CN108581166B - 铝/钢异种金属焊接中抑制Fe-Al金属间化合物层生成的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝/钢异种金属焊接中抑制Fe‑Al金属间化合物层生成的方法，通过设定不等厚铝/钢异种金属对接头间隙尺寸，利用高能密度电子束在大间隙中行走，热传导熔化厚度较大的低熔点铝合金后，液态金属铝流动与固态不锈钢表面发生接触，在表面张力作用下润湿铺展在钢表面实现焊接；上述方法防止焊缝表面下塌缺陷，保证接头成形质量，且在整个焊接过程中电子束不直接接触母材金属，解决电子束焊接中对精度高的问题，也解决铝/钢异种金属不添加过渡金属便不能焊接的难题，节省焊接成本，为异种金属焊接提供新方法，提升其在航空、航天、汽车、化工和冶金等领域的应用前景。

Description

铝/钢异种金属焊接中抑制Fe-Al金属间化合物层生成的方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体指一种铝/钢异种金属焊接中抑制Fe-Al金属间化合物层生成的方法。
背景技术
铝合金作为有色金属结构材料，具有密度低、比强度高、塑性好、良好的导电性及耐腐蚀性，不锈钢具有强度高、塑性好和良好的耐腐蚀性与焊接性等综合力学性能，铝与钢的连接可以同时发挥两种材料的独特优势，而被广泛应用于工业领域，如铝合金与不锈钢的焊接可以有效地实现汽车等工业领域结构件的减重，减少燃油消耗，减低CO2排放，近年来关于铝合金与不锈钢的焊接受到广泛重视，而铝/钢异种金属焊接的主要问题与难点在于：
1)铝/钢二者热物理参数相差较大，如熔点、热膨胀系数与导热率等，焊后易产生残余应力，甚至变形；2)铝在钢中的溶解度与钢在铝中的溶解度很低，二者通常以Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5与FeAl3脆性金属间化合物的形式存在，当脆性金属间化合物呈现连续层状分布时，焊缝易产生裂纹，会恶化接头性能；3)铝/钢熔化焊时，Fe-Al金属间化合物层的厚度决定了接头的强度，通常采用金属过渡层来抑制Fe-Al金属间化合物层的厚度，进而控制接头强度，但金属过渡层的加入导致液态金属熔池中同时存在三种或三种以上组元的互溶，加大了工艺难度，甚至引入新的金属间化合物；同时金属过渡层的加入也增大了装配时间与焊接成本；4)铝/钢非熔化焊时，虽然Fe-Al金属间化合物层的厚度可以在一定程度上得到控制，但其接头的高温强度不足。实际上解决铝/钢异种金属焊接问题的根源在于对Fe-Al金属间化合物层厚度的控制。
经对现有技术的文献检索发现，有大量科研工作者开展了对铝/钢的焊接工作，《Metal Construction》1981年第4期发表了Elliott的一篇题为“Joining aluminum tosteel part 2friction welding”的文章，认为金属间化合物的存在是影响铝/钢接头性能的主要因素，其金属间化合物层厚度存在一个临界值(约为1μm)，当金属间化合物层厚度大于此临界值时，会导致接头强度下降；而当化合物层小于该临界值时，会提高接头强度。《焊接学报》2015年第36期发表了俞伟元的一篇题为“过渡层对铝/钢FSB接头性能和组织的影响”的文章，其采用镍及Ni/Cu复合过渡层对铝/钢进行搅拌摩擦焊，结果表明采用镍过渡层时，金属间化合物较易出现在接头边缘区域，中心区域金属间化合物含量较少。而采用Ni/Cu复合过渡层时，会生成少量的Al-Zn金属间化合物。虽然该方法在采用镍过渡层时，有效地抑制了中心区域的金属间化合物的含量，但没有从根本上消除金属间化合物层，而采用Ni/Cu复合过渡层时，又引入了新的Al-Zn金属间化合物。《机械工程学报》2014年第50期发表了杨旭东的一篇题为“铜箔中间层对铝/钢异种金属激光对接焊接头质量的影响”的文章，其采用铜箔中间层对铝/钢进行了激光焊接，在最佳工艺参数下，铜箔可以有效地抑制Al元素向钢侧的扩散，界面处主要生成了(Fe,Cu)4Al13、(Fe,Cu)2Al5与CuAl2等脆性相，断口呈现典型的脆性断裂特征，这是限制接头性能提升的根本原因。可见，该方法在控制金属间化合物方面仍然存在一定的不足。《Materials and Design》2013年第49期发表了Yang的一篇题为“Welding of aluminum alloy to zinc coated steel by cold metal transfer”的文章，其利用冷金属过渡以填加ER4043焊丝的方式对铝/钢搭接头进行了焊接，结果表明该工艺下可以使金属间化合物层平均厚度控制在5μm以下，且铝/钢接头金属间化合物层呈现向铝侧突出的特点，同时焊丝中的Si元素可以降低金属间化合物层中Al元素的扩散，同时起到抑制金属间化合物层的作用；该方法没有将铁铝金属间化合物层的厚度控制在较低水平，其根本原因是对铁、铝熔化量的控制不够理想。上述研究分别采用了预置中间层、填丝等方法对铝/钢进行了焊接，虽然在Fe-Al金属间化合物层的抑制方面取得了一定的成绩，但均没有从根本上消除铁铝金属间化合物仍以层状分布的特征。利用不添加金属过渡层、大间隙、不等厚的方式抑制铝/钢异种金属焊接中的Fe-Al金属间化合物层生成的方法还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于有效地控制铝/钢异种金属焊接过程中Fe-Al金属间化合物层的厚度，提出了一种铝/钢异种金属焊接中抑制Fe-Al金属间化合物层生成的方法。针对铝/钢异种金属焊接上述主要难点，通过对不等厚铝/钢异种金属对接头间隙尺寸的设定，利用高能密度的电子束在大间隙中行走，通过热传导熔化厚度较大的低熔点铝合金，液态金属铝发生流动与固态不锈钢表面发生接触，而后在表面张力作用下润湿铺展在钢的表面实现焊接。整个过程电子束不直接与铝合金和不锈钢接触，只有少量的钢发生了熔化，在液态熔池的搅拌作用下，生成的Fe-Al金属间化合物呈弥散分布。由于采用不等厚结构，较厚的铝合金母材扮演了填充间隙的角色，有效地避免了焊缝表面下塌缺陷，焊后接头成形质量较高。间隙值达到0.5mm时，间隙尺寸过大，无法实现焊接。该思路有别于添加填充金属的焊接方法，在工艺上，该方法简化了添加金属过渡层进行铝/钢焊接的工艺流程；在工装上，该方法降低了电子束焊接对接头装配精度的要求；在成形上，通过不等厚板的设置避免了焊缝表面下塌缺陷，保证了成形质量；在组织上，通过控制铝/钢金属的熔化量使得焊缝组织中的Fe-Al金属间化合物呈现弥散分布特征，消除了金属间化合物层。该方法减少了焊接成本，降低了焊接装配难度，将对突破铝/钢异种金属焊接关键技术瓶颈具有重要的指导意义。
本发明的技术方案具体如下：
一种铝/钢异种金属焊接中抑制Fe-Al金属间化合物层生成的方法，设定不等厚的铝/钢异种金属对接头间隙尺寸；再利用高能密度电子束在上述间隙中行走，热传导熔化低熔点铝材，液态铝流动与固态钢材表面接触，在表面张力作用下润湿铺展于钢材表面进行焊接；具体步骤如下：
(1)选取厚度为2.5mm的6061铝合金母材板和厚度为2mm的304不锈钢母材板，焊前对试板进行机械打磨去除氧化膜，并进行清洗、晾干；
(2)利用工作台上的夹具以对接形式装夹两试板，用塞尺设定两试板的间隙尺寸为0.2mm～0.5mm，调整工作高度为150mm，关闭真空室并抽真空至真空度在5×10-2Pa大气压以下；
(3)根据真空环境下的铝/钢热物理参数和板厚，设定焊接过程的工艺参数，加速电压为60kV，束流为15～30mA，聚焦电流为500mA，焊接速度为400～600mm/min，电子束以正对间隙中心的方式在间隙中行走，不添加金属过渡层的情况下完成整个焊接过程；
(5)焊接结束后，焊后试样在真空室内冷却10min后取出。
在一些优选的实施方式中，两试板的间隙尺寸为0.3mm；焊接工艺参数优选为：加速电压60kV，束流20mA，聚焦电流为500mA，焊接速度为500mm/min，工作高度为150mm。
本发明不同于现有的铝/钢连接方法，其以一种简便、低成本方式实现对铝/钢异种金属接头成形成性的控制，为铝/钢异种金属焊接中抑制Fe-Al金属间化合物层的生成提供了一种新方法。
附图说明
图1为不等厚铝/钢异种金属真空电子束焊接示意图；其中，1.真空室；2.304不锈钢板；3.电子束；4.电子枪；5.6061铝合金板；6.夹具；7.工作台。
A.间隙尺寸；B.6061铝合金板的厚度；C.304不锈钢板的厚度；D.电子束光斑直径；E.工作高度；
图2为铝/钢焊缝上部金属间化合物分布的组织照片；
图3为铝/钢焊缝中部金属间化合物分布的组织照片；
图4为铝/钢焊缝下部金属间化合物分布的组织照片；
图5为间隙值0.3mm下的铝/钢异种金属焊接接头成形照片。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
参见附图1，铝/钢异种金属焊接中抑制Fe-Al金属间化合物层生成的方法，具体步骤如下：选取厚度B为2.5mm的6061铝合金母材板5和厚度C为2mm的304不锈钢母材板2，焊前对试板2和5进行机械打磨去除氧化膜，并进行清洗、晾干；利用工作台7上的夹具6以对接形式装夹两试板，用塞尺设定两试板的间隙尺寸A为0.3mm，调整工作高度E为150mm，关闭真空室1并抽真空至真空度在5×10-2Pa大气压以下；根据真空环境下的铝/钢热物理参数和板厚，设定焊接过程的工艺参数，加速电压为60kV，束流为20mA，聚焦电流为500mA，焊接速度为500mm/min，电子束3以正对间隙中心的方式在间隙中行走，不添加金属过渡层的情况下完成整个焊接过程；焊接结束后，焊后试样在真空室内冷却10min后取出。
实施例2
铝/钢异种金属焊接中抑制Fe-Al金属间化合物层生成的方法，具体步骤如下：选取厚度B为2.5mm的6061铝合金母材板5和厚度C为2mm的304不锈钢母材板2，焊前对试板2和5进行机械打磨去除氧化膜，并进行清洗、晾干；利用工作台7上的夹具6以对接形式装夹两试板，用塞尺设定两试板的间隙尺寸A为0.2mm，调整工作高度E为150mm，关闭真空室1并抽真空至真空度在5×10-2Pa大气压以下；根据真空环境下的铝/钢热物理参数和板厚，设定焊接过程的工艺参数，加速电压为60kV，束流为15mA，聚焦电流为500mA，焊接速度为400mm/min，电子束3以正对间隙中心的方式在间隙中行走，不添加金属过渡层的情况下完成整个焊接过程；焊接结束后，焊后试样在真空室内冷却10min后取出。
实施例3
铝/钢异种金属焊接中抑制Fe-Al金属间化合物层生成的方法，具体步骤如下：选取厚度B为2.5mm的6061铝合金母材板5和厚度C为2mm的304不锈钢母材板2，焊前对试板2和5进行机械打磨去除氧化膜，并进行清洗、晾干；利用工作台7上的夹具6以对接形式装夹两试板，用塞尺设定两试板的间隙尺寸A为0.4mm，调整工作高度E为150mm，关闭真空室1并抽真空至真空度在5×10-2Pa大气压以下；根据真空环境下的铝/钢热物理参数和板厚，设定焊接过程的工艺参数，加速电压为60kV，束流为30mA，聚焦电流为500mA，焊接速度为600mm/min，电子束3以正对间隙中心的方式在间隙中行走，不添加金属过渡层的情况下完成整个焊接过程；焊接结束后，焊后试样在真空室内冷却10min后取出。
参见附图2-4，为实施例1的焊缝中不同位置金属间化合物的分布特征，可知Fe-Al金属间化合物在焊缝中呈现弥散分布，而非层状连续层状分布。
参见附图5，可以看出实施例1中焊接接头焊缝表面无下塌缺陷，成形质量高。
综上所述，本发明采用大间隙不等厚结构对铝/钢异种金属进行真空电子束焊接以达到对Fe-Al金属间化合物层生成的抑制，同时起到优化焊缝成形、简化工装与节约成本的效果，为铝/钢异种金属焊接成形成性控制提供了一种新方法，提升了铝/钢接头在航空、航天、汽车、冶金等工业领域的应用，为其他异种金属的焊接提供了理论与技术指导。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.铝/钢异种金属焊接中生成呈现弥散分布的Fe-Al金属间化合物的方法，其特征在于，步骤为：
(1)选取厚度为2.5mm的6061铝合金母材板和厚度为2mm的304不锈钢母材板，焊前对上述6061铝合金母材板和304不锈钢母材板进行机械打磨去除氧化膜，清洗后晾干；
(2)工作台上的夹具以对接形式装夹两试板，用塞尺设定两试板的间隙尺寸为0.3mm，调整工作高度为150mm，关闭真空室并抽真空至真空度在5×10-2Pa大气压以下；
(3)根据真空环境下的铝/钢热物理参数和板厚，设定焊接过程的工艺参数，加速电压为60kV，束流为20mA，聚焦电流为500mA，焊接速度为500mm/min，电子束以正对间隙中心的方式在间隙中行走，不添加金属过渡层的情况下完成整个焊接过程；
(4)焊接结束后，焊后试样在真空室内冷却10min后取出。
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