CN100509256C - 一种用于大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属的钎剂 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属工件的钎剂。本发明的钎剂配合复合热源能解决普通非镀层(锌、锡等)碳钢或普通非镀层(锌、锡等)低合金钢与有色金属的优质、高效连接。本发明主要包括：采用该焊剂并配合大光斑激光-电弧复合热源焊接方法连接普通非镀层低碳钢或普通非镀层低合金钢与有色金属，该钎剂的组成成分及质量百分比含量为：KAlF₄(或CsAlF₄)30-81%，Zn 5-30%，Sn 5-30%，Sb 1-5%，La 1-5%，K₂SiF₆1-5%。本钎剂配合大光斑激光-电弧复合热源焊接方法适用于普通低碳钢(即非镀层冷轧钢)或普通非镀层低碳钢与有色金属的高效、优质连接。

Description

一种用于大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属的钎剂

技术领域：

本发明提出的一种用于大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属的钎剂属于异种金属连接技术领域，特别涉及到用于大光斑激光-电弧复合热源连接普通非镀层低碳钢或普通非镀层低合金钢与铝的钎剂。

背景技术：

众所周知，碳钢、合金钢与铝及铝合金的优质、高效连接一直是焊接技术领域的技术难题。尽管钎焊、摩擦焊、磁脉冲焊、爆炸焊、扩散焊以及超声波焊等一些固态焊接方法能够实现异种金属的连接，并且可以得到优质的焊接接头，但是这些固态焊接方法都存在各种各样的局限性而难以满足各种各样工件大批量生产的对高生产效率的要求。

近来，铝与钢的熔-钎连接是目前异种金属连接的热门研究方向，所用的连接方法主要为电弧焊及激光填丝焊，所谓铝/钢熔-钎连接即充分利用铝与钢熔点的差异，在保证钢材不发生熔化的前提下，让铝材熔化，熔化的铝母材与填充金属一起与被焊钢材一侧形成钎焊焊缝，在铝材的一侧形成熔焊焊缝，最终形成铝与钢的熔-钎焊连接。

发明专利(申请号200610007614.8)提出的“一种大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属的方法”，该申请提出的方法与一般的电弧焊、激光填丝焊相比，在异种金属连接方面具有独特的优势。它主要通过对激光光斑直径及激光与电弧之间距离的调节，以及通过仔细调节电弧功率和激光功率而对被连接的工件热输入进行精确控制，从而保证高熔点金属不熔化和填充金属刚好熔化的前提下，使在熔点相对高的金属一侧形成自钎钎焊连接，而在熔点相对较低的有色金属一侧形成熔化焊连接。

利用这种复合热源可以基本实现异种金属的优质、高效焊接，应当指出，上述方法对镀锌、镀锡冷轧钢板与有色金属的连接可以得到很好的效果，而对非镀层(镀锌、锡)冷轧钢板与有色金属的异种金属连接，这种复合热源异种金属连接方法基本上不能使用，这可能是非镀层冷扎钢板由于缺少镀锌层或镀锡层保护而使钎焊过程实际上不能进行。

发明内容：

为了解决背景技术中上述复合热源无法连接普通非镀层低碳钢或普通非镀层低合金钢-有色金属的技术问题，本发明提出一种用于大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属工件的钎剂，借助该钎剂用复合热源焊接方法可以实现普通非镀层低碳钢或普通非镀层低合金钢与有色金属的优质、高效连接。

本发明的技术方案如下：

1.用于大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属工件的钎剂，该复合热源连接主要包括：

1)选择与两种异种金属工件相匹配的填充金属；

2)调节激光束焦点相对于被连接异种金属工件表面上的位置，使异种金属工件上的激光光斑的直径尺寸为1.5～15mm；

3)调节激光光斑和电弧斑点的相对位置，使激光光斑中心与电弧斑点中心之间的距离为0～15mm；

4)通过仔细调节电弧功率和激光功率，实现复合热源对被连接的异种金属工件热输入的精确控制，从而保证熔点相对较高的金属不熔化和填充金属刚好熔化的前提下，使在熔点相对较高的金属一侧形成自钎钎焊连接，而在熔点相对较低的有色金属一侧形成熔化焊连接；

其特征在于，该钎剂的组分及其质量百分比含量为：

KAlF₄                 30-81％

Zn                    5-30％

Sn                    5-30％

Sb                    1-5％

La                    1-5％

K₂SiF₆                1-5％

2.在上述的大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属中，异种金属工件中熔点相对较高的金属为普通非镀层低碳钢或普通非镀层低合金钢，异种金属工件中熔点相对较低的有色金属为铝、铝合金或铝-镁合金。

3.在上述的复合热源连接异种金属工件的钎剂中，KAlF₄可以用CsAlF₄代替。

4.在上述的复合热源连接异种金属工件的钎剂中，KAlF₄可以用其质量各占1/2的KAlF₄和CsAlF₄代替。

这里提出的普通非镀层低碳钢，实际上就是非镀层的冷轧钢板。

本发明主要提出一种特殊的专用钎剂，借助该钎剂，同时采用上述已申请的发明专利提出的复合热源焊接方法，实现对普通非镀层低碳钢或普通非镀层低合金钢与有色金属的高效、优质的连接。

在该特殊的钎剂中，KAlF₄、CsAlF₄是钎剂的主要载体，在钎焊过程中能消除钎料和母材表面的氧化物，并保护工件和液态钎料在钎焊过程中免于氧化。活性金属Zn、Sn是主要添加金属，它一方面可以降低液态钎剂的表面张力，增加其流动性，此外，可以与铝、铁形成合金镀层，提高焊缝金属的强度；钎剂中适当加入Sb可以提高焊缝金属的强度；稀有金属La能在一定程度改善连接的工艺性，并且可以减少接头氢气孔倾向，这在连接普通非镀层低合金钢与铝-鎂合金时尤其重要；K₂SiF₆可以改善焊缝金属的铺展性，提高钎料在钢板表面的致钎性能。

上述提出的钎剂是由6种组成分组成的，但是由其中3种组成分组成的钎剂，即由主要组成分KAlF₄(或CsAlF₄或KAlF₄+CsAlF₄)、添加金属Zn、Sn组成的钎剂，实际上在上述异种金属的熔-钎焊中也能得到良好的效果。

焊前将焊剂用丙酮或无水乙醇调和并均匀地涂于普通低碳钢材表面，其厚度为0.1mm左右，涂有焊剂的钢与铝材形成搭接接头。

调节激光束相对于被连接工件上表面的位置，使工件上激光光斑直径尺寸为1.5-15mm，调节激光光斑和电弧斑点的相对位置，使电弧中心与激光斑点中心之间的距离为0-15mm；

通过仔细调节电弧功率和激光功率实现复合热源对工件热输入的精确控制，从而在保证高熔点的钢材不熔化，填充金属刚好熔化的前提下，在熔点较高的钢材一侧，在上述钎剂的协助下形成了自钎钎焊连接，而在熔点相对较低的有色金属一侧形成了熔化焊连接。

利用本发明提出的钎剂配合大光斑激光-电弧复合热源焊接方法，可以实现非镀层钢，即普通低碳钢或普通低合金钢与有色金属的高效、优质的连接，得到的熔钎接头强度与有色金属母材熔化焊的接头强度基本相当，解决了有色金属与普通非镀层低碳钢或普通非镀层低合金钢连接的效率和质量难题。

具体实施方式：

试验所用的激光器为德国HAAS公司生产的HL2006D型Nd：YAG固体激光器，最大输出功率2.6kW，输出波长为1.06μm的连续波激光，采用焦距为200mm的聚焦透镜，通过正离焦(激光束焦点在工件上表面以上为正离焦)获得大光斑；电弧焊机为奥地利Fonius公司生产的TPS5000型数字化GMA焊接电源及送丝机；选用美国Golf公司生产的直径为1.2的AlSi5焊丝；试验所用铝母材分别为1.0mm厚的1050纯铝板和4043铝合金板及1.5mm厚的5A02铝镁合金板，所用钢母材为1.5mm厚的普通非镀层Q235冷轧钢板和2.0mm厚的16Mn钢板，试板的尺寸为30×200mm。

试验前先用丙酮将钢板表面清洗干净以去除油污，然后依次用砂轮和砂纸对其表面进行打磨，最后再用丙酮清洗；将铝/钢特种钎剂用丙酮调和后均匀地涂在经表面处理后的钢试板表面，涂层厚度约为0.1mm，待其干燥后，与铝及铝合金试板组合成铝母材在上、钢母材在下的搭接接头，待焊。通过激光束正离焦得到的大光斑激光辐照在装配成搭接形式的铝板(及合金板)和涂有钎剂的钢板上，并且让脉冲MIG电弧中心也作用在搭接接头位置。焊接过程中，通过改变焊丝的送进速度，确保焊丝金属熔化但不过热，通过精确地控制焊接热输入能量，在保证钢板母材不发生熔化的前提下，让铝及其合金母材熔化，熔化的铝及其合金母材与熔化的焊丝金属在钢母材一侧形成钎焊接头，在铝及铝合金一侧形成熔焊连接接头，从而实现上述两种金属的熔-钎连接。

焊接规范参数：焊接速度0.6m/min，激光功率800W，送丝速度2.5m/min，焊接平均电流48A(焊接过程采用脉冲MIG焊，熔滴过渡频率为1熔滴/脉冲)，电弧平均电压16.5V，离焦量+20mm(激光光斑直径4.3mm)，电弧中心与激光光斑之间的距离为4mm，干伸长为12mm，焊接过程用Ar保护，气体流量为18L/min。

(1)钎剂配方：KAlF₄(80％)+Zn(10％)+Sn(5％)+Sb(2％)+K₂SiF₆(1％)+La(2％)；材料：5A02铝镁合金板和Q235钢板。试验结果分析表明：涂有该配方钎剂试板的熔-钎焊缝成形美观，并且接头具有较高的强度，接头的抗拉强度与5A02铝镁合金母材熔化焊接头抗拉强度相当(最高抗拉强度可达167.3MPa，平均强度约为5A02铝镁合金母材抗拉强度的80％左右)，拉伸试样破坏位置发生在铝母材焊接热影响区，而非钎焊连接界面；接头的抗剪强度可达90～106MPa左右。

(2)钎剂配方：CsAlF₄(71％)+Zn(15％)+Sn(10％)+Sb(2％)+K₂SiF₆(1％)+La(1％)；材料：5A02铝镁合金板和16Mn钢板。试验结果分析表明：涂有该配方钎剂试板的熔-钎焊缝成形美观，拉伸试验中试样的破坏位置发生在铝母材的焊接热影响区，接头的抗拉强度与5A02铝镁合金母材熔化焊接头强度相当。

(3)钎剂配方：KAlF₄(40.5％)+CsAlF₄(40.5％)+Zn(10％)+Sn(5％)+Sb(2％)+K₂SiF₆(1％)+La(1％)；材料：1050铝板和Q235钢板。试验结果分析表明：涂有该配方钎剂试板的熔-钎焊缝成形美观，拉伸试验中试样的破坏位置发生在铝母材的焊接热影响区，接头的抗拉强度与1050铝母材熔化焊接头强度相当。

(4)钎剂配方：KAlF₄(81％)+Zn(10％)+Sn(5％)+Sb(2％)+K₂SiF₆(1％)+La(1％)；材料：4043铝合金板和Q235钢板。试验结果分析表明：涂有该配方钎剂试板的熔-钎焊缝成形美观，拉伸试验中试样的破坏位置发生在铝母材的焊接热影响区，接头的抗拉强度与4043铝合金母材熔化焊接头强度相当。

Claims (5)

1.用于大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属工件的钎剂，该复合热源连接主要包括：

1)选择与两种异种金属工件相匹配的填充金属；

2)调节激光束焦点相对于被连接异种金属工件表面上的位置，使异种金属工件上的激光光斑的直径尺寸为1.5～15mm；

3)调节激光光斑和电弧斑点的相对位置，使激光光斑中心与电弧斑点中心之间的距离为0～15mm；

4)通过仔细调节电弧功率和激光功率，实现复合热源对被连接的异种金属工件热输入的精确控制，从而保证熔点相对较高的金属不熔化和填充金属熔化的前提下，使在熔点相对较高的金属一侧形成自钎钎焊连接，而在熔点相对较低的有色金属一侧形成熔化焊连接；

其特征在于，该钎剂的组分及其质量百分比含量为：

KAlF₄             30-81％

Zn                5-30％

Sn                5-30％

Sb                1-5％

La                1-5％

K₂SiF₆            1-5％。

2.根据权利要求1所述的用于大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属工件的钎剂，其特征在于，异种金属工件中熔点相对较高的金属为普通非镀层低碳钢或普通非镀层低合金钢，异种金属工件中熔点相对较低的有色金属为铝或铝合金。

3.根据权利要求1所述的用于大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属工件的钎剂，其特征在于，异种金属工件中熔点相对较高的金属为普通非镀层低碳钢或普通非镀层低合金钢，异种金属工件中熔点相对较低的有色金属为铝-镁合金。

4.根据权利要求1所述的用于大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属工件的钎剂，其特征在于，上述钎剂中的KAlF₄用CsAlF₄代替。

5.根据权利要求1所述的用于大光斑激光-电弧复合热源连接异种金属工件的钎剂，其特征在于，上述钎剂中KAlF₄用质量各占1/2的KAlF₄和CsAlF₄代替。