[發明專利]一種高強鋼-鋁合金異種金屬連接方法

無效

• 申請號: 201310485849.8
• 申請日: 2013-10-16
• 公開（公告）號: CN103753005A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 孫大千;谷曉燕;李洪梅
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B23K11/11
• 分類號: B23K11/11;B23K11/34
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術領域

本發明涉及冶金、材料、機械及汽車、軌道客車等行走機械技術領域的一種高強鋼-鋁合金異種金屬連接方法，屬于異種材料連接技術領域。

背景技術

隨著能源緊缺和環境污染問題日益加劇，作為制造業支柱產業的汽車、軌道客車等行走機械工業正面臨著越來越嚴峻的挑戰。輕量化、節能、環保和安全已成為當今汽車、軌道客車等發展的必然趨勢。目前，國內外汽車、軌道客車輕量化的實現途徑和關鍵技術主要包括三個方面：一是輕量化材料的應用；二是結構輕量化設計與優化；三是新型制造工藝技術的使用。高強鋼和鋁合金是主要的輕量化材料，其次是鎂合金、復合材料及塑料等。因此，在設計和制造中增加高強鋼、鋁合金等輕量化材料的應用量是實現汽車和軌道客車輕量化的有效途徑。隨之而來的鋼-鋁異種金屬的焊接便成為亟待解決的問題。由于鋼和鋁的物理性質（熔點、熱導率、線膨脹系數等）存在明顯的差異，且焊接區極易形成脆硬的金屬間化合物，導致鋼-鋁異種金屬的焊接性極差，嚴重惡化焊接接頭的力學性能，無法實現可靠的連接。這已成為制約汽車、軌道客車輕量化的技術瓶頸之一。電阻點焊是汽車、軌道客車制造中應用最為廣泛的焊接技術之一。在高強鋼-鋁合金點焊過程中，鋁熔化形成熔核而鋼保持固態，本質上屬于熔-釬焊的范疇，存在的主要問題是：（1）在鋼/鋁界面形成脆硬的金屬間化合物層（Fe₂Al₅、Fe₄Al₁₃），明顯降低接頭的力學性能；（2）鋁合金熔核和鋼/鋁界面易形成裂紋、縮孔及未熔合等缺陷，不僅降低接頭力學性能而且影響點焊質量。采用電極板（鋼/鋁/鋼）或中間層（鋼/中間層/鋁）輔助鋼-鋁電阻點焊，雖可一定程度上改善接頭的力學性能，但工藝較為復雜，生產效率低，且不易實現焊接生產的自動化。優化電阻點焊參數（焊接電流、焊接時間、電極壓力等）是一定程度上解決上述問題最直接有效的方法。因此，通過優化點焊參數提高接頭力學性能和改善點焊質量是可行的，研發的高強鋼-鋁合金異種金屬電阻點焊連接技術具有重要的實用價值和廣闊的應用前景。

發明內容

本發明的目的是提供一種高強鋼-鋁合金異種金屬連接方法，該方法基于高強鋼-鋁合金異種金屬電阻點焊過程的熱、電、力耦合特點和點焊參數（焊接電流、焊接時間、電極壓力等）對鋁合金熔核直徑、鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度、接頭拉剪力及點焊缺陷等的影響規律，采用正交設計試驗方法優化電阻點焊參數，一定程度上增大熔核直徑、限制界面金屬間化合物生長，防止點焊噴濺及接頭裂紋、縮孔、未熔合等缺陷，從而提高高強鋼-鋁合金異種金屬電阻點焊接頭的力學性能及點焊質量。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

一種高強鋼-鋁合金異種金屬連接方法，按以下工藝步驟進行：

a）焊前準備：首先將高強鋼、鋁合金板表面用1200#的SiC砂紙打磨去除氧化膜，然后用丙酮清洗，鍍鋅鋼板表面可不打磨直接用丙酮清洗。

b）連接方法：高強鋼-鋁合金異種金屬連接采用電阻點焊方法，使用F型電極（DIN?ISO5821-F16×20），電極材料為Cu-Cr合金（DIN?ISO5821A2/2）。

c）點焊參數：采用優化的電阻點焊參數：焊接電流9-10kA、焊接時間200-250ms、電極壓力2.0-2.5kN，通過增大熔核直徑（＞5.5mm）、限制鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度（＜8μm）、防止點焊噴濺及接頭缺陷等技術途徑，提高鋁合金-高強鋼異種材料電阻點焊接頭的力學性能及點焊質量。

研究結果表明，鋁合金熔核直徑和鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度是影響點焊接頭力學性能的主要因素；增加焊接電流或焊接時間有利于增大熔核直徑和提高點焊接頭的拉剪力，但過大的焊接電流或過長的焊接時間導致鋼/鋁鋼界面金屬間化合物層厚度明顯增加，接頭力學性能明顯降低，且易產生點焊噴濺及接頭裂紋、縮孔缺陷；電極壓力過小易產生點焊噴濺及接頭未熔合缺陷，隨著電極壓力增大，熔核直徑、界面金屬間化合物層厚度及點焊接頭拉剪力有增加的趨勢；采用正交設計試驗方法優化電阻點焊參數，可一定程度上增大熔核直徑、限制界面金屬間化合物生長，防止點焊噴濺及接頭缺陷，提高高強鋼-鋁合金點焊接頭的力學性能及點焊質量。

采用本發明的方法（優化焊接參數）進行高強鋼-鋁合金異種金屬電阻點焊連接，點焊接頭達到的性能指標為：

（1）鋁合金-高強鋼異種金屬電阻點焊接頭拉剪力3000-3500N，接頭具有紐扣斷裂特征；

（2）鋁合金熔核直徑＞5.5mm，鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度＜8μm；