專利名稱：鋁/鋼異種金屬冷金屬過渡連接方法
技術領域：
本發明涉及的是異種金屬的焊接連接技術方法。
背景技術：
由于!^-Al之間的晶體結構、物理及化學性能相差懸殊，造成鋁鋼的焊接性很差， 集中體現在(1)被焊接頭容易氧化；( 焊縫成分不均勻；C3)焊接變形大且易產生較大的焊接應力；(4)焊接接頭容易產生裂紋。最主要的是在鋼與鋁或鋁合金的焊接過程中， 容易生成硬而脆的各種金屬間化合物，這就增加了焊縫的脆性，降低了焊縫的塑性和韌性。 基于以上焊接特點，結合工程應用的實用性以及國內外研究現狀，目前主要集中通過釬焊、 壓力焊、擴散焊、電阻點焊、攪拌摩擦焊、等固相連接實現鋁鋼異種金屬的連接。然而，采用一般的熔化焊接方法時，以上這些因素給兩者之間的連接造成了困難， 特別是結合面金屬間化合物厚度超過 ο μ m時性能將會大大降低。若采用其他焊接方法， 比如壓力焊接和釬焊，接頭的形狀受到限制，且效率也大大降低。CMT(Cold Metal Transfer)冷金屬過渡技術有廣泛的應用領域，幾乎可以應用于已知的所有可焊材料，如微電子器件，機車制造行業，航天領域及橋梁和鋼結構。CMT工藝將焊絲的運動同熔滴過渡過程相結合，在焊接過程中實現冷-熱交替焊接，大幅度降低熱輸入量、變形小、無飛濺、搭橋能力好、焊縫均勻一致、焊接速度高、運行成本低，為薄板的焊接提供了完美的解決方案，并已為眾多歐州、日本和美國的公司所接受和采用。基于鋁鋼焊接技術的發展有重大意義，但是鋁鋼焊接又存在一些不足之處，如焊縫成形不均勻光滑，有宏觀缺陷，不能有效地控制焊接熱輸入及鋁鋼界面層金屬間化合物的厚度，影響了接頭的力學性能。

發明內容
本發明的目的是提供一種鋁/鋼異種金屬冷金屬過渡連接方法。本發明是鋁/鋼異種金屬冷金屬過渡連接方法，采用一種含鋁硅元素的鋁合金焊絲焊接，通過冷金屬過渡焊，焊接時通過熔化鋁合金焊絲以及鋁合金母材，在鋁板一側形成熔化焊連接，同時鋼板保持為固態，在鋼板一側實現釬焊連接，形成熔-釬焊搭接接頭。本發明的有益效果為通過采用在鋁及鋁合金與鍍層鋼板焊接過程中偏離鋼板一側的焊接技術，利用CMT(Cold Metal Transfer)焊的焊接方法，通過調整各種焊接工藝參數及改善工藝條件，確保焊縫成形良好，均勻光滑，無宏觀缺陷。特別是該方法能有效控制焊接熱輸入及鋁鋼界面層金屬間化合物的厚度，顯著提高了接頭的力學性能，實現了鋁鋼異種金屬的有效連接。


圖1為本發明焊接工藝方法示意圖，圖中1為鋁合金，2為鍍鋅鋼板，3為鋁合金焊絲，4為焊槍，5為焊嘴。
圖2為鋁合金與鍍鋅鋼板焊接搭接接頭結構示意圖，圖中H為焊嘴離鋁母材垂直距離，L為搭接寬度。圖3為采用焊絲送進位置偏離鋁鋼搭接縫隙的距離為Imm時，焊縫的宏觀成形。圖4為采用焊絲送進位置偏離鋁鋼搭接縫隙的距離為Imm時，焊接接頭的橫截面圖。圖5為采用焊絲送進位置偏離鋁鋼搭接縫隙的距離為Imm時，拉伸試樣斷裂圖。圖6為采用焊絲送進位置偏離鋁鋼搭接縫隙的距離為2mm時，焊縫的宏觀成形。圖7為采用焊絲送進位置偏離鋁鋼搭接縫隙的距離為2mm時，焊接接頭的橫截面圖。圖8為采用焊絲送進位置偏離鋁鋼搭接縫隙的距離為2mm時，拉伸試樣斷裂圖。
具體實施例方式本發明是鋁/鋼異種金屬冷金屬過渡連接方法，采用一種含鋁硅元素的鋁合金焊絲焊接，通過冷金屬過渡焊，焊接時通過熔化鋁合金焊絲以及鋁合金母材，在鋁板一側形成熔化焊連接，同時鋼板保持為固態，在鋼板一側實現釬焊連接，形成熔-釬焊搭接接頭。由于鋁的熔點僅為610°C，而鋼的熔點為1500°C，所以在電弧的作用下只有上層金屬鋁熔化，而下層金屬鋼板沒有熔化或只有微熔；接頭由釬焊接頭和熔化焊焊接接頭兩部分組成。在鋁及鋁合金一側實現熔焊接頭，在鍍鋅鋼板一側實現釬焊接頭。焊前，先后對鋁合金母材進行機械、化學處理。首先用砂紙和鋼絲刷將鋁合金試件表面的氧化膜去除，再用丙酮、汽油、煤油等有機溶劑去除鋁合金板上的水漬和油污，再對上述鋁合金分別進行堿洗和酸洗，流動水沖洗。風干或低溫干燥待用；用丙酮、汽油、煤油等有機溶劑去除鍍鋅鋼板上的水漬和油污，干燥環境中晾干待用。將表面處理干凈的試板組合成搭接接頭(鋁合金板在上，鍍鋅鋼板在下)。搭接的寬度為10mm，然后利用CMT (Cold Metal Transfer) 3200焊機進行焊接，焊接時焊絲送進位置偏離鋁合金板材邊0_2mm，調節焊接工藝參數，進行施焊。最后得到成形美觀、性能良好的熔釬焊搭接接頭。下面結合附圖和實施案例對本發明作詳細說明。實施例1 偏離Imm本實施案例的上層金屬板為Imm厚度的變形鋁合金AA6061板材，下層鍍鋅板為厚度為Imm的HDG60板材，尺寸均為100 X 200mm。焊前，鋁合金板材先用機械處理方式除去表面的氧化膜，再用丙酮等有機溶劑去除表面油脂，最后對上述清洗后鋁合金分別進行堿洗和酸洗，風干或低溫干燥待用。用丙酮等有機溶劑去除鍍鋅鋼板上的水漬和油污，干燥環境中晾干待用。焊接時所用的焊絲為直徑Φ 1.2mm的ER4043 (AlSi5)。如圖1和圖2所示，采用搭接的焊接方式，鋁合金1在上，鍍鋅層鋼板2在下，搭接寬度L為10mm。用焊接夾具夾緊固定。CMT熔釬焊工藝參數選擇如下電弧電壓10V，焊接電流45A，送絲速度3. Om/min, 焊接速度5mm/s。焊槍4與鋁母材1成45度夾角，焊嘴5離鋁母材1垂直距離為7mm，焊絲3送進位置偏離鋁母材1邊緣O-Imm處，采用氬氣作為保護氣體，焊接時氣流量為15L/min。在該焊接工藝參數條件下，CMT熔釬焊工藝穩定性好，接頭正面成形美觀，接頭表面形成連續均勻的、無飛濺的、窄而低的魚鱗狀的焊縫，如圖3所示。并且接頭的背面鍍鋅鋼板顏色略有變化，鍍鋅層燒損較少，有利于保持鍍鋅鋼板的抗腐蝕性。焊后母材變形量小，與焊縫相比無明顯彎曲。同時對其截面進行分析，發現該種焊接方法余高較低，潤濕角較小，由圖可知余高高度為2. 4mm，潤濕角角度為18°。鋅起到了很好的潤濕鋪展作用，如圖4所示。因此，采用本焊接方法可大大減小連接母材的變形量。該方法得到的接頭結合面金屬間化合物種類沿著鋼一釬焊結合面一焊縫熔化區這條路徑上，相分布變化趨勢為 α -Fe固溶體，Fe3Al, FeAl3, Fe2Al5, FeAl金屬間化合物，α Al+Si的共晶。金屬間化合物尺寸為4 μ m。焊后，為了檢測接頭力學性能，室溫(20°C)下在WDW-100D的微機控制電子式萬能試驗機上進行靜態拉伸試驗，測量接頭的抗拉剪強度，拉伸速度為lmm/min，試驗結果表明， 斷裂發生在遠離熱影響區的鋁母材，如圖5所示，斷裂部分有頸縮現象。焊接接頭的抗拉剪強度可達204MPa，能夠滿足實際應用的需求。拉伸過程中由于搭接接頭的受力狀況和母材平板拉伸的受力狀況不同，故試驗斷裂在母材的強度和鋁母材平板拉伸強度有所不同。實施例2 偏離2mm本實施案例的上層金屬板為Imm厚度的變形鋁合金AA6061板材，下層鍍鋅板為厚度為Imm的HDG60板材，尺寸均為100 X 200mm。焊前，鋁合金板材先用機械處理方式除去表面的氧化膜，再用丙酮等有機溶劑去除表面油脂，最后對上述清洗后鋁合金分別進行堿洗和酸洗，風干或低溫干燥待用。用丙酮等有機溶劑去除鍍鋅鋼板上的水漬和油污，干燥環境中晾干待用。焊接時所用的焊絲為直徑Φ 1.2mm的ER4043 (AlSi5)。如圖1和圖2所示，采用搭接的焊接方式，鋁合金1在上，鍍鋅層鋼板2在下，搭接寬度L為10mm。用焊接夾具夾緊固定。CMT (Cold Metal Transfer)熔釬焊工藝參數選擇如下電弧電壓12V，焊接電流 60A，送絲速度4. Om/min，焊接速度6mm/s。焊槍4與鋁母材1成60度夾角，焊嘴5離鋁母材1垂直距離為10mm，焊絲3送進位置偏離鋁母材1邊緣l_2mm處，采用氬氣作為保護氣體，焊接時氣流量為15L/min。在該焊接工藝參數條件下，鍍層鋼板上的鋅元素大大提高了熔融狀態的鋁在鋼上的潤濕性和鋪展性，獲得了良好的焊接接頭。接頭形貌連續、均勻、美觀，無飛濺，裂紋、氣孔等缺陷少，如圖6所示。同時焊后接頭背面鍍鋅層燒損較少，母材變形量小，并且接頭余高較低，潤濕角較小，如圖7所示。由圖可知焊縫余高為2. 7mm，潤濕角角度為20°。因此， 采用本焊接方法可大大減小連接母材的變形量。采用該方法得到的接頭結合面金屬間化合物種類沿著鋼一釬焊結合面一焊縫熔化區這條路徑上，相分布變化趨勢為α "Fe固溶體， !^3AUeAl3, !^2Al5JeAl金屬間化合物，α Al+Si的共晶。金屬間化合物尺寸為5 μ m。焊后，進行力學性能分析。此實施方式與實施例1相同，試驗結果表明，斷裂發生在遠離熱影響區的鋁母材，斷裂部分有頸縮現象，如圖8所示。焊接接頭的抗拉剪強度可達 195MPa,因此該工藝方法可達到較高的抗拉剪強度，能夠滿足實際應用的需求。拉伸過程中由于搭接接頭的受力狀況和母材平板拉伸的受力狀況不同，故試驗斷裂在母材的強度和鋁母材平板拉伸強度有所不同。
權利要求
1.鋁/鋼異種金屬冷金屬過渡連接方法，其特征在于采用一種含鋁硅元素的鋁合金焊絲焊接，通過冷金屬過渡焊，焊接時通過熔化鋁合金焊絲以及鋁合金母材，在鋁板一側形成熔化焊連接，同時鋼板保持為固態，在鋼板一側實現釬焊連接，形成熔-釬焊搭接接頭。
2.根據權利要求1所述的鋁/鋼異種金屬冷金屬過渡連接方法，其特征在于對普通低碳鋼或低合金鋼板進行鍍鋅處理，進行鍍鋅處理后的板材厚為1mm，其中鍍鋅層厚為60g/2m ο
3.根據權利要求1所述的鋁/鋼異種金屬冷金屬過渡連接方法，其特征在于使用含鋁硅元素的鋁合金焊絲，其化學成分(%)為:Si 4. 5-6. 0，Fe :0. 8,Cu :0. 3,Ti :0. 2,Zn :0. 1， Mn :0. 05，Mg :0. 05，其余為 Al。
4.根據權利要求1所述的鋁/鋼異種金屬冷金屬過渡連接方法，其特征在于焊接電壓 10 12V，焊接電流45 60A，送絲速度3. 0 4. Om/min,焊接速度5. O 6. Omm/s，焊槍與焊接母材成45-60度夾角，焊嘴離母材垂直距離為7 10mm，焊絲送進位置偏離鋁板板邊緣 0-2mm處，采用氬氣作為保護氣體，焊接時氣流量為15L/min。
全文摘要
鋁/鋼異種金屬冷金屬過渡連接方法，采用一種含鋁硅元素的鋁合金焊絲焊接，通過冷金屬過渡焊，焊接時通過熔化鋁合金焊絲以及鋁合金母材，在鋁板一側形成熔化焊連接，同時鋼板保持為固態，在鋼板一側實現釬焊連接，形成熔-釬焊搭接接頭。
文檔編號B23K1/20GK102500853SQ20111031079
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月14日 優先權日2011年10月14日
發明者余剛, 曹睿, 陳劍虹 申請人:蘭州理工大學