[發明專利]一種鋁-鋼自蔓延焊接方法

有效

• 申請號: 201310367501.9
• 申請日: 2013-08-22
• 公開（公告）號: CN103406661A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 張國棟;劉念;周彩飛
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: B23K23/00
• 分類號: B23K23/00;B23K35/24;B23K103/20
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 汪俊鋒

技術領域

本發明涉及一種鋁-鋼自蔓延焊接方法，屬于焊接技術領域。

背景技術

由于鋁、鋼之間晶體結構差異較大，且各自成分彼此親和性較差，因而使得鋁鋼異種金屬的焊接一直是業界的難題。特別是鋁基母材，在焊前表面有氧化物鈍化膜容易在焊接中形成夾雜或夾渣，而在焊接過程中又容易與其他物質形成脆性金屬間化合物，因此使得鋁鋼焊接接頭往往脆性較大，塑性不高，且容易開裂。盡管目前國內外已經通過釬焊、壓力焊、電阻焊、攪拌摩擦焊、擴散焊、及爆炸焊等方法實現了鋁鋼異種金屬的焊接，但因焊接條件與焊接效果所限，這些方法均有著難以克服的缺點。

釬焊對于焊接接頭的形狀有一定的要求，且焊接效率較低，接頭強度有限，因此僅適用于特殊形狀且接頭載荷要求較低的鋁鋼構件的焊接；電阻焊與壓力焊雖然局部焊接效果優于釬焊，但是仍然局限于焊接接頭形狀，因此亦只能作為特殊形狀的鋁鋼構件的連接手段；攪拌摩擦焊與擴散焊的焊接品質較之其他方法更高，且也能夠適用于大多數普通形狀的構件，但是對于焊接設備要求高，能耗大，難以實現在役構件的現場焊接。因此，目前對于在役構件、野外搶險、或者臨時搶修等特殊環境下的鋁鋼構件焊件，通常采用爆炸焊。然而，爆炸焊的實施對于操作人員極具經驗要求，同時炸藥用量與焊接界面間隔需要根據不同的場合、不同的構件形狀而變化，在露天操作時還易受到環境的溫度、濕度和天氣因素影響，加之其操作過程中會有極大的噪音與地震波產生，且容易引發事故，因此很難得到應用與推廣。

這些問題在專利《一種鋁-鋼連接塊的制備方法》（201010575587.0）中均得到一定程度的解決，但在實際操作過程中，專利201010575587.0提供的方法又顯現出不足。該方法利用石墨板將鋁鋼構件之間的一步焊接轉化為兩步，對應不同大小、形狀的鋁鋼構件，需要設計不同規格的石墨板，因此應用受到極大限制；盡管通過分布焊接實現了母材與焊縫的元素均勻過渡，但增加了焊縫的數量與熱影響區的大小，使得焊后容易出現裂紋；在焊接過程中需要進行多次清理與復位，使得操作較為繁復。

發明內容

?????本發明所要解決的技術問題在于提供一種改進的鋁-鋼異種金屬自蔓延焊接方法，以解決當前鋁-鋼焊接中操作繁復、接頭易產生裂紋、受構件大小及形狀影響大等問題。

利用傳統自蔓延焊接技術難以實現鋁-鋼構件的焊接，一方面是因為二者晶體結構差異較大，難以有合適的焊縫金屬能夠同時匹配二者的晶體結構；另一方面則由于二者熔點懸殊，使得焊接時往往鋁母材端已經完全熔化時，鋼母材端依舊是固態，進而使得焊縫達不到冶金結合，從而接頭性能難以滿足實際要求。本發明通過在鋼母材待焊表面滲鋁形成鋁鋼復合體，以改善其與鋁母材的晶體結構差異，從而得以選擇出合適的焊縫金屬體系來實現焊接。此外，由于鋁鋼復合體與鋁母材熔點接近，使得二者能同時熔化，進而在焊接過程中鋼母材端與鋁母材端均能發生冶金反應，并且在此過程中鋼鋁復合體將參與自蔓延反應過程，從而實現焊接接頭化學成分的良好過渡。

為解決之前所提出的技術問題，本發明首先提供一種自蔓延焊劑，由質量分數分別為16.7%-25.9%的Al粉、55.1%-70.3%的Cu₂O粉、10.2%-14.8%的SnO₂粉、1.7%-2.5%的Zn粉和1.1%-1.7%的CaF₂粉組成，所有粉體粒徑為20nm-500μm。

上述焊劑采用Al和Cu₂O作為高熱劑，能夠有效地改進現有自蔓延焊接體系中Al-CuO高熱劑反應劇烈，飛濺過多，容易引起過燒的缺點，和Al-Fe₂O₃高熱劑放熱量低，容易引起未焊透或者冶金反應不完全的缺點。此外，在現有焊接體系基礎上，引入少量的Zn作為焊縫金屬添加劑，能夠改善現有焊縫金屬體系Al-Cu-Sn的相圖，使得所得焊縫金屬與母材的潤濕性與流動性獲得提高，從而具備良好的填充能力。

使用本發明所提供的自蔓延焊劑，進行鋁-鋼自蔓延焊接，在焊接前，需在鋼板待焊部位進行滲鋁，獲得厚度為10-300μm的滲鋁層。

所述的滲鋁，可以采用熱浸鍍鋁法、固體粉末包埋滲鋁法、熱噴涂滲鋁法、氣體滲鋁法等，目的在于獲得一定厚度的滲鋁層，以更好的實現自蔓延焊接過渡，但并不局限于具體滲鋁方法。

在滲鋁或者焊接前，均需對待處理表面進行除渣、除銹與除油等常規處理。

本發明所提供的鋁-鋼自蔓延焊接方法，具體包括以下步驟：