一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法

本发明涉及钢-铝连接的，具体的，涉及一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法。

背景技术：

1、随着轻量化和多材料设计的发展,钢-铝混合结构在航空航天、汽车、船舶等领域得到越来越广泛的应用。激光焊接作为一种高效、精确的热源，被广泛应用于同种金属与异种金属的连接，由于钢-铝异种金属之间存在明显的物理性质差异，传统融化焊接方法效果较差，钢-铝激光焊接技术作为焊接领域的热点研究，吸引了材料科学与工程、激光焊接技术、热力学、焊接接头性能评价以及数值模拟等多个学术领域的关注。学者们致力于解决钢和铝这两种不同材料间熔点差异、熔池不均匀等问题，在探索激光焊接参数优化、热影响区域的相变现象、熔池动力学行为以及焊接接头的力学性能评价等方面展开深入研究。学术界力图理解钢-铝激光焊接过程的复杂性，为工业生产提供更可靠、高效的钢-铝焊接解决方案。

2、目前钢-铝异种金属焊接面临巨大的技术难题，主要体现在两种材料间存在显著的热物理性质差异，显著的物理性质的差异导致钢-铝异种金属焊接接头力学性能较差，其焊接性能恶化的主要原因可分为以下四点：

3、1、钢-铝异种金属焊接过程中，由于两种金属熔点和密度存在显著差异，当铝金属熔化时钢仍保持固态，且液态铝的密度仅为钢的1/3左右，这会导致熔化的铝优先浮于钢的表面，不利于获得均匀的焊缝，也会使焊接熔池内元素分布不均，从而严重恶化了钢铝异种金属焊接接头的力学性能。

4、2、钢和铝在热膨胀系数和热导率上存在显著差异，铝的膨胀系数约为钢的2倍，热导率约为钢的3倍，这会导致焊接过程中产生巨大的热应力，室温下形成的大量残余应力，凝固过程中产生大量缺陷，极易使钢铝焊接接头在抗拉强度和疲劳性能上明显恶化。

5、3、铝的活性高于钢，在空气中易形成al2o3氧化膜，且al2o3氧化膜极易吸水，在钢铝焊接过程中，铝表面附着的水分在热源作用下分解，在焊缝内形成气孔。另外，高熔点的al2o3氧化膜不易熔化，阻碍了液态金属的流动和聚集，导致夹渣的形成，直接影响了焊缝的熔合质量。

6、4、在钢铝异种金属焊接过程中，会在接头界面生成大量fe-al间化合物，如feal、fe3al、feal2和feal3等，这些金属间化合物导致钢铝接头在受力时出现脆性断裂，使焊接接头的力学性能显著降低。

7、当前钢铝异种金属激光焊接的主要技术方法包括:采用过渡层材料进行钢-过渡层、过渡层-铝分步焊接的过渡层焊接法；在钢-铝间插入过渡插片进行插片焊接法；使用钎料间接连接钢-铝的激光钎焊法；用高密度激光瞬间熔化焊丝的激光填丝焊焊接法；以及应用电磁场实现钢-铝激光磁场复合焊接法等。目前钢-铝激光焊接研究热点集中在过渡层焊接法和激光填丝焊接法等方面，钢-铝激光焊接接头的力学性能较差，焊接效率和速度较低、工艺成本较高且适用性能较差。

8、鉴于此，本发明提出一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法。

技术实现思路

1、本发明提出一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法，解决了相关技术中的钢-铝激光焊接接头的力学性能较差，焊接效率和速度较低、工艺成本较高且适用性能较差的问题。

2、本发明的技术方案如下：一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法，包括以下步骤：

3、s1：准备两块大小相同的钢板和铝板，并采用干砂纸打磨铝板表面；

4、s2：准备装有无水乙醇的弯嘴瓶，通过弯嘴瓶瓶嘴喷出无水乙醇对钢板表面以及打磨过后的铝板表面进行清洗；

5、s3：使用压缩空气对清洗后的铝板表面进行处理，使用无纺布对清洗后的钢板表面进行处理；

6、s4：将处理后的钢板-铝板重叠搭接，并通过固定装置对其相对位置进行固定；

7、s5：将相对位置固定后的钢板-铝板固定于焊接夹具上，并通过机器人控制激光器进行焊接的方法来获取w状的焊缝。

8、优选的，所述s1中干砂纸为800目的干砂纸，通过800目的干砂纸将铝板表面划痕打磨均匀，并打磨掉铝板表面的al2o3氧化膜。

9、优选的，在所述s2中，通过无水乙醇冲去打磨后铝板表面残余粉末和污渍，通过无水乙醇冲去钢板表面污渍、油渍与水渍等污物。

10、优选的，在所述s3中，使用压缩空气吹干铝板表面残余的无水乙醇，使用无纺布擦去钢板表面残余的无水乙醇。

11、优选的，所述s4中钢板-铝板重叠搭接30mm，且钢板位于铝板上方。

12、优选的，所述s4中的固定装置为两个15mm小号长尾夹，两个小号长尾夹夹持在钢板-铝板重叠搭接处的两端，对钢板-铝板的相对位置进行固定，利用小号长尾夹为钢板-铝板之间提供一定的下压力。

13、优选的，所述s5中激光器的焊接路径为钢-铝薄板重叠部分的中心位置。

14、优选的，所述s5中激光器激光光束直径为0.3mm，焦距为0，保护气使用氩气，送气角度为26°。

15、优选的，所述s5中机器人控制激光器进行焊接的方法为：机器人控制激光器发出的激光在移动的过程中以相等的位移间隔进行移动，且每个间隔点停滞相同的时间，当机器人控制激光在某一点停止移动时，该点的热量输入增加，导致该点熔池更深更宽，当机器人控制激光向前移动时，相比激光滞留点的热输入较小导致熔池的深度和宽度减小。

16、本发明的工作原理及有益效果为：

17、1、焊接效率和速度：相比于钢-铝激光焊接经常使用的插片焊接法、钢-铝的激光钎焊法和激光填丝焊焊接法，本发明焊接方法能够简化焊接过程，该方法能够更迅速地完成焊接任务，提高焊接效率。

18、2、质量和强度：本发明焊接方案可以有效的提高焊接接头的质量和强度。通过采用非均匀热输入焊接工艺获得了w型的焊缝，相比于传统的均匀热输入的平直焊缝，本发明方法的焊接接头平均的力学性能提高了67％，不仅仅改变了高铝含量焊缝铝元素的分布，并且改变了钢-铝焊接接头的断裂模式：由脆性断裂转变为韧性脆性相结合的断裂模式。这种工艺及方案对焊接接头的力学性能产生了重要优化作用。

19、3、适用范围：对于常见的钢-铝薄板适用性强，焊接条件要求不高，可以在相对简易的焊接条件实现高性能钢铝薄板搭接焊。

20、4、成本效益：相比于钢-铝激光焊接经常使用的插片焊接法、钢-铝的激光钎焊法和激光填丝焊焊接法，本发明不需要焊丝和中间层材料，能够简化焊接过程，可以大幅减少工艺成本。

21、5、新颖性与创新性：本发明通过改变焊接机器人的程序有效的提高了钢-铝激薄板激光搭接焊接接头的响度。

技术特征：

1.一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法，其特征在于，所述s1中干砂纸为800目的干砂纸，通过800目的干砂纸将铝板表面划痕打磨均匀，并打磨掉铝板表面的al2o3氧化膜。

3.根据权利要求1所述的一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法，其特征在于，在所述s2中，通过无水乙醇冲去打磨后铝板表面残余粉末和污渍，通过无水乙醇冲去钢板表面污渍、油渍与水渍等污物。

4.根据权利要求1所述的一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法，其特征在于，在所述s3中，采用压缩空气吹干铝板表面残余的无水乙醇。

5.根据权利要求1所述的一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法，其特征在于，在所述s3中，采用无纺布擦去钢板表面残余的无水乙醇。

6.根据权利要求1所述的一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法，其特征在于，所述s4中钢板-铝板重叠搭接30mm，且钢板位于铝板上方。

7.根据权利要求1所述的一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法，其特征在于，所述s4中的固定装置为两个15mm小号长尾夹，两个小号长尾夹夹持在钢板-铝板重叠搭接处的两端，对钢板-铝板的相对位置进行固定，利用小号长尾夹为钢板-铝板之间提供一定的下压力。

8.根据权利要求1所述的一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法，其特征在于，所述s5中激光器的焊接路径为钢-铝薄板重叠部分的中心位置。

9.根据权利要求1所述的一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法，其特征在于，所述s5中激光器激光光束直径为0.3mm，焦距为0，保护气使用氩气，送气角度为26°。

10.根据权利要求1所述的一种适用于钢-铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法，其特征在于，所述s5中非均匀热输入焊接工艺为：机器人控制激光器发出的激光在移动的过程中以相等的位移间隔进行移动，且每个间隔点停滞相同的时间，当机器人控制激光在某一点停止移动时，该点的热量输入增加，导致该点熔池更深更宽，当机器人控制激光向前移动时，相比激光滞留点的热输入较小导致熔池的深度和宽度减小。

技术总结
本发明涉及钢‑铝连接的技术领域，提出了一种适用于钢‑铝薄板激光搭接焊接的新型工艺及方法，本发明焊接方案可以有效的提高焊接接头的质量和强度。通过采用非均匀热输入焊接工艺获得了W型的焊缝，相比于传统的均匀热输入的平直焊缝，本发明方法的焊接接头平均的力学性能提高了67％，不仅仅改变了高铝含量焊缝铝元素的分布，并且改变了钢‑铝焊接接头的断裂模式：由脆性断裂转变为韧性脆性相结合的断裂模式。这种工艺及方案对焊接接头的力学性能产生了重要优化作用。可以在相对简易的焊接条件实现高性能钢铝薄板搭接焊。不需要焊丝和中间层材料，能够简化焊接过程，可以大幅减少工艺成本和优化焊接接头性能，能够更加迅速地完成焊接任务。

技术研发人员：牟洪林,李振兴,胡增荣,王晓南,骆顺存,张海
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1