中采用的交流磁场为150hz。采用励磁电源与固定线圈组成闭合回路，通过改变交变电流的大小来获得不同强度的磁场；由于交变磁场的方向与大小在不断发生变化，铝合金/钢激光-磁场复合熔钎焊接熔池中液态金属内部就会产生一个周期性变化的洛伦兹力，该力作用下促使熔池运动轨迹和溶质分布发生变化，促使焊缝区及铝合金/钢界面处(层)的组织形态、分布发生变化。

通过交变磁场产生的洛伦兹力来搅拌熔池，改变溶质分布及界面处(层)的温度梯度与应力分布，从而抑制过大的温度梯度和应力造成界面处晶粒粗化与开裂，实现界面处(层)晶粒生长模式的有效调控。采用150hz的交变磁场与激光熔钎焊接配合，原来的针状组织(不加磁场熔钎焊接时)会被打断，组织变得细化，实现细长针状组织向细小棒状组织转变，促使界面处形成锯齿状连接。之前焊缝出现成分偏析，组织分布不均，现在交变磁场搅拌，减少成分偏析，组织相对均匀，增强铝合金/钢界面处的连接强度。

如附图2所示，交变磁场作用下可以促使铝合金/钢结合面形状由直线连接向锯齿状连接转变，导致界面处由纯粹的机械连接向“咬结”转变，从而增强铝合金/钢复合焊接接头结合面的连接强度，与不加磁场焊接相比，该方法可以使接头连接强度提高71％(拉伸试样标准参照gb/t2651-2008/iso4136:2001)。

铝合金/钢激光-磁场复合熔钎焊接过程中，选用锌铝合金焊丝作为填充金属，通过焊丝合金成分的加入和交变磁场产生的洛伦兹力作用来调控焊缝熔池中液态金属的成分、界面处(层)溶质梯度与温度场分布以及改善铝合金/钢搭接面液态金属的毛细作用与铺展性。

铝合金/钢激光-磁场复合熔钎焊接过程中，可通过准确控制激光线能量来调控界面处(层)脆性金属间化合物的厚度；与此同时，通过交变磁场产生的洛伦兹力对熔池中液态金属进行搅拌，改变金属液运动轨迹以及溶质的对流特性，减少局部溶质成分偏析，促使局部金属液中溶质梯度和界面生长机制发生变化，获得均匀的温度场与细化的焊缝组织，进而提高铝合金/钢板结合面的连接强度。

本发明的优点是：

1)利用激光线能量准确可控的优点来控制铝合金/钢界面处(层)脆性金属间化合物的厚度，与此同时利用交变磁场作用下产生的洛伦兹力对熔池中液态金属进行搅拌，控制焊缝区及界面处(层)的晶粒生长，进而细化两处的微观组织；

2)在激光-磁场复合焊接过程中添加锌铝合金焊丝，利用交变磁场产生的洛伦兹力作用对焊缝成分进行冶金调控，从而改善熔池在钢表面的润湿性和铺展性，提高铝合金/钢复合结构界面处的结合性；

3)利用洛伦兹力的作用控制界面处(层)晶粒的生长模式，改变铝合金/钢复合结构界面处的形貌与组织，促使界面处由直线连接向齿状连接转变，增强铝合金/钢界面处的连接强度；

4)该种方法获得的铝合金/钢复合接头具有较高的连接强度，有望应用到航空航天、轨道交通、汽车等领域的轻量化关键装备。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。