專利名稱：包覆鋼一側接頭的鋁-鋼工件熔-釬焊焊接方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包覆鋼一側接頭的鋁-鋼工件熔-釬焊焊接方法，實現(xiàn)熱物性相差很大的異種材料之間的焊接，屬于金屬焊接技術領域。
背景技術：
鋁材的使用能夠大幅度減輕機械設備等的自重，例如，具有鋁-鋼結構的汽車車身，船舶塔臺與甲板，以及由鋁合金與不銹鋼共同構成的日常生活用品等。以焊接的方式實現(xiàn)鋁-鋼工件的連接成為金屬焊接領域的技術問題。為了解決這一技術問題，該領域出現(xiàn)了在添加的鋁基釬料與鋁合金一側發(fā)生熔焊、與鋼一側發(fā)生釬焊的熔-釬焊焊接方法。該類方法避免在鋼一側發(fā)生鋼與鋁基釬料的互溶。因為，鋁、鋼之間的固溶度較低、熱物理性能差異較大，在熔融狀態(tài)下兩者極易發(fā)生反應，生成脆性的金屬間化合物，這種脆性的金屬間化合物極大地降低了焊接接頭的力學性能。下面結合具體例子說明該類方法。申請?zhí)枮?00910072270. 2的一件中國發(fā)明專利申請公開了一項題為“一種采用在鋼表面預置Al涂層實現(xiàn)鋁-鋼焊接的方法”的技術方案。該方案先在鋼接頭表面進行熱浸鍍鋁，預置Al涂層，再與鋁接頭搭接，然后利用MIG焊機進行焊接，實現(xiàn)鋁-鋼工件的熔-釬焊。所采取的鍍鋁措施其目的是潤濕鋼件接頭，從而可以降低焊接溫度，進而避免發(fā)生鋁、鋼互溶。由于熱浸鍍鋁工序的加入導致整個鋁-鋼焊接過程變得復雜。同時，由于 MIG焊較激光焊而言，熱輸入大，會導致鋁-鋼焊接接頭熱影響區(qū)范圍較大，而熱影響區(qū)往往是整個焊接接頭強度最小區(qū)域，熱影響區(qū)范圍的擴大導致焊接強度降低。此外，該方案以鋁-鋼工件接頭搭接的方式完成焊接，因此，不適合其他一些方式如對接的焊接。申請?zhí)枮?00910073465. 9的一件中國發(fā)明專利申請公開了一項題為“適用于鋁/ 鋼異種合金對接的輔助涂層TIG熔-釬焊方法”的技術方案。焊接前，用丙酮或者無水乙醇將一種具有腐蝕性的釬劑調成乳濁液，再用所述乳濁液涂刷鋼工件接頭坡口，腐蝕該坡口表面，吹干該涂層。經(jīng)釬劑腐蝕的坡口易于釬料潤濕，從而可降低焊接溫度，避免鋼一側接頭在焊接過程中發(fā)生融化。該方案還在鋼一側接頭處采用紫銅板襯底導熱，在鋁一側接頭處采用鋼襯底導熱，使得鋼一側接頭的導熱優(yōu)于鋁一側接頭的導熱，避免鋼一側接頭在焊接過程中熔化。采用TIG焊完成鋁-鋼工件的熔-釬焊。然而，該方案采用的具有腐蝕性的釬劑會對環(huán)境造成嚴重的污染。涂刷釬劑不均勻會降低焊接強度均勻性。開坡口工序的增設以及導熱襯底的加入導致工藝復雜，成本提高。

發(fā)明內容
為了簡化焊接工藝，降低焊接成本，同時確保鋁-鋼工件的焊接強度，實現(xiàn)鋁-鋼工件對接激光熔-釬焊，我們發(fā)明了一種包覆鋼一側接頭的鋁-鋼工件熔-釬焊焊接方法。本發(fā)明之方法的焊接工件為鋁-鋼工件，即焊接工件一側為鋁工件1，一側為鋼工件2，其特征在于，鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接，采用激光焊接，在鋼工件焊接接頭4朝向焊接激光5 —側表面包覆鋁質包覆層6，在焊接過程中向鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接處施以鋁基釬料，見圖1、圖2所示。采用本發(fā)明之方法焊接鋁-鋼工件，無需對鋼工件焊接接頭做鍍鋁處理，無需將鋁工件焊接接頭與鋼工件焊接接頭加工出坡口，無需對鋁工件焊接接頭與鋼工件焊接接頭進行表面腐蝕處理，無需在鋁工件及鋼工件下方鋪設導熱襯底。只需將鋁工件、鋼工件對接，在鋼工件焊接接頭朝向焊接激光一側表面包覆鋁質包覆層即可。大幅簡化焊接工序，從而降低焊接成本。采用激光焊接，減小熱影響區(qū)，提高焊接強度。在鋁質包覆層的遮擋下， 降低鋼工件焊接接頭對激光的吸收率，并促進該側激光能量的傳導，從而避免在鋁工件焊接接頭熔化時，鋼工件焊接接頭也熔化。在焊接過程中，鋁質包覆層熔化后成為輔助釬料， 與鋁基釬料結合，有助于鋁-鋼工件的嚴密焊接。最終實現(xiàn)鋁-鋼工件的熔-釬焊。


圖1是本發(fā)明之方法立體示意圖，該圖兼作為摘要附圖。圖2是本發(fā)明之方法從鋁-鋼工件對接端面觀察其工況示意圖。圖3是本發(fā)明之方法采用電弧-激光復合熱源焊接情況立體示意圖。
具體實施例方式見圖1、圖2所示。鋁工件1為板材或者棒材，材質為純鋁或者鋁合金，如 A5052-H32鋁合金或者A6061-T4鋁合金。鋼工件2為板材或者棒材，材質為普通低碳鋼或者低合金鋼，如JSC270CC低碳鋼、DC06低合金鋼。清洗鋁-鋼工件焊接接頭。如采用氫氧化鈉溶液去除鋁工件焊接接頭3表面的氧化層，并用丙酮清除鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4表面油污。將鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接。如鋁工件1板材與鋼工件2板材對接，或者鋁工件1棒材與鋼工件2棒材對接。采用激光焊接，如采用 Nd: YAG激光器，激光波長1.0611111，額定最大輸出功率40001，或者采用CO2激光器，激光波長為10. 6 μ m，額定最大輸出功率為5000W。焊接激光5功率P為800 2500W，焊接速度ν 為0. 5 4. 5m/min,離焦量-2 0mm，焊接激光5輻照在鋁-鋼工件焊接接頭表面的光斑直徑為0. 4 1. Omm,焊接激光5光斑中心位于鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接處。保護氣體為Ar氣，或者是He氣和Ar氣按2 3體積比形成的混合氣體。保護氣體吹向鋁-鋼工件焊接接頭表面，流量10 25升/分。焊接前在鋼工件焊接接頭4朝向焊接激光5—側包覆鋁質包覆層6。采用條狀鋁箔作為鋁質包覆層6。條狀鋁箔的寬度大于等于焊接激光3光斑半徑。鋁箔材質為純鋁或者與鋁工件1母材材質一致的鋁合金。當鋁箔材質為純鋁時，其厚度為0. 03 0. 3mm ；當鋁箔材質為鋁合金時，其厚度為0. 03 5mm。采用氫氧化鈉溶液去除鋁箔表面氧化層，并用丙酮清除鋁箔表面油污。在焊接過程中，在鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接處施以鋁基釬料。鋁基釬料的形態(tài)為粉末狀或者絲狀。 鋁基釬料的材質為材質為AlSil2。鋁基釬料形態(tài)為粉末狀時，粉末粒徑為45 ΙΙΟμπι，送粉量5 8g/min，粉末載氣流量6 8升/分，送粉角度45°。鋁基釬料形態(tài)為絲狀時，也就是采用焊絲7焊接，見圖3所示，焊絲直徑1. 0 1. 2mm，用MIG焊焊槍8送絲焊接，送絲速度6 Sm/min，送絲角度45°。MIG焊先于激光焊接，激光焊接緊隨其后，此時，焊接熱源為電弧-激光復合熱源。MIG焊機電流160 180A，電壓25 30V。鋁-鋼工件為板材時，對鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接處一側施焊后，再對鋁工件焊接接頭3與
4鋼工件焊接接頭4對接處另一側施焊。鋁-鋼工件為棒材時，對鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接處進行環(huán)形施焊。 按照上述方法焊接鋁-鋼工件，鋁基釬料以及熔化后的鋁箔作為輔助釬料與鋁工件焊接接頭3熔接，與鋼工件焊接接頭4釬接，實現(xiàn)鋁-鋼工件的熔-釬焊。在拉伸試驗中， 經(jīng)熔-釬焊的鋁-鋼工件其斷裂位置發(fā)生在鋁工件焊接接頭3的熱影響區(qū)處，而不是鋁-鋼工件熔-釬焊連接處。鋁-鋼工件熔-釬焊連接處的最大的抗拉強度超過鋁工件1母材抗拉強度的80 85%。 如果不對鋼工件焊接接頭4用鋁質包覆層6包覆，其它焊接條件不變，結果鋼工件焊接接頭4母材發(fā)生熔化，雖然形成了與鋁工件1的有效連接，但是，鋁-鋼工件焊接接頭的抗拉強度下降到鋁工件1母材抗拉強度的50%以下。實施例1 見圖1、圖2所示。鋁工件1為板材，板厚1. 5mm，材質為A5052-H32鋁合金。鋼工件2為板材，板厚0. 7mm，材質為JSC270CC低碳鋼。清洗鋁-鋼工件焊接接頭，采用8%的氫氧化鈉水溶液去除鋁工件焊接接頭3表面的氧化層，并用丙酮清除鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4表面油污。將鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接，鋁工件1板材的中心層與鋼工件2板材的中心層對接。采用Nd: YAG激光器進行激光焊接，激光波長 1. 06 μ m,額定最大輸出功率4000W。焊接激光5功率P為800W，焊接速度ν為0. 5m/min, 離焦量-2mm，焊接激光5輻照在鋁-鋼工件焊接接頭表面的光斑直徑為0. 4mm，焊接激光5 光斑中心位于鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接處。保護氣體為Ar氣。保護氣體吹向鋁-鋼工件焊接接頭表面，流量25升/分。焊接前在鋼工件焊接接頭4朝向焊接激光5—側包覆鋁質包覆層6。采用條狀鋁箔作為鋁質包覆層6。條狀鋁箔的寬度大于等于焊接激光3光斑半徑。鋁箔材質為純鋁，其厚度為0. 1mm。采用8%的氫氧化鈉水溶液去除鋁箔表面氧化層，并用丙酮清除鋁箔表面油污。在焊接過程中，在鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接處施以鋁基釬料。鋁基釬料的形態(tài)為粉末狀。鋁基釬料的材質為材質為 AlSil2。粉末粒徑為45μπι，送粉量5g/min，粉末載氣流量6升/分，送粉角度45°。對鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接處一側施焊后，再對鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接處另一側施焊。按照上述方法焊接鋁-鋼工件，鋁基釬料以及熔化后的鋁箔作為輔助釬料與鋁工件焊接接頭3熔接，與鋼工件焊接接頭4釬接，實現(xiàn)鋁-鋼工件的熔-釬焊。在拉伸試驗中， 經(jīng)熔-釬焊的鋁-鋼工件其斷裂位置發(fā)生在鋁工件焊接接頭3的熱影響區(qū)處，而不是鋁-鋼工件熔-釬焊連接處。鋁-鋼工件熔-釬焊連接處的最大的抗拉強度超過鋁工件1母材抗拉強度的80%。實施例2:見圖1、圖2所示。鋁工件1為板材，板厚8mm，材質為46061- 鋁合金。鋼工件2 為板材，板厚4mm，材質為DC06低合金鋼。清洗鋁-鋼工件焊接接頭，采用8 %的氫氧化鈉水溶液去除鋁工件焊接接頭3表面的氧化層，并用丙酮清除鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4表面油污。將鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接，鋁工件1板材的中心層與鋼工件2板材的中心層對接。采用板條式CO2激光器進行激光焊接，激光波長為10.6μπι， 額定最大輸出功率為5000W。焊接激光5功率P為2500W，焊接速度ν為4. 5m/min,離焦量-1mm，焊接激光5輻照在鋁-鋼工件焊接接頭表面的光斑直徑為1. Omm,焊接激光5光斑中心位于鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接處。保護氣體為He氣和Ar氣按2 3 體積比形成的混合氣體。保護氣體吹向鋁-鋼工件焊接接頭表面，流量25升/分。焊接前在鋼工件焊接接頭4朝向焊接激光5 —側包覆鋁質包覆層6。采用條狀鋁箔作為鋁質包覆層6。條狀鋁箔的寬度大于等于焊接激光3光斑半徑。鋁箔材質為與鋁工件1母材材質一致的A6061-T4鋁合金，其厚度為0. 3mm。采用8%的氫氧化鈉水溶液去除鋁箔表面氧化層， 并用丙酮清除鋁箔表面油污。在焊接過程中，在鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接處施以鋁基釬料。鋁基釬料的材質為材質為AlSil2。鋁基釬料的形態(tài)為絲狀，也就是采用焊絲7焊接，見圖3所示，焊絲直徑1. Omm,用MIG焊焊槍8送絲焊接，送絲速度Sm/min， 送絲角度45°。MIG焊先于激光焊接，激光焊接緊隨其后，此時，焊接熱源為電弧-激光復合熱源。MIG焊機電流160A，電壓25V。對鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接處一側施焊后，再對鋁工件焊接接頭3與鋼工件焊接接頭4對接處另一側施焊。
按照上述方法焊接鋁-鋼工件，鋁基釬料以及熔化后的鋁箔作為輔助釬料與鋁工件焊接接頭3熔接，與鋼工件焊接接頭4釬接，實現(xiàn)鋁-鋼工件的熔-釬焊。在拉伸試驗中， 經(jīng)熔-釬焊的鋁-鋼工件其斷裂位置發(fā)生在鋁工件焊接接頭3的熱影響區(qū)處，而不是鋁-鋼工件熔-釬焊連接處。鋁-鋼工件熔-釬焊連接處的最大的抗拉強度超過鋁工件1母材抗拉強度的85%。
權利要求
1.一種包覆鋼一側接頭的鋁-鋼工件熔-釬焊焊接方法，焊接工件為鋁-鋼工件，即焊接工件一側為鋁工件(1)，一側為鋼工件O)，其特征在于，鋁工件焊接接頭C3)與鋼工件焊接接頭(4)對接，采用激光焊接，在鋼工件焊接接頭(4)朝向焊接激光( 一側表面包覆鋁質包覆層(6)，在焊接過程中向鋁工件焊接接頭C3)與鋼工件焊接接頭(4)對接處施以鋁基釬料。
2.根據(jù)權利要求1所述的鋁-鋼工件熔-釬焊焊接方法，其特征在于，鋁工件(1)為板材或者棒材，材質為純鋁或者鋁合金；鋼工件( 為板材或者棒材，材質為普通低碳鋼或者低合金鋼。
3.根據(jù)權利要求1所述的鋁-鋼工件熔-釬焊焊接方法，其特征在于，焊接激光(5)功率P為800 2500W，焊接速度ν為0. 5 4. 5m/min,離焦量-2 0mm，焊接激光(5)輻照在鋁-鋼工件焊接接頭表面的光斑直徑為0.4 1.0mm，焊接激光( 光斑中心位于鋁工件焊接接頭( 與鋼工件焊接接頭(4)對接處。
4.根據(jù)權利要求1所述的鋁-鋼工件熔-釬焊焊接方法，其特征在于，采用條狀鋁箔作為鋁質包覆層(6)；條狀鋁箔的寬度大于等于焊接激光C3)光斑半徑；鋁箔材質為純鋁或者與鋁工件(1)母材材質一致的鋁合金。
5.根據(jù)權利要求4所述的鋁-鋼工件熔-釬焊焊接方法，其特征在于，當鋁箔材質為純鋁時，其厚度為0. 03 0. 3mm ；當鋁箔材質為鋁合金時，其厚度為0. 03 5mm。
6.根據(jù)權利要求1所述的鋁-鋼工件熔-釬焊焊接方法，其特征在于，鋁基釬料的材質為材質為AlSil2 ；鋁基釬料的形態(tài)為粉末狀或者絲狀；鋁基釬料形態(tài)為粉末狀時，粉末粒徑為45 110 μ m，送粉量5 8g/min，粉末載氣流量6 8升/分；鋁基釬料形態(tài)為絲狀時，也就是采用焊絲(7)焊接，焊絲直徑1. 0 1. 2mm,用MIG焊焊槍⑶送絲焊接，送絲速度6 8m/min，MIG焊先于激光焊接，激光焊接緊隨其后。
7.根據(jù)權利要求1所述的鋁-鋼工件熔-釬焊焊接方法，其特征在于，鋁-鋼工件為板材時，對鋁工件焊接接頭C3)與鋼工件焊接接頭(4)對接處一側施焊后，再對鋁工件焊接接頭(3)與鋼工件焊接接頭(4)對接處另一側施焊；鋁-鋼工件為棒材時，對鋁工件焊接接頭 (3)與鋼工件焊接接頭(4)對接處進行環(huán)形施焊。
全文摘要
一種包覆鋼一側接頭的鋁-鋼工件熔-釬焊焊接方法，實現(xiàn)熱物性相差很大的異種材料之間的焊接，屬于金屬焊接技術領域?，F(xiàn)有技術焊接工藝復雜，焊接成本高，焊接強度低。本發(fā)明之方法的焊接工件為鋁-鋼工件，即焊接工件一側為鋁工件，一側為鋼工件，鋁工件焊接接頭與鋼工件焊接接頭對接，采用激光焊接，在鋼工件焊接接頭朝向焊接激光一側表面包覆鋁質包覆層，在焊接過程中向鋁工件焊接接頭與鋼工件焊接接頭對接處施以鋁基釬料。鋁工件板材與鋼工件板材對接焊接，鋁-鋼工件熔-釬焊連接處的最大的抗拉強度超過鋁工件母材抗拉強度的80～85％。
文檔編號B23K26/20GK102179627SQ20111015526
公開日2011年9月14日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權日2011年6月10日
發(fā)明者劉佳, 張宏, 石巖 申請人:長春理工大學