[發明專利]一種鋼-鋁異種材料等離子弧焊接方法

有效

• 申請號: 201711273455.0
• 申請日: 2017-12-06
• 公開（公告）號: CN107824950B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 孫大千;耿文華;吳迪;李洪梅;谷曉燕
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B23K10/02
• 分類號: B23K10/02;B23K37/00;B23K33/00;B23K103/20
• 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

本發明涉及一種鋼?鋁異種材料等離子弧焊接方法，用于冶金、材料、機械、汽車、軌道客車及軍工等領域，屬于材料焊(連)接技術領域。本發明針對鋼?鋁異種材料焊接存在的主要問題，通過優化鋼、鋁工件焊接坡口角度，改善焊縫成形和接頭的力學性能；在鋼坡口面制備純銅涂層，降低界面金屬間化合物層的脆硬性，提高接頭的力學性能；優化等離子弧加熱位置、焊槍傾角、焊接參數等焊接工藝參數，改善鋼與鋁的結合性能，促進形成連續的鋼/鋁界面層，并控制界面金屬間化合物層厚度＜10μm，提高鋼?鋁接頭的力學性能。本發明的工藝步驟為：焊接坡口加工→在鋼的坡口面制備純銅涂層→采用優化的焊接工藝參數→進行鋼?鋁異種材料等離子弧焊接。

技術領域

本發明涉及冶金、材料、機械、汽車、軌道客車及軍工等技術領域的一種鋼-鋁異種材料等離子弧焊接方法，屬于材料焊(連)接技術領域。

背景技術

隨著能源危機和環境污染問題的不斷加劇，作為制造業支柱產業的汽車、軌道客車等工業正面臨著越來越嚴峻的挑戰。輕量化、節能、環保和安全已成為汽車、軌道客車發展的必然趨勢。目前，國內外汽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(超高強鋼)是主要的汽車、軌道客車輕量化材料，其次是鋁合金、鎂合金、復合材料及高分子材料等。因此，在設計和制造中增加高強鋼(超高強鋼)、鋁合金等輕質材料的應用量是實現汽車、軌道客車輕量化的有效途徑。隨之而來的鋼-鋁異種材料的焊(連)接成為亟待解決的問題。由于鋼和鋁的物理、化學及冶金性能存在顯著的差異，且焊接區極易形成脆硬的金屬間化合物，導致鋼-鋁異質材料的焊(連)接性極差，嚴重惡化接頭的使用性能和焊(連)接質量。這已成為制約汽車、軌道客車輕量化技術發展的關鍵技術問題之一。迄今為止，在汽車乃至整個制造業中鋼-鋁異種材料的連接主要采用鉚接、螺栓、軋制、粘接等機械連接技術，不僅工藝復雜、生產效率低、外觀質量差，而且鋼和鋁未實現牢固的冶金結合。焊接是實現異種材料冶金結合的連接技術，被廣泛應用于各工業領域。面對能源危機和環境污染問題的嚴峻挑戰及輕量化技術的迫切需求，鋼-鋁異質材料的焊(連)接已成為該領域研究的熱點和前沿課題。電弧焊方法是汽車、軌道客車制造中廣泛使用的焊接技術。采用電弧焊方法焊接鋼-鋁異種材料存在的主要問題是：(1)焊接過程中，不充分的鋼/鋁界面反應形成不連續的界面層，降低鋼-鋁接頭的力學性能；鋼/鋁界面反應形成過量的金屬間化合物(金屬間化合物層厚度＞10μm)，由于其脆硬性及易產生界面裂紋，明顯惡化接頭的力學性能；(2)由于鋼和鋁的熔點存在顯著的差異，焊接過程中鋁母材熔化而鋼母材不熔化，液態鋁在固態鋼表面的潤濕、鋪展性明顯影響鋼和鋁的結合性能及接頭的力學性能；(3)電弧焊過程的不穩定性，影響鋼/鋁界面反應，不僅降低鋼-鋁接頭的力學性能，而且導致接頭性能及焊接質量不穩定(例如：高強鋼-鋁合金異種材料MIG焊接頭的抗拉強度約90-140MPa)。與TIG、MIG焊相比，等離子弧焊具有電弧能量集中、電弧穩定性好、電弧挺直性好等優點，但迄今為止尚未見鋼-鋁異種材料等離子弧焊接系統的研究報道。研究結果證明，通過純銅涂層輔助和優化焊接工藝參數形成的鋼-鋁異種材料等離子弧焊接方法，有利于一定程度上解決鋼-鋁異質材料焊接的上述主要問題。該技術在冶金、材料、機械、汽車、軌道客車及軍工等領域具有重要的實用價值和廣闊的應用前景。

技術內容

本發明的目的是提供一種鋼-鋁異種材料等離子弧焊接方法，該方法針對鋼-鋁異種材料焊接存在的主要問題，利用等離子弧焊電弧能量集中、溫度高、穩定性及挺度好等優點，提高焊接過程、接頭性能及焊接質量的穩定性；通過優化鋼、鋁工件焊接坡口角度，改善焊縫成形和接頭的力學性能；在鋼坡口面制備純銅涂層，降低界面金屬間化合物層的脆硬性，提高接頭的力學性能；優化焊接工藝參數(等離子弧加熱位置、焊槍傾角、焊接參數等)，改善鋼和鋁的結合性能，促進形成連續的鋼/鋁界面層，并控制界面金屬間化合物層厚度＜10μm，提高鋼-鋁接頭的力學性能。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

一種鋼-鋁異種材料等離子弧焊接方法，按以下工藝步驟進行：