CN108188579B - 一种钢/铝异种材料的激光焊接方法 - Google Patents

一种钢/铝异种材料的激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钢/铝异种材料的激光焊接方法，无须去除铝合金表面的Al2O3氧化层，在铝合金表面预置Ni/B混合粉，B粉质量分数为5％～15％，在惰性气体混合CO2/O2混合气体或空气气氛下实施激光焊接，通过Ni/B混合粉中的Ni改善熔池内的冶金反应，有效阻碍了Fe‑Al冶金反应的发生，抑制了焊接接头界面处Fe‑Al金属间化合物的析出；B粉熔化进入焊接熔池中提高了因Ni加入后生成的Al‑Ni金属间化合物的韧性；采用O2和CO2中的一种或两种与惰性气体混合或在单纯空气环境下直接焊接，提高焊接熔池的氧分压，使得进入熔池内的Al元素与O元素结合形成对焊接接头强韧性无影响的Al2O3，降低界面处Fe‑Al金属间化合物的厚度，实现钢/铝异种焊接接头的强韧化，获得高质量的激光焊接接头。

Description

一种钢/铝异种材料的激光焊接方法
技术领域
本发明涉及钢/铝异种材料的焊接技术领域，尤其涉及一种钢/铝异种材料的激光焊接方法。
背景技术
在能源紧缺，环境污染越来越严重的今天，新能源汽车已成为汽车产业未来发展的趋势。我国发展新能源汽车对整个汽车行业，乃至对于坚持走新型工业化道路，建设资源节约型、环境友好型的社会意义重大，在所有新能源汽车中，采用纯净能源驱动的纯电动汽车是目前最受市场欢迎的。然而对于电动汽车而言，续航能力是其产业化和市场化需要克服的关键。电池技术是决定电动汽车续航能力的决定性技术之一，除了电池技术之外，电动汽车的重量也是其续航能力的限制性因素之一。车身质量的降低一方面允许装配更多的电池；另一方面可以有效提升汽车的能动性。铝的密度约为2.7×103kg/m3，仅是钢的1/3，因此用铝及铝合金制造汽车零部件具有明显的减重节能效果。但鉴于经济性和安全性的综合考虑，目前新能源汽车常采用的是钢铝混合车身。
然而，由于钢与铝的物理化学性能差异较大，导致钢/铝焊接接头极易在界面处生成脆性的Fe-Al金属间化合物，使得焊接的强度和韧性均无法满足实际生产需求，严重制约了钢铝混合车身的进一步发展。专利201710481394.0公布了一种钢母材镀镍/锌符合镀层的钢/铝钎焊方法，通过镀镍层抑制钢/铝元素的扩散，改善焊接熔池内的冶金反应来提高接头的力学性能，实现无钎剂连接。陈树海等人在《镍箔中间层对不锈钢/铝合金激光深熔焊的影响》中进一步分析了Ni对焊接熔池内冶金反应的影响机理，研究认为Ni的加入有效改善了熔池内的冶金反应，并在其后续的研究中认为熔池内有新相Al0.9Ni1.1生成，减少了界面处Fe-Al金属间化合物的析出，提高了焊接接头的力学性能。但是由于生成的Ni-Al金属间化合物仍属于一种脆性的金属间化合物，故焊接接头的强度提升有限，仅提高了7％，仍在界面处发生开裂，难以达到实际生产的需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够提高焊接接头的力学性能，降低生产成本和设备投入的钢/铝异种材料的激光焊接方法。
本发明提出的一种钢/铝异种材料的激光焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：取钢板和铝合金，清洗钢板和铝合金上的油污，保留铝合金表面的Al2O3氧化层；无需用机械剥离或激光烧蚀等方法去除铝合金表面的氧化层；
步骤(2)：分别选取Ni粉和B粉，将Ni粉和B粉混合均匀，得到Ni/B混合粉；
步骤(3)：在铝合金表面均匀预置Ni/B混合粉；
步骤(4)：将钢板和预置有Ni/B混合粉的铝合金以钢板在上、铝合金在下的搭接形式置于工作台上，用焊接夹具使钢板和铝合金紧密接触；
步骤(5)：在惰性气体+CO2/O2混合气体的气氛下或单纯空气气氛下实施钢板与铝合金激光焊接；CO2/O2混合气体中CO2占比为0％～100％，O2占比为0％～100％，CO2和O2的总和为100％；焊接完成后形成有Fe-Al金属间化合物层。不需要额外使用焊丝的，大幅度降低了生产成本和设备投入。
进一步的，步骤(1)中，所述钢板和铝合金厚度为0.8～2.0mm，钢板和铝合金上油污的清洗方式是通过丙酮或酒精清洗。
进一步的，步骤(2)中，所述Ni粉和B粉的颗粒度为20nm～200μm，纯度为90.00％～99.99％。
进一步的，步骤(2)中，所述Ni/B混合粉中B粉质量分数为5％～15％，Ni粉质量分数为95％～85％。
进一步的，步骤(2)中，所述Ni粉和B粉的混合方式有两种，当Ni粉和B粉的颗粒度为20nm～1μm时采用超声波或溶胶-凝胶法混合；当Ni粉和B粉的颗粒度为1μm～200μm采用机械混合。
进一步的，步骤(3)中，所述铝合金表面均匀预置的Ni/B混合粉厚度为0.03mm～1mm。
进一步的，步骤(5)中，所述惰性气体为Ar或N2，所述惰性气体混合CO2/O2混合气体形成的保护气体中惰性气体所占的体积为80％～95％，CO2/O2混合气体所占的体积为5％～20％；所述空气气氛下的焊接是在空气环境下直接焊接。
进一步的，步骤(5)中，焊接过程中气体流量为10～15L/min。
进一步的，步骤(5)中，所述Fe-Al金属间化合物层的厚度为10μm-20μm。
进一步的，步骤(5)中，焊接完成后形成的激光焊接接头的抗拉强度为60～120MPa。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1.预置在铝合金表面的混合粉中的Ni粉进入熔池后改善了熔池内的冶金反应，有效阻碍了Fe-Al冶金反应的发生，抑制了焊接接头界面处Fe-Al金属间化合物的析出，降低了界面处脆性的Fe-Al金属间化合物层的厚度；混合粉中的B粉熔化进入焊接熔池中有效的提高了因Ni加入后生成的Ni-Al金属间化合物的韧性，实现钢/铝异种焊接接头的强韧化。
2.本发明在惰性气体混合CO2/O2混合气体的保护气氛下甚至于在惰性气体混合空气的环境下施焊，大幅度降低保护气成本和焊接对环境的要求。焊接过程中，CO2/O2混合气体或空气中的CO2或O2被电离，氧元素进入熔池内部，与熔池内的Al元素结合形成氧化物，由于极短的高温停留时间和亚快速凝固速度，导致氧化物夹杂的尺寸细小且不影响焊缝质量。不需要额外使用焊丝的，大幅度降低了生产成本和设备投入。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明一种钢/铝异种材料的激光焊接方法的焊接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一：
一种钢/铝异种材料的激光焊接方法，包括如下步骤：
步骤(1)：选用1.5mm厚DP590和AA6061铝合金，丙酮去油污；
步骤(2)：在处理干净的AA6061铝合金表面预置厚度为的0.06mm的Ni/B混合粉，颗粒度为20nm～200μm；
步骤(3)：将经过处理的钢板和铝合金以钢上铝下的搭接形式置于工作台上，并用专用的焊接夹具使两块钢板紧密接触。
步骤(4)：利用IPG-6kW光纤激光器对试验板进行搭接焊，保护气为95％Ar+5％CO2/O2混合气体。
焊后观察焊缝宏观形貌优良，无明显飞溅，界面处有Ni-Al金属间化合物析出，Fe-Al金属间化合物层厚度约为20μm，焊接接头强度达到60MPa。
实施例二：
步骤(1)：选用1.5mm厚DP590和AA6061铝合金，丙酮去油污；
步骤(2)：在处理干净的AA6061铝合金表面预置厚度为的0.1mm的Ni/B混合粉，颗粒度为20nm～200μm；
步骤(3)：将经过处理的钢板和铝合金以钢上铝下的搭接形式置于工作台上，并用专用的焊接夹具使两块钢板紧密接触。
步骤(4)：利用IPG-6kW光纤激光器对试验板进行搭接焊，保护气为85％Ar+15％CO2/O2混合气体。
焊后观察焊缝宏观形貌优良，无明显飞溅，界面处有Ni-Al金属间化合物析出量明显增多，Fe-Al金属间化合物层厚度约为10μm，焊接接头强度达到120MPa
该钢/铝异种材料的激光焊接方法的主要原理如下：实际上，对于钢/铝异种激光焊接而言，能否获得高质量的激光焊接接头，只需要抑制Fe-Al冶金反应，减少或抑制界面处脆性的Fe-Al金属间化合物的析出。从材料学的基本原理出发，只需要加入一种元素能够抑制Fe-Al冶金反应的发生即可。从Fe-Al相图和Ni-Al相图上来看，Ni-Al冶金反应开始温度(1680℃)明显高于Fe-Al冶金反应(1500℃)，从冶金反应角度而言，Ni-Al冶金反应优先于Fe-Al冶金反应发生，能够阻碍Fe-Al冶金反应的发生，降低钢/铝激光焊接头界面处Fe-Al金属间化合物层的厚度。从材料学的角度而言，晶界作为结构材料的薄弱区域，对于Ni-Al金合金的力学性能至关重要。B元素是一种传统的合金强化元素，常被添加到合金中以改善合金的力学性能。偏析于Ni-Al合金的B原子能抑制晶界脆化，使得Ni-Al合金的断裂方式由沿晶断裂转变为穿晶断裂，提高Ni-Al金属间化合物的韧性。因此，在加入Ni的条件下同时加入B既能减少界面处Fe-Al金属间的化合物的析出，又能提高因Ni的加入而生成的Ni-Al金属间化合物的韧性，将极大地提高钢/铝异种激光焊接接头的力学性能。另一方面，Al与氧的亲和力远远高于Al与Fe元素的亲和力，所以在传统的炼钢当中我们才会使用Al元素作为脱氧剂去除钢中的氧元素。反而言之，如果我们在焊接过程中适当的提高焊缝中的氧分压，让Al元素形成脱氧产物Al2O3，此时Al将不会与Fe形成脆性的金属间化合物。因此，本发明在铝合金表面，预置一定厚度的Ni/B混合粉，保证其均匀性，并将传统的100％Ar或N2改变为包含一定含量CO2/O2的混合气或直接在空气下焊接可实现上述性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种钢/铝异种材料的激光焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）：取钢板和铝合金，清洗钢板和铝合金上的油污，保留铝合金表面的Al2O3氧化层；
步骤（2）：分别选取Ni粉和B粉，将Ni粉和B粉混合均匀，得到Ni/B混合粉；
步骤（3）：在铝合金表面均匀预置Ni/B混合粉；
步骤（4）：将钢板和预置有Ni/B混合粉的铝合金以钢板在上、铝合金在下的搭接形式置于工作台上，用焊接夹具使钢板和铝合金紧密接触；
步骤（5）：在惰性气体+CO2/O2混合气体的气氛下或单纯空气气氛下实施钢板与铝合金激光焊接；CO2/O2混合气体中CO2占比为0%~100%，O2占比为0%~100%，CO2和O2的总和为100%；焊接完成后形成有Fe-Al金属间化合物层；
步骤（2）中，所述Ni/B混合粉中B粉质量分数为5%~15%，Ni粉质量分数为85%~95%。
2.根据权利要求1所述的一种钢/铝异种材料的激光焊接方法，其特征在于：步骤（1）中，所述钢板和铝合金厚度为0.8~2.0mm，钢板和铝合金上油污的清洗方式是通过丙酮或酒精清洗。
3.根据权利要求1所述的一种钢/铝异种材料的激光焊接方法，其特征在于：步骤（2）中，所述Ni粉和B粉的颗粒度为20nm~200μm，纯度为90.00%~99.99%。
4.根据权利要求1所述的一种钢/铝异种材料的激光焊接方法，其特征在于：步骤（3）中，所述铝合金表面均匀预置的Ni/B混合粉厚度为0.03mm~1mm。
5.根据权利要求1所述的一种钢/铝异种材料的激光焊接方法，其特征在于：步骤（5）中，所述惰性气体为Ar或N2，所述惰性气体混合CO2/O2混合气体形成的保护气体中惰性气体所占的体积为80%~95%，CO2/O2混合气体所占的体积为5%~20%；所述空气气氛下的焊接是在空气环境下直接焊接。
6.根据权利要求1所述的一种钢/铝异种材料的激光焊接方法，其特征在于：步骤（5）中，焊接过程中气体流量为10~15L/min。
7.根据权利要求1所述的一种钢/铝异种材料的激光焊接方法，其特征在于：步骤（5）中，所述Fe-Al金属间化合物层的厚度为10μm-20μm。
8.根据权利要求1所述的一种钢/铝异种材料的激光焊接方法，其特征在于：步骤（5）中，焊接完成后形成的激光焊接接头的抗拉强度为60~120MPa。
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