[發明專利]一種焊絲和其應用于鋁及鋁合金與鋼焊接的方法

無效

• 申請號: 200810063869.5
• 申請日: 2008-01-18
• 公開（公告）號: CN101284339A
• 公開（公告）日: 2008-10-15
• 發明（設計）人: 宋建嶺;林三寶;楊春利;范成磊
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B23K35/28
• 分類號: B23K35/28;C22C1/02;B23K9/23
• 代理公司: 哈爾濱市哈科專利事務所有限責任公司
• 代理人: 吳振剛

技術領域

本發明涉及一種鋁及鋁合金與鋼異種材料焊接的技術領域。

背景技術

鋁及鋁合金因密度小、比強度高，具有良好的導電性、導熱性和耐腐蝕性以及在低溫下保持良好力學性能等特點，在航空航天、汽車、交通運輸、國防等工業部門得到了廣泛的應用。而鋼是一種應用最廣的材料，在制造業中始終處于主導地位，特別是一些新型的鋼種，比如耐熱鋼、高強鋼等，具有優良的塑韌性、冷熱加工性能和耐腐蝕性能，大量應用于石油、化工、宇航及核工程等重要焊接結構中。為了充分利用材料的固有優勢、節省材料、減輕重量，鋁與鋼異種金屬連接結構具有獨特的優勢和良好的經濟效益，鋁與鋼的連接成了人們所關心的問題。鋁與鋼焊接的主要問題是兩者之間的固溶度很低、熱物理性能差異大，兩者之間極易反應生成脆性的金屬間化合物，嚴重惡化了接頭的力學性能，這已成為焊接領域的研究熱點和難點問題。

近年來，許多學者對鋁與鋼的連接進行了詳細的研究，幾乎涉及到焊接領域的各種方法，電弧熔釬焊接操作簡單方便，對焊件尺寸形狀適應性高，是一種在異種材料連接中具有廣闊應用前景的方法，在鋁與鋼焊接中受到了越來越廣泛的重視和研究。鋁與鋼電弧熔釬焊接要獲得性能優良的接頭，必須保證在接頭上不產生脆性金屬間化合物。目前，國內外焊接研究人員主要采用三種方法來避免金屬間化合物的產生。

(1)鋼表面鍍金屬層目前通常的做法是在鋼表面鍍一層過渡金屬，并且此金屬與鋁要有很好的結合性。常采用的工藝措施是在鋼表面鍍上與鋁匹配的第三種金屬，如Zn、Ag等，厚度為30～40μm，作為過渡層，使鋁一側為熔焊，鋼一側為釬焊。

蘇聯焊接工作者認為在焊接鋁與鋼工件之前，在鋼上鍍鋁過渡層是極為重要的工序，分別采用了浸鍍、真空鍍、真空表面滲鋁等工藝方法。他們分析認為鍍層與鋼的結合質量，如鍍層的厚度、鋁在鋼上的冷凝溫度與鋼的結合牢固程度等，對接頭的性能有著極為重要的影響。鋼的溫度不僅影響過渡區的形成，而且影響鍍鋁層結晶過程。一般要求鍍層在幾十微米(20μm)為好，在裝配時不起皮。美國三角工業公司專利報道，在焊接鋁與不銹鋼件時，鋼上離子鍍或真空表面滲銀鍍層效果也很理想。不銹鋼表面上的銀保證了熔化的鋁潤濕不銹鋼表面，銀形成的擴散界面層牢固地粘住不銹鋼和重新凝固的鋁合金，兩部分金屬被焊在一起。

國內李亞江等人總結分析了鋁與鋼焊接時鍍層效果，分析認為鋁及鋁合金與碳鋼氬弧熔釬焊時，在碳鋼表面鍍層厚度為3～5μm的Zn、Sn、Ag可以獲得較好的接頭。但鍍Cu、Ni、Al等中間層，焊后接頭強度不高。試驗表明，為避免中間脆性金屬間化合物的形成，采用浸漬法鍍上100～120μm厚的Zn層，獲得的鋁與鋼接頭強度較高，且鍍Zn層越厚，接頭強度越高。鋁及鋁合金與不銹鋼電弧熔-釬焊接時，鍍Ni層焊接性比較差，鍍Zn層易被燒損；Ni-Cu-Ag復合鍍層上易形成裂紋，Ni-Cu-Sn復合鍍層效果較好，Ni-Zn復合鍍層效果更佳。

鋁與鋼鍍層連接工藝主要的缺點是，工藝復雜，并且薄薄的過渡層在隨后的焊接過程中不穩定，要求技術水平很高，尤其是對大型構件施涂困難，以及接頭中存在強度分散性很大(60～200N/mm²)。

(2)鋼表面堆焊過渡層印度的焊接工作者D.R.G.埃恰等人利用熔焊工藝在鋼板上堆焊適當的過渡層，然后選用鋁硅焊絲進行鋁與鋼電弧焊連接，并且對接頭的顯微組織的形狀和分布進行了分析。D.R.G.埃恰等人研究結果發現在不銹鋼板上堆焊鋁青銅(AlBz8)、鋁鎳青銅(AlBzNi5)和鋁錳青銅(AlMnBz)過渡層，堆焊層寬約15mm，表面加工成2.0mm的均勻厚度，都可以得到滿意的鋁-12％硅焊縫。試驗證實鋁青銅最適合于用作鋼板上堆焊過渡層的填充金屬材料，而鋁-12％硅合金焊絲最適合把堆焊過青銅的鋼板焊在鋁合金上去。通過多次試驗表明，在用鋁-12％硅合金焊絲把堆焊過青銅的鋼板焊到鋁合金基體板上之前，先在堆焊過的青銅上在堆焊一層鋁-12％硅合金是有利的。

鋁與鋼堆焊過渡層連接的主要缺點是，工藝較為復雜，堆焊層機械加工困難、表面處理工藝繁瑣，接頭缺陷多、強度低，且在焊件修復和補焊中難以應用。