CN110666329A - 一种提高铝板和钢板焊接接头耐腐蚀性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于应用焊接技术领域，具体公开了一种提高铝板和钢板焊接接头耐腐蚀性能的方法，在钢板待焊接面上镀一层钴备用；然后以钢板为基板，铝板为复板，在焊接夹具工装上组装铝板和钢板，铝板和钢板之间保持一定的搭接长度和搭接间隙；所述铝板和钢板搭接所形成的平面为待焊接面；铝板下方设有线圈，钢板上方设有压板；最后使用电磁脉冲焊接铝板和钢板。该方法不但能提高焊接接头的耐腐蚀性、耐磨性和耐高温性，而且还能有效阻碍铝钢金属间化合物和母材碎片的生成，提高铝板和钢板焊接接头性能。
Description
技术领域
本发明涉及应用焊接技术领域，具体涉及一种提高铝板和钢板焊接接头耐腐蚀性能的方法。
背景技术
当前，随着工业的快速发展，对资源的需求在大幅增加，势必导致资源的匮乏。如何解决这一问题便成了当下思考的主题，为此，“能耗低、绿色环保、轻量化”就成了当前突破的重要手段。因此，分布广、储量多、耐腐蚀的轻金属铝及其铝合金引起制造业的广泛关注，并且成为了传统钢材最好的替代品之一。近年来，铝钢复合材料在工业上得以广泛的应用，尤其是在于能源化工、轨道交通、汽车船舶、航空航天等领域的应用越来越多，其中最为普遍的是汽车制造业。然而，利用传统焊接方法无法得到力学性能优良的焊接接头，因为铝钢材料物性参数相差较大，从焊接性能来看：铝和不锈钢的熔点相差较大，铝的熔点约为660℃，不锈钢的熔点约为1399℃~1455℃；两者线膨胀系数差别太大，冷却凝固时的体积收缩率相差也较大，导致焊接后接头形成较大的残余应力，产生焊缝开裂；铝与不锈钢易形成Fe-Al、Fe-Al-Mn等脆性化合物相；从焊接表面来看：铝表面稳定性极高的氧化膜及不锈钢表面的氧化铬阻碍高效焊接，铝的氧化膜Al2O3，其熔点高达2050℃，远高于铝/不锈钢本身的熔点，焊接过程中极易形成夹渣；焊接过程氧化膜吸收水分，焊接时容易产生气孔。所以，选择适合铝/钢异种金属高强度焊接方法成为焊接领域研究的热点。
目前，对铝/钢的焊接也有学者采用钎焊、熔焊、激光焊、搅拌摩擦焊等方法进行研究，比如：李春玲等发表的《铝／镀锌钢电弧辅助激光涂粉填丝熔钎焊方法》；黄永宪等发表的《铝/钢异种材料搅拌摩擦焊研究进展》；李杰等发表的《铝/钢异种金属熔钎焊方法研究现状》；周惦武等发表的《铝/钢表面预置粉末激光焊接头的组织与性能》等。以上研究成果对获得良好性能的焊接接头具有一定的指导作用，但是，目前焊接方法在不同程度上还受到一定的制约，例如采用熔钎焊，虽然可以借助钎料成分改善耐腐蚀性，但是钎焊接头生成大量的脆性金属间化合物；采用表面等离子喷涂技术改善性能，焊接接头的金属间化合物与焊缝金属及钢板产生电偶腐蚀，降低了接头性能，直接影响焊接构件安全及使用寿命。
所以怎样有效解决铝/钢高强度焊接，并获得耐腐蚀性的焊接接头是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种提高铝板和钢板焊接接头耐腐蚀性能的方法，该方法不但能提高焊接接头的耐腐蚀性、耐磨性和耐高温性，而且还能有效阻碍铝钢金属间化合物和母材碎片的生成，提高铝板和钢板焊接接头性能。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种提高铝板和钢板焊接接头耐腐蚀性能的方法，在钢板待焊接面上镀一层钴，然后将铝板和钢板的待焊接面正对，最后使用电磁脉冲焊接铝板和钢板。
进一步地，具体包括以下步骤：
（1）在钢板待焊接面上镀一层钴备用；
（2）以步骤（1）中的钢板为基板，铝板为复板，在焊接夹具工装上组装铝板和钢板，铝板和钢板之间保持一定的搭接长度和搭接间隙；所述铝板和钢板搭接所形成的平面为待焊接面；铝板下方设有线圈，钢板上方设有压板；
（3）接通电容器对线圈放电，线圈中通入周期极短的时变高强度电流，使铝板在电磁力下快速撞击钢板实现铝板和钢板电磁脉冲焊接。
进一步地，步骤（1）中采用电镀法在钢板待焊接面上镀钴。
进一步地，步骤（2）中，所述铝板和钢板之间的搭接长度为15～20 mm，搭接间隙为1.8～2.2 mm。
进一步地，步骤（3）中，所述电磁脉冲的焊接电流为700～750KA，电压为15～17KV，频率为16～18KHZ。
进一步地，所述钢板的待焊接面先用砂纸磨至表面光亮，并用酒精进行清洗后，用丙酮擦洗干净并自然干燥后再镀钴。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明在钢板的待焊接处镀钴，并在采用电磁脉冲焊接实现铝钢焊接的基础上，通过在钢上镀钴再与铝焊接的方法提高焊接接头性能，充分利用了电磁脉冲焊接作为冷压焊特点，在高速碰撞瞬时，界面附近产生大量变形，高位错为钴元素在界面扩散创造条件，镀层中适量的钴元素扩散会驱除碰撞后界面中残留的空气，同时，钴元素扩散进入铝板中，成为晶体结构的一原子，从而利用钴元素的耐热、耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化等优越性能改变铝板特性，提高焊接接头耐腐蚀性能。
2、本发明采用表面镀钴的方法，能够精准地通过时间控制钴的含量，由于铝铁界面生成金属间化合物，钢侧界面钴元素，能够有效地降低铝钢元素扩散量，实现有效控制金属间化合物含量，提高接头性能。
附图说明
图1-铝板和钢板的焊接示意图。
图2-实施例1焊接界面形貌及元素分布图。
图3-实施例1焊接界面元素扩散曲线图。
图4-实施例1焊接件拉伸式样断裂位置图。
图5-实施例2焊接件耐腐蚀实验后焊件腐蚀情况图。
图6-钢板未镀钴与铝板直接焊接得到的焊接件耐腐蚀实验后焊件腐蚀情况图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
一种提高铝板和钢板焊接接头耐腐蚀性能的方法，在钢板待焊接面上镀一层钴，然后将铝板和钢板的待焊接面正对，最后使用电磁脉冲焊接铝板和钢板。具体包括以下步骤：
（1）在钢板待焊接面上镀一层钴备用；
（2）以步骤（1）中的钢板为基板，铝板为复板，在焊接夹具工装上组装铝板和钢板，铝板和钢板之间保持一定的搭接长度和搭接间隙；所述铝板和钢板搭接所形成的平面为待焊接面；铝板下方设有线圈，钢板上方设有压板；
（3）接通电容器对线圈放电，线圈中通入周期极短的时变高强度电流，使铝板在电磁力下快速撞击钢板实现铝板和钢板电磁脉冲焊接。
其中，步骤（1）中采用电镀法在钢板待焊接面上镀钴。
这里，采用六水氯化钴配制成电镀液，采用脉冲电源加超声辅助电镀设备进行电镀，其中正极电流0.195A，负极电流-0.025A，电镀面表面积1.5cm2左右，电极采用铂电极，通过时间控制电镀量，5分钟能形成约10微米厚左右的电镀钴层。而本发明将电镀时间控制在2~2.5分钟，即电镀钴层厚度控制在4~5 微米，从而保证电镀后钢板上有一层钴，但不至于钴层的厚度过大致使铝板和钢板焊接不上。
其中，步骤（2）中，所述铝板和钢板之间的搭接长度为15～20 mm，搭接间隙为1.8～2.2 mm。
其中，步骤（3）中，所述电磁脉冲的焊接电流为700～750KA，电压为15～17KV，频率为16～18KHZ。
其中，所述钢板的待焊接面先用砂纸磨至表面光亮，并用酒精进行清洗后，用丙酮擦洗干净并自然干燥后再镀钴。
对铝板和钢板进行电磁脉冲焊接之前，需先在电磁脉冲焊接夹具工装上安装铝板和钢板，其焊接示意图如图1所示，将备好的铝板5和钢板2安装在电磁脉冲焊接夹具工装上，安装时铝板5为复板，钢板2为基板，在铝板5和钢板2的待焊接面之间留有搭接缝隙4，并用相应的垫板3进行固定，固定时控制好焊接过程所需的搭接长度，该长度决定了焊缝长度，进而影响搭接间隙4中磁场分布和铝板5冲击钢板2时碰撞点、冲击速度和冲击角。另外垫板3材料为电木材料，通过电木材料对铝板5和钢板2搭接间隙和搭接长度进行控制。为了实现铝板5对钢板2的快速撞击来完成电磁脉冲焊接，将线圈6设在铝板5的下方，便于接通电容器对线圈6放电，通过线圈6的电流产生一个强电磁场并在铝板5表面感应出电流，同时感应电流的磁场方向相反于线圈电流的磁场方向，使得铝板5在强磁场力作用下高速撞向钢板2；钢板2上方设有压板1，最后用螺栓7来固定夹具工装。本发明所用电磁脉冲焊接夹具工装为目前常用的夹具工装，本发明不做限定。
本发明可根据铝板和钢板的尺寸，选择不同规格型号的电磁脉冲焊接线圈。同时，通过电磁脉冲线圈对复板和基板搭接区域进行磁脉冲放电高速碰撞实现焊接过程，具体为，先将复板待焊接面置于板材类电磁脉冲焊接线圈上方，再放置基板、夹具，并对放电电压、频率设置为制定数值，然后接通高压放电开关通过电路放电，使复板在感应磁场力作用下加速撞击基板，对铝板和钢板搭接区域进行焊接。
实施例1
铝板和不锈钢钢板的尺寸均为75 mm×20 mm×1.5 mm，电磁脉冲焊接的具体步骤如下：
（1）对钢板的待焊接面用砂纸磨至表面光亮，并用酒精进行清洗，然后用丙酮擦洗干净经自然干燥，如此去除焊接材料待焊接面上的油污及杂质；
（2）对处理好的钢板采用电镀法使待焊面上镀一层钴，得到的镀钴钢板备用；
（3）对备好的铝板和钢板在焊接夹具上进行组装，以铝板为复板，钢板为基板，通过绝缘垫板调整焊缝间隙和搭接长度，其中搭接间隙为2.0 mm，搭接长度20 mm，进行铝板/钢板的电磁脉冲搭接焊接；
（4）最后设置焊接电压为16KV，焊接电流为750KA，频率为18KHZ，对上述设备中进行充放电，使线圈中通入高强度电流，产生交变磁场，同时在铝板中产生感应电流，形成感应磁场，其方向与线圈磁场相反，使铝板在感应磁场与线圈磁场的相互作用下快速撞击钢板实现焊接，通过对焊件宏观观察，发现铝板和钢板焊接接头处完好无缺陷。
对本实例采用电磁脉冲焊接得到的接头界面进行SEM观察及对所得焊接界面进行元素分布分析，其焊接界面形貌及元素分布图和元素扩散曲线图分别如图2和图3所示，由图3可知，钢侧镀钴，改变平直界面低强度连接形貌，呈现较均匀的波状界面连接，界面波之间的金属间化合物宽度几乎相等，且界面处未发现冲击产生的块状碎钢；同时还可清晰地看出元素扩散规律，在焊接过程中，铝板作为复板在冲击过程中，发生较大变形，Co元素因为位错而扩散到铝板中，同时钢板中少量的Fe元素扩散到铝板中，然而，由于钢板的硬度超过铝板，在碰撞过程，发生位错变形的量很少，铝元素扩散到钢板中的含量很少，甚至没有，这种现象由图4元素扩散曲线可以明显看出，铝元素含量在扩散到钢侧界面瞬间降低，界面存在约为6μm的过渡区，生成了极少量的金属间化合物。结果表明在钢板上镀钴能够有效降低Al-Fe金属间化合物和减少块状钢片，实现铝/钢高强度的焊接。
拉伸实验
对实施例1得到焊接件进行拉伸实验验证，拉伸试样的尺寸参考GB/T 26957—2011和AWS_D17-3-2010的要求进行，制定标准拉伸试样及与试样相同厚度的垫板，将备好的拉伸试样与试样垫板在拉伸试验机上进行装卡测试，实验结果如图4所示，可以清楚地发现断口位于母材铝合金板上，测得其抗拉强度137.78MPa，说明焊缝接头强度高于母材，在钢板上镀钴阻碍母材扩散，减少金属间化合物含量，力学性能提高。
实施例2
铝板和不锈钢钢板的尺寸均为75 mm×20 mm×2 mm，电磁脉冲焊接的具体步骤如下：
（1）对钢板的待焊接面用砂纸磨至表面光亮，并用酒精进行清洗，然后用丙酮擦洗干净经自然干燥，如此去除焊接材料待焊接面上的油污及杂质；
（2）对处理好的钢板采用电镀法使待焊面上镀一层钴，得到的镀钴钢板再进行以下操作；
（3）对备好的铝板和钢板在焊接夹具上进行组装，以铝板为复板，钢板为基板，通过绝缘垫板调整焊缝间隙和搭接长度，其中搭接间隙为1.8 mm，搭接长度15 mm，进行铝板/钢板的电磁脉冲搭接焊接；
（4）最后设置焊接电压为16KV，焊接电流为750KA，频率为18KHZ，对上述设备中进行充放电，使线圈中通入高强度电流，产生交变磁场，同时在铝板中产生感应电流，形成感应磁场，其方向与线圈磁场相反，使铝板在感应磁场与线圈磁场的相互作用下快速撞击钢板实现焊接，通过对焊件宏观观察，发现铝板和钢板焊接接头处完好无缺陷。
对本实例采用电磁脉冲焊接得到的接头界面进行SEM观察发现钢侧镀钴，改变平直界面低强度连接形貌，呈现较均匀的波状界面连接，界面波之间的金属间化合物宽度几乎相等，且界面处未发现冲击产生的块状碎钢。
耐腐蚀性对比实验
铝板和不锈钢钢板的尺寸均为75 mm×20 mm×2 mm，然后采用实施例2中步骤（3）和步骤（4）电磁脉冲焊接步骤完成铝板和钢板焊接，得到对比实施例。
配制腐蚀液：取65%的浓硝酸与酒精配置出4%的硝酸酒精，用量筒取48ml的酒精倒入锥形瓶内，用胶头滴管取2ml的浓硝酸滴入瓶中，利用玻璃棒搅拌均匀并进行密封保存。
实施例2和对比实施例得到的焊接件抛光后用水冲洗，再用酒精清洗吹干，然后在实施例2和对比实施例得到的焊接件表面均匀滴加等量的4%的硝酸酒精进行腐蚀，腐蚀时间约5s，随后立即用水冲洗，再用无水乙醇清洗并立即吹干（防止焊接件表面产生水渍）。观察实施例2和对比实施例得到的焊接件焊接接头的界面腐蚀情况分别如图5和图6所示，图5和图6为原图放大100倍后的效果图，由图5可知，钢侧镀钴的焊接界面腐蚀后，焊接界面形态清晰可见，由图6可知，钢侧未镀钴的接头，腐蚀后，界面处变成深色，明显可见严重腐蚀，从而说明镀钴界面耐腐蚀性强。
最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (6)
1.一种提高铝板和钢板焊接接头耐腐蚀性能的方法，其特征在于，在钢板待焊接面上镀一层钴，然后将铝板和钢板的待焊接面正对，最后使用电磁脉冲焊接铝板和钢板。
2.根据权利要求1所述的一种提高铝板和钢板焊接接头耐腐蚀性能的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）在钢板待焊接面上镀一层钴备用；
（2）以步骤（1）中的钢板为基板，铝板为复板，在焊接夹具工装上组装铝板和钢板，铝板和钢板之间保持一定的搭接长度和搭接间隙；所述铝板和钢板搭接所形成的平面为待焊接面；铝板下方设有线圈，钢板上方设有压板；
（3）接通电容器对线圈放电，线圈中通入周期极短的时变高强度电流，使铝板在电磁力下快速撞击钢板实现铝板和钢板电磁脉冲焊接。
3.根据权利要求2所述的一种提高铝板和钢板焊接接头耐腐蚀性能的方法，其特征在于，步骤（1）中采用电镀法在钢板待焊接面上镀钴。
4.根据权利要求2所述的一种提高铝板和钢板焊接接头耐腐蚀性能的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述铝板和钢板之间的搭接长度为15～20 mm，搭接间隙为1.8～2.2 mm。
5.根据权利要求2所述的一种提高铝板和钢板焊接接头耐腐蚀性能的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述电磁脉冲的焊接电流为700～750KA，电压为15～17KV，频率为16～18KHZ。
6.根据权利要求1或2所述的一种提高铝板和钢板焊接接头耐腐蚀性能的方法，其特征在于，所述钢板的待焊接面先用砂纸磨至表面光亮，并用酒精进行清洗后，用丙酮擦洗干净并自然干燥后再镀钴。
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