CN103406661B - 一种铝-钢自蔓延焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接技术领域，涉及一种铝-钢自蔓延焊接方法。采用焊剂，由质量分数分别为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粉组成，所有粉体粒径为20nm-500μm。以渗铝处理为媒介，实现了铝-钢异种金属的无电焊接，十分适合用于在役、野外、抢险等场合。所得接头品质优良，焊缝与母材实现了致密的冶金结合，无夹杂、夹渣、气孔等常规焊接缺陷。整个操作过程能耗低、操作简单。

Description

一种铝-钢自蔓延焊接方法

技术领域

本发明涉及一种铝-钢自蔓延焊接方法，属于焊接技术领域。

背景技术

由于铝、钢之间晶体结构差异较大，且各自成分彼此亲和性较差，因而使得铝钢异种金属的焊接一直是业界的难题。特别是铝基母材，在焊前表面有氧化物钝化膜容易在焊接中形成夹杂或夹渣，而在焊接过程中又容易与其他物质形成脆性金属间化合物，因此使得铝钢焊接接头往往脆性较大，塑性不高，且容易开裂。尽管目前国内外已经通过钎焊、压力焊、电阻焊、搅拌摩擦焊、扩散焊、及爆炸焊等方法实现了铝钢异种金属的焊接，但因焊接条件与焊接效果所限，这些方法均有着难以克服的缺点。

钎焊对于焊接接头的形状有一定的要求，且焊接效率较低，接头强度有限，因此仅适用于特殊形状且接头载荷要求较低的铝钢构件的焊接；电阻焊与压力焊虽然局部焊接效果优于钎焊，但是仍然局限于焊接接头形状，因此亦只能作为特殊形状的铝钢构件的连接手段；搅拌摩擦焊与扩散焊的焊接品质较之其他方法更高，且也能够适用于大多数普通形状的构件，但是对于焊接设备要求高，能耗大，难以实现在役构件的现场焊接。因此，目前对于在役构件、野外抢险、或者临时抢修等特殊环境下的铝钢构件焊件，通常采用爆炸焊。然而，爆炸焊的实施对于操作人员极具经验要求，同时炸药用量与焊接界面间隔需要根据不同的场合、不同的构件形状而变化，在露天操作时还易受到环境的温度、湿度和天气因素影响，加之其操作过程中会有极大的噪音与地震波产生，且容易引发事故，因此很难得到应用与推广。

这些问题在专利《一种铝-钢连接块的制备方法》（201010575587.0）中均得到一定程度的解决，但在实际操作过程中，专利201010575587.0提供的方法又显现出不足。该方法利用石墨板将铝钢构件之间的一步焊接转化为两步，对应不同大小、形状的铝钢构件，需要设计不同规格的石墨板，因此应用受到极大限制；尽管通过分布焊接实现了母材与焊缝的元素均匀过渡，但增加了焊缝的数量与热影响区的大小，使得焊后容易出现裂纹；在焊接过程中需要进行多次清理与复位，使得操作较为繁复。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种改进的铝-钢异种金属自蔓延焊接方法，以解决当前铝-钢焊接中操作繁复、接头易产生裂纹、受构件大小及形状影响大等问题。

利用传统自蔓延焊接技术难以实现铝-钢构件的焊接，一方面是因为二者晶体结构差异较大，难以有合适的焊缝金属能够同时匹配二者的晶体结构；另一方面则由于二者熔点悬殊，使得焊接时往往铝母材端已经完全熔化时，钢母材端依旧是固态，进而使得焊缝达不到冶金结合，从而接头性能难以满足实际要求。本发明通过在钢母材待焊表面渗铝形成铝钢复合体，以改善其与铝母材的晶体结构差异，从而得以选择出合适的焊缝金属体系来实现焊接。此外，由于铝钢复合体与铝母材熔点接近，使得二者能同时熔化，进而在焊接过程中钢母材端与铝母材端均能发生冶金反应，并且在此过程中钢铝复合体将参与自蔓延反应过程，从而实现焊接接头化学成分的良好过渡。

为解决之前所提出的技术问题，本发明首先提供一种自蔓延焊剂，由质量分数分别为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粉组成，所有粉体粒径为20nm-500μm。

上述焊剂采用Al和Cu₂O作为高热剂，能够有效地改进现有自蔓延焊接体系中Al-CuO高热剂反应剧烈，飞溅过多，容易引起过烧的缺点，和Al-Fe₂O₃高热剂放热量低，容易引起未焊透或者冶金反应不完全的缺点。此外，在现有焊接体系基础上，引入少量的Zn作为焊缝金属添加剂，能够改善现有焊缝金属体系Al-Cu-Sn的相图，使得所得焊缝金属与母材的润湿性与流动性获得提高，从而具备良好的填充能力。

使用本发明所提供的自蔓延焊剂，进行铝-钢自蔓延焊接，在焊接前，需在钢板待焊部位进行渗铝，获得厚度为10-300μm的渗铝层。

所述的渗铝，可以采用热浸镀铝法、固体粉末包埋渗铝法、热喷涂渗铝法、气体渗铝法等，目的在于获得一定厚度的渗铝层，以更好的实现自蔓延焊接过渡，但并不局限于具体渗铝方法。

在渗铝或者焊接前，均需对待处理表面进行除渣、除锈与除油等常规处理。

本发明所提供的铝-钢自蔓延焊接方法，具体包括以下步骤：

步骤一对钢板进行除油、除锈处理后，在钢板待焊接部位渗铝，获得厚度为10-300μm的渗铝层；

步骤二对铝板、渗铝钢板的待焊部位进行表面清理，去除杂质，然后将铝板和渗铝钢板按照图1所示放置于焊接用的石墨坩埚之下，且缝隙中心对准石墨坩埚底部的通孔；

步骤三将焊剂按比例均匀混合，倒入已经用自熔塞封好底孔的石墨坩埚中，然后对待焊件以及石墨坩埚进行预热；

步骤四用电子引火器引燃焊剂，使其发生自蔓延反应，放出大量热使得自熔塞熔化，反应生成的焊缝金属混合液由通孔流入焊缝，并在反应生成的浮渣的净化与保护下冷却，即完成铝-钢的焊接。

所述自熔塞为铝制垫片。

本发明的有益效果是：利用自蔓延焊接的方法实现了铝-钢的无电低成本焊接，能够满足在役、野外抢险、或者临时抢修等特殊环境下的铝钢构件焊接需要；改进了现有的自蔓延铝钢焊接技术，更为简便；在现有基础上，优化了焊剂，改善了焊缝金属对母材的界面润湿性与焊缝的成形性，极大地提高了焊接品质。

下面结合附图和具体实施方式对该发明进行进一步说明。

附图说明

图1是焊接前待焊件的布置图，图中1为底部带孔的石墨坩埚，2为自蔓延焊剂，3为自熔塞，4为铝母材，5为钢母材的渗铝端面，6为钢母材。

图2是实施例1中铝-钢接头的近钢母材侧显微组织的金相照片。

图3是实施例2中铝-钢接头组织的场发射扫描电子显微镜照片。

图4是实施例3中铝-钢接头中不同元素在不同区域的EDX相对积分强度汇总图。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作详细说明。

实施例1

待焊铝板为纯铝，钢板为Q235钢，二者厚度均为2.5cm，按照步骤一处理，采用气体渗铝法获得渗铝层厚度约为10μm的渗铝钢板。在进行完步骤二后，选取粒径为20nm左右的粉体，按照质量分数分别为16.7%的Al粉、70.3%的Cu₂O粉、10.2%的SnO₂粉、1.7%的Zn粉和1.1%的CaF₂粉配制焊接体系。之后完成步骤三、步骤四，即可实现铝-钢的无电焊接。

将焊好的铝-钢接头制样后放于金相显微镜下观察，其近钢母材侧显微组织的金相照片如图2所示。可以看出渗铝层在焊接过程中大部分已经参与反应，完全消失。渗铝层消失部分钢母材与焊缝直接接触，界面有弯曲而致密的熔合线，形成了有效的冶金结合。而渗铝层未消失部分则夹与钢母材和焊缝之间，且界面处亦有弯曲而致密的熔合线，亦形成了有效的冶金结合。整个焊缝区域（包括钢母材边缘、渗铝层、焊缝金属区）成形良好，没有观察到夹渣、气孔、未熔合等常规焊接缺陷，焊接质量较好。

实施例2

待焊铝板为纯铝，钢板为Q235钢，二者厚度均为2.5cm，按照步骤一处理，采用热浸镀铝法获得渗铝层厚度约为300μm的渗铝钢板。在进行完步骤二后，选取粒径为500μm左右的粉体，按照质量分数分别为25.9%的Al粉、55.1%的Cu₂O粉、14.8%的SnO₂粉、2.5%的Zn粉和1.7%的CaF₂粉配制焊接体系。之后完成步骤三、步骤四，即可实现铝-钢的无电焊接。

将焊好的铝-钢接头制样后放于场发射扫描电子显微镜下观察，其整体组织照片如图3所示。可以看出，由于本实施例渗铝层较厚，因此在焊后保留了了下来100nm-200nm左右的渗铝层。渗铝层与钢母材，渗铝层与焊缝，以及焊缝与铝母材的边界处，均为紧密结合，且界面均有弯曲而致密的熔合线，形成了有效的冶金结合。整个焊缝区域（包括从钢母材边缘到铝母材边缘之间）成形良好，没有观察到夹渣、气孔、未熔合等常规焊接缺陷，焊接质量较好。并且，在整个焊缝区域弥散分布着众多极其微小的棱角分明的小坑或者凸起，说明在焊接过程中形成了具有弥散强化作用的高强相，有利于提高焊接接头的性能。

实施例3

待焊铝板为纯铝，钢板为Q235钢，二者厚度均为2.5cm，按照步骤一处理，采用热喷涂渗铝法获得渗铝层厚度约为100μm的渗铝钢板。在进行完步骤二后，选取粒径为500nm左右的粉体，按照质量分数分别为19.8%的Al粉、65.2%的Cu₂O粉、11.7%的SnO₂粉、2.0%的Zn粉和1.3%的CaF₂粉配制焊接体系。之后完成步骤三、步骤四，即可实现铝-钢的无电焊接。

所得铝-钢接头的渗铝层与钢母材，渗铝层与焊缝，以及焊缝与铝母材的边界处，均为紧密结合，且界面均有弯曲而致密的熔合线，形成了有效的冶金结合。整个焊缝区域（包括从钢母材边缘到铝母材边缘之间）成形良好，无夹渣、气孔、未熔合等常规焊接缺陷，焊接质量较好。并且，利用EDX分析不同元素在不同区域的相对强度，实现了对接头中合金元素的分布与扩散情况的表征，结果如图4所示。Fe含量从钢母材到渗铝层，到焊缝，到铝母材，逐渐降低，最终为0，而Al含量反之，说明在焊接过程中钢母材与铝母材中的基体元素均实现了一定程度的长程扩散，呈现出梯度过渡；而Cu、Sn、Zn的含量均为焊缝区最高，渗铝层次之，之后逐步向钢母材侧降低，同时以更高的梯度向铝母材侧降低，最终两侧均为0，说明在焊接过程中渗铝层参与了自蔓延反应，促进了焊缝金属向钢母材侧的扩撒，同时合适的体系组成使得焊缝金属也能够向铝母材顺利扩散。可见所得铝-钢接头化学元素从焊缝到母材实现了平稳过渡，增大了焊缝与母材的匹配能力。

实施例4

待焊铝板为纯铝，钢板为Q235钢，二者厚度均为2.5cm，按照步骤一处理，采用固体粉末包埋渗铝法（渗剂为质量分数99.5%铝铜铁合金粉+0.5%NH₄Cl；温度为1250K）获得渗铝层厚度约为200μm的渗铝钢板。在进行完步骤二后，选取粒径为200μm左右的粉体，按照质量分数分别为22.9%的Al粉、60.2%的Cu₂O粉、13.2%的SnO₂粉、2.2%的Zn粉和1.5%的CaF₂粉配制焊接体系。之后完成步骤三、步骤四，即可实现铝-钢的无电焊接。

所得铝-钢接头的渗铝层与钢母材，渗铝层与焊缝，以及焊缝与铝母材的边界处，均为紧密结合，且界面均有弯曲而致密的熔合线，形成了有效的冶金结合。整个焊缝区域（包括从钢母材边缘到铝母材边缘之间）成形良好，无夹渣、气孔、未熔合等常规焊接缺陷，且合金元素梯度分布，过渡均匀，焊缝与母材匹配良好，焊接质量较好。

Claims (4)

1.一种铝-钢自蔓延焊接方法，其特征在于，采用的自蔓延焊剂，由质量分数分别为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粉组成，所有粉体粒径为20nm-500μm；以及焊接前，在钢板待焊部位进行渗铝，获得厚度为10-300μm的渗铝层。

2.根据权利要求1所述的铝-钢自蔓延焊接方法，其特征在于，所述的渗铝，采用热浸镀铝法、固体粉末包埋渗铝法、热喷涂渗铝法或气体渗铝法。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一对钢板进行除油、除锈处理后，在钢板待焊接部位渗铝，获得厚度为10-300μm的渗铝层；

步骤二对铝板、渗铝钢板的待焊部位进行表面清理，去除杂质，然后将铝板和渗铝钢板放置于焊接用的石墨坩埚之下，且缝隙中心对准石墨坩埚底部的通孔；

步骤三将焊剂按比例均匀混合，倒入已经用自熔塞封好底孔的石墨坩埚中，然后对待焊件以及石墨坩埚进行预热；

步骤四用电子引火器引燃焊剂，使其发生自蔓延反应，放出大量热使得自熔塞熔化，反应生成的焊缝金属混合液由通孔流入焊缝，并在反应生成的浮渣的净化与保护下冷却，即完成铝-钢的焊接。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述自熔塞为铝制垫片。