CN103143831A - 一种含铝-钢异种材料热压焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，特别是一种含铝-钢异种材料的热压焊接方法，包括以下步骤：将含铝、钢材料的待焊接端面加工成相对应的、大于与其轴线相垂直的端面面积的形状；对待焊接的端面用机械的方式清理；再用有机溶剂或清洗剂；对含铝管材进行机械结构约束铝管材，对含铝管材待焊接端面进行往复加热使待焊接的金属呈塑性状态，对钢管材施压热压焊所需的压力，本发明克服了通常铝-钢热压焊技术氧化膜部分虚焊、脆断、粘焊等不良现象，使得焊接接头质量得到了提高，通过有效控制焊接电弧的热输入量，使得铝-钢热压焊时铝合金一侧温度较高，钢一侧温度较低或仍出于室温，很好解决了整体加热时钢一侧温度较高及刚度不足而造成焊接失败。

Description

一种含铝-钢异种材料热压焊接方法

技术领域

本发明涉及涉及焊接技术领域，特别是一种操作简单、焊接效果好的含铝-钢异种材料热压焊接方法。

背景技术

随着汽车、电子、航空、航天等工业迅速发展，铝-钢异种材料的连接需求越来越多。然而铝、钢之间的焊接一直是连接领域的热点和难点问题，铝-钢间的焊接主要困难在于：两者的热物理性能差异较大，焊后焊缝内应力水平高；二者易反应生成金属间化合物，降低了焊缝的韧性；三是由于铝合金表面存在致密的氧化膜，其阻碍了异种材料的结合。目前对铝钢异种材料的连接主要采用的方法为钎焊、熔钎焊、摩擦焊以及机械连接方法。近来新兴的加热并加压到足以使工件产生宏观变形的热压焊，越来越多用到了异种材料的连接。如何改善铝-钢异种材料热压焊工程环境，提高异种金属接头连接强度，但是，在焊接过程中如何破除氧化膜的阻碍作用，是热压焊需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种工艺性能优异、方法简单易行，抗拉强度大于530MPa，工艺性能及接头抗弯性能均能满足海工结构用钢水下焊接要求的高强度水下湿法焊接用焊条。

本发明可以通过如下措施达到。

一种水下湿法焊接用不锈钢焊条，包括药皮和焊芯两部分，其特征在于焊芯为304L不锈钢，药皮由金红石、长石、白云石、羧甲基纤维素、锰粉、硅铁及镍粉组成，各组成成份的重量百分比为为：金红石42%~52%，长石20%~30%，白云石 5%~10%，羧甲基纤维素 5%~10%，锰粉5%~9%，硅铁1%~4%、镍粉0%~5%。

本发明可以向药皮填加钾水玻璃，钾水玻璃的填加重量为药皮总重量的26%~35%，以作为药皮的粘结剂，使药皮各组分之间紧密连接。本发明是通过的焊条制造工艺进行制备，将上述药皮成分的原料进行均匀混合，然后加入药皮总质量26%~35%的钾水玻璃，搅拌均匀，之后在焊条生产设备上涂压于304L不锈钢焊芯上，且压涂后不用在药皮外层涂敷防水材料，制成的不锈钢水下焊条具有良好的防水性能和工艺性能，能够满足低合金高强度钢水下湿法焊接要求。

本发明中，金红石是含量较多的药皮成分，它们主要是在焊接时起造渣作用，另外金红石也起到一定的稳弧作用，但是如果含量过多，会对接头力学性能有不利影响，本发明中金红石的加入量为42%~52%。

本发明中，加入的长石主要起到造渣稳弧作用，其加入量为20%~30%，既利于保证电弧稳定性，同时不影响焊接接头的力学性能。

本发明中，加入的白云石主要起到造气作用，其加入量为5%~10%，因为白云石在焊接过程中会形成大量的CO₂。

本发明中，羧甲基纤维素可以改善压涂性能和焊条表面光洁度，并具有一定的造气作用，保证了水下焊接时的电弧吹力，其加入量为 5%~10%。

本发明中，加入锰粉和硅铁可促进焊缝脱氧和合金化，改善焊缝冶金性能，加入量分别为5%~9%和1%~4%。

本发明中，镍粉的加入保证了焊缝的冶金性能，尤其是水下焊接焊缝的塑性和韧性，其加入量为0%~5%。

本发明的优势及特点在于：本发明的高性能水下湿法焊条，制备过程简易，焊接时起弧容易，且电弧燃烧稳定，再引弧性好，获得的焊缝形貌美观，且对接接头抗拉强度可达530MPa，对接接头冷弯角度为180°时接头仍然完好，无任何裂纹出现，可用于304、316不锈钢等水下结构的焊接。

附图说明

附图是本发明实旋例的示意图。

图1是本发明实旋例的一种示意图。

图2是本发明实旋例的另一种示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述

为了更好地体现本发明，下面举例进行说明，但并不是对本发明的限制。

实施例一：采用市售的304L不锈钢为焊芯，药粉的组成和质量百分比为：金红石42%，长石30%，白云石 10%，羧甲基纤维素 7%，锰粉5%，硅铁2%以及镍粉4%，以钾水玻璃作为药皮的粘结剂，加入量为药粉总质量的34%。

实施例二：采用市售的304L不锈钢为焊芯，以钾水玻璃作为药皮的粘结剂，药粉的组成和质量百分比为：金红石52%，长石25%，白云石 5%，羧甲基纤维素 5%，锰粉9%，硅铁4%以及镍粉0%，以钾水玻璃作为药皮的粘结剂，加入量为药粉总质量的32%。

实施例三：采用市售的304L不锈钢为焊芯，以钾水玻璃作为药皮的粘结剂，药粉的组成和质量百分比为：金红石50%，长石20%，白云石 7%，羧甲基纤维素 10%，锰粉7%，硅铁1%以及镍粉5%，，以钾水玻璃作为药皮的粘结剂，加入量为药粉总质量的28%。

实施例的效果：

本发明的目的是提供一种通过焊接电弧的能量，将焊接热压焊的焊接工件加热，并且能够在电弧阴极雾化的作用下去除铝合金表面的氧化膜的含铝-钢异种材料热压焊接方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种含铝-钢异种材料的热压焊接方法，其特点在于包括以下步骤：

步骤一、将含铝、钢材料的待焊接端面加工成相对应的、大于与其轴线相垂直的端面面积的形状，如加工斜口状、锯齿状、凸台和凹槽状等；

步骤二、将待焊接的端面用机械的方式清理；

步骤三、再用有机溶剂或清洗剂，对机械清理后的表面进行细致的擦拭，清除残余的有机物或金属粉尘；

步骤四、对含铝管材的管内加内塞、管外加紧固环的机械结构约束铝管材，提供热压焊时对含铝管材变形过程中必要的刚度；

步骤五、利用交流电弧或变极性电弧对含铝管材待焊接端面进行往复加热使待焊接的金属呈塑性状态，用阴极雾化去除氧化膜并进行氩气保护，撤离辅助电弧加热，

步骤六、将含铝、钢管材的待焊接端面相对，对钢管材施压热压焊所需的压力，

保持压力不变直至整体冷却至室温，关闭保护气体氩气、除去施加压力。

本发明所述的氩气保护是采用辅助焊接电弧保护，辅助焊接电弧可以采用交流钨极氩弧焊、变极性钨极氩弧焊具有阴极雾化效果的电弧焊接。

    本发明采用焊接电弧作为热压焊的热源，既能起到为热压焊提供必要的热量，又能很好的去除铝合金表面的氧化膜，使得铝-钢在热压焊过程中即获得了所需的焊接温度，又清除了铝合金表面的不利于热压焊的氧化膜，克服了通常铝-钢热压焊技术氧化膜部分虚焊、脆断、粘焊等不良现象，使得焊接接头质量得到了提高，通过有效控制焊接电弧的热输入量，使得铝-钢热压焊时铝合金一侧温度较高，钢一侧温度较低或仍出于室温，很好解决了整体加热时钢一侧温度较高及刚度不足而造成焊接失败。

具体实施方式

下面结合附较对本发明作详细说明：

本发明提供一种电弧辅助的铝-钢异种材料热压焊接方法，通过电弧辅助加热、阴极雾化去除氧化膜，使得金属在一定温度的塑性状态下，实现液态焊接或固态焊接的方法。采用焊接电弧作为热压焊的加热源，如采用交流钨极氩弧焊，变极性钨极氩弧焊等具有阴极雾化效果的电弧焊方法，分别根据采用的交流焊接、变极性焊接的方法，热压焊时工件形状、体积、材料自身导热系数、厚度、散热条件，以此确定焊接工艺参数，通过焊接电弧加热作用连接时的温度选择：低碳钢500℃~1500℃、不锈钢500~1400℃、铝合金150~660℃。

采用焊接电弧作为热源，完成对接、搭接、交接、T型接头等纵缝、环缝、曲线焊缝的热压焊。焊接电弧采用多次往复加热方法，焊接电流为30-240安培，焊接电压为8-16伏特，焊接速度为50-400毫米每分钟，摆动速度为50-1000毫米每分钟，摆动宽度为：3-22毫米，所述的焊接温度为最终加热目标。

低碳钢为碳含量小于0.25%的非合金钢，不锈钢为奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢及双相不锈钢，含铝材为纯铝、铝合金的材料。

采用交流电弧或变极性电弧作为去除铝合金氧化膜的方法，利用电弧的阴极雾化作用清除铝及铝合金表面的氧化膜，提高结合强度和连接质量。

焊接工艺最终以焊接温度达到所述加热后连接温度，待温度符合要求后，开始实施热压焊，以期实现良好的焊接，焊接过程中采用氩气作为保护气体，避免高温作用下金属再次被氧化；保持热压焊的压力值，直至工件整体冷却至室温，关闭保护气，除去保持压力。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施举例：铝-钢管体异种材料热压焊接：

本发明实施例提供一种铝-钢异种材料热压焊接方法，结合附图说明本实施方法电弧辅助的铝-钢异种材料热压焊接方法。以下分别进行详细说明。

本实施方法的具体步骤为： 

步骤一、将外管径为50-400毫米，内管径为30-390毫米的铝及铝合金、钢的管材，表面加工成如图1所示的斜口；

步骤二、将热压焊过程中将要接触的表面及周围30毫米范围内的金属用机械的方式清理干净，如采用电动钢丝刷；

步骤三、用有机溶剂或清洗剂，如丙酮、酒精等清洗剂，对机械清理后的表面进行细致的擦拭，清除残余的有机物或金属粉尘；

步骤四、采用如图所示的铝及铝合金管材增加了内塞1、管外加紧固环2，防止高温受压变形，提供热压焊时铝合金变形过程中必要的刚度；

步骤五、利用交流电弧或变极性电弧对铝或铝合金表面进行加热及氧化膜的清理。直至温度达到150-660℃停止加热，继续对其进行氩气保护焊，将加热的辅助电弧系统撤离热压焊范围；

步骤六、钢一侧进行加压，将其与下方的铝管进行接触，施压必要的压力，使其产生热压焊所需的必要压力，保持压力不变，直至整体冷却至室温。

本发明根据实际使用环境要求，将图中所示的热压焊管，进行必要的机械加工及后期处理，以达到使用要求。

以上对本发明实施例所提供的一种电弧辅助的铝-钢异种材料热压焊接方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种含铝-钢异种材料的热压焊接方法，其特点在于包括以下步骤：

步骤一、将含铝、钢材料的待焊接端面加工成相对应的、大于与其轴线相垂直的端面面积的形状；

步骤二、将待焊接的端面用机械的方式清理；

步骤三、再用有机溶剂或清洗剂，对机械清理后的表面进行细致的擦拭，清除残余的有机物或金属粉尘；

步骤四、对含铝管材的管内加内塞、管外加紧固环的机械结构约束铝管材，提供热压焊时对含铝管材变形过程中必要的刚度；

步骤五、利用交流电弧或变极性电弧对含铝管材待焊接端面进行往复加热使待焊接的金属呈塑性状态，用阴极雾化去除氧化膜并进行氩气保护，撤离辅助电弧加热；

步骤六、将含铝、钢管材的待焊接端面相对，对钢管材施压热压焊所需的压力，

保持压力不变直至整体冷却至室温，关闭保护气体氩气、除去施加压力。

2.根据权利要求1所述的一种含铝-钢异种材料的热压焊接方法，其特征在于氩气保护是采用辅助焊接电弧保护，辅助焊接电弧采用交流钨极氩弧焊或变极性钨极氩弧焊。

3.根据权利要求1所述的一种含铝-钢异种材料的热压焊接方法，其特征在于含铝材料包括纯铝材料和铝合金材料。

4.根据权利要求1所述的一种含铝-钢异种材料的热压焊接方法，其特征在于钢材料包括碳含量小于0.25%的非合金钢或奥氏体不锈钢或马氏体不锈钢及双相不锈钢。

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