CN111347160A - 一种镀铝钢-铝合金的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种镀铝钢‑铝合金的焊接方法,包括以下步骤:A)将镀铝钢和铝合金的表面分别进行清洗;B)将清洗后的镀铝钢和清洗后的铝合金以交叠方式部分搭接后进行激光焊接;本申请通过激光焊接技术精准控制焊接热输入、焊接结构设计及熔深控制,从而实现镀铝钢不完全熔透,镀铝钢基体与铝合金基体不形成熔池,而使得镀铝钢表面的Al‑Si层与铝合金基体在焊接热循环的作用下熔合形成良好的冶金结合,抑制了界面处新的Fe‑Al金属间化合物的形成与长大,仅有Al‑Si层与镀铝钢基体间原有的Fe‑Al金属间化合物层,从而实现了镀铝钢‑铝合金异种材料的高效优质连接。
Description
技术领域
本发明涉及铝/钢异种材料的焊接技术领域,尤其涉及一种镀铝钢-铝合金的焊接方法。
背景技术
目前,在汽车领域,传统的全钢车身已不满足汽车轻量化的需求。铝合金作为一种典型的轻质金属,已逐步用于代替传统的钢铁材料,从而达到显著降低汽车车身重量的目的。但是鉴于经济性和安全性的综合考虑,车身部分结构仍需要使用钢铁材料,因此钢-铝混合车身则成为目前的主要研究热点。钢-铝混合车身的运用与发展则必须解决解决钢铁材料和铝合金的焊接问题。
然而,由于钢与铝的物理化学性能差异较大,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。因此,避免Fe-Al金属间化合物的生成,进而保证镀铝钢-铝合金异种材料的高效连接,且具有较高的焊接强度和韧性是十分必要的。为了解决上述问题,镀铝钢-铝合金异种材料焊接方法的提供是迫切的。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种镀铝钢-铝合金的焊接方法,该焊接方法可实现镀铝钢-铝合金的冶金结合,明显提高镀铝钢-铝合金的激光焊接接头的抗拉强度。
有鉴于此,本申请提供了一种镀铝钢-铝合金的焊接方法,包括以下步骤:
A)将镀铝钢和铝合金的表面分别进行清洗;
B)将清洗后的镀铝钢和清洗后的铝合金以交叠方式部分搭接后进行激光焊接;
所述激光焊接的功率为1000~5000W;
所述激光焊接的速率为1~10m/min;
所述激光焊接的离焦量为+10~+25mm或-10~-25mm;
所述激光焊接的光斑直径为0.1~0.5mm。
优选的,所述镀铝钢的厚度为0.8~3.0mm,所述铝合金的厚度为0.8~3.0mm。
优选的,所述镀铝钢表面的Al-Si镀层的厚度为20~40μm,过渡层Fe-Al金属间化合物层的厚度为5~10μm。
优选的,步骤B)具体为:
将清洗后的镀铝钢和清洗后的铝合金以交叠方式部分搭接形成焊接接头,且所述清洗后的镀铝钢近激光焊接的激光焊头端,并以焊接夹具使所述镀铝钢和所述铝合金紧密接触。
优选的,所述焊接夹具的夹紧力为100~3000N。
优选的,所述激光焊接的扫描轨迹为“∞”、圆形或直线型。
优选的,所述激光焊接的功率为2000~3000W。
优选的,所述激光焊接的速率为3~7mm/min。
优选的,所述激光焊接的光斑直径为0.2~0.4mm。
优选的,所述激光焊接的焊缝宽度为1.0~2.0mm。
本申请提供了一种镀铝钢-铝合金的焊接方法,其采用直接激光焊接的方法实现了镀铝钢和铝合金的焊接,在激光焊接的过程中通过控制功率、速率、离焦量和光斑直径,实现了焊接热输入、焊接结构设计和熔深控制的精确控制,从而实现了镀铝钢不完全熔透,镀铝钢基体与铝合金基体不形成熔池,而使得镀铝钢表面的Al-Si层和铝合金基体在焊接热循环的作用下熔合形成良好的冶金结合,抑制了界面处新的Fe-Al金属间化合物的形成与长大,仅有Al-Si层与镀铝钢基体间原有的Fe-Al金属间化合物层,从而实现了镀铝钢-铝合金的高效优质连接,使得镀铝钢和铝合金的抗拉强度可达120~150MPa。
附图说明
图1为本发明镀铝钢-铝合金的焊接示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提出了一种适用于复杂零部件的加工和降低生产成本的镀铝钢-铝合金异种直接激光焊接方法。该方法的主要技术原理如下:相比于搅拌摩擦焊技术,激光焊接技术作为一种非接触焊接方式,其对焊接工装和操作空间要求明显降低,可实现复杂零部件的加工;其具备高速焊接的特点,焊接效率高,降低了生产成本。
对于钢/铝异种激光焊接接头而言,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。因此对于镀铝钢和铝合金激光焊接接头而言,通过调整焊接参数精准控制焊接熔深,通过热循环的作用使得镀铝钢和铝合金搭接处的Al-Si镀层与铝合金发生冶金结合,同时保证铝合金基体和镀铝钢基体不形成熔池,可有效抑制新的Fe-Al金属间化合物的形成与生长,实现镀铝钢-铝合金异种材料的高效优质连接。而激光焊接技术可精准控制焊接热输入,因此可实现上述设计效果。
具体的,本发明实施例公开了一种镀铝钢-铝合金的焊接方法,包括以下步骤:
A)将镀铝钢和铝合金的表面分别进行清洗;
B)将清洗后的镀铝钢和清洗后的铝合金以交叠方式部分搭接后进行激光焊接;
所述激光焊接的功率为1000~5000W;
所述激光焊接的速率为1~10m/min;
所述激光焊接的离焦量为+10~+25mm或-10~-25mm;
所述激光焊接的光斑直径为0.1~0.5mm。
在实现镀铝钢和铝合金的焊接的过程中,本申请首先将镀铝钢和铝合金的表面分别进行清洗,以清洗表面油污,且无需去除镀铝钢表面的Al-Si层。所述清洗的试剂与清洗的方法按照本领域技术人员熟知的技术手段进行,对此本申请没有特别的限制。在本申请中,所述镀铝钢的厚度为0.8~3.0mm,铝合金的厚度为0.8~3.0mm,在具体实施例中,所述镀铝钢的厚度为1.0~2.0mm,所述铝合金的厚度为1.0~2.0mm。在镀铝钢中其表面的Al-Si镀层的厚度为20~40μm,过渡层Fe-Al金属间化合物的厚度为5~10μm。
在镀铝钢和铝合金分别清洗之后,则将清洗后的镀铝钢和清洗收的铝合金以交叠方式部分搭接后进行激光焊接;更具体的,将清洗后的镀铝钢和铝合金以交叠方式部分搭接形成焊接接头,且镀铝钢近激光焊接的激光焊头端(如图1中的镀铝钢在上,铝合金在下的搭接方式),所述焊接接头的长度为5~15μm。所述镀铝钢和所述铝合金搭接完成后则置于工作台上,并使用焊接夹具使两者紧密接触,以利于后期激光焊接;所述焊接夹具的夹紧力为100~3000N,在具体实施例中,所述焊接夹具的夹紧力为500~1000N。
按照本发明,在上述准备工作完成后,则将镀铝钢和铝合金进行激光焊接;在焊接过程中,焊接功率、焊接速率、离焦量、光斑直径以及扫描轨迹共同决定焊接热输出,因此上述参数直接影响焊缝的深度和热影响区的宽度和范围,而热影响区的范围的宽度主要是扩大Al-Si镀层与铝合金基体冶金结合的面积,提高焊接接头的承载力;同时上述参数的控制可精确控制焊接熔深,通过热循环的作用使得镀铝钢和铝合金搭接处的Al-Si层与铝合金发生冶金结合,而保证铝合金基体和镀铝钢基体不形成熔池,可有效抑制新的Fe-Al金属间化合物的形成与生长。鉴于上述理论,则所述激光焊接的功率为1000~5000W,在具体实施例中,所述激光焊接的功率为2000~3000W。所述激光焊接的速率为1~10m/min,在具体实施例中,所述激光焊接的速率为3~7m/min。所述激光焊接的离焦量为+10~+25mm或-10~-25mm,在具体实施例中,所述激光焊接的离焦量为+15~+20mm;所述离焦量可将激光深熔焊改变为热传导焊,并扩大光斑直径,扩大热影响区的作用。所述激光焊接的光斑直径为0.1~0.5mm,在具体实施例中,所述激光焊接的光斑直径为0.2~0.4mm。所述激光焊接的扫描轨迹为“∞”、圆形或直线型;所述扫描轨迹的限定可起到扩大热影响区的作用,从而使得范围更广的Al-Si镀层与铝合金发生冶金结合,提高焊接接头的力学性能。经过激光焊接后,镀铝钢和铝合金界面处的焊缝宽度为1.0~2.0mm。
本申请在镀铝钢和铝合金焊接的过程中引入了直接激光焊接技术,该激光焊接技术可精准控制热输入,从而实现对焊接熔深的精准控制;此外激光扫描热传导焊接方式可增加热影响区的宽度,提高冶金结合的面积;由此,在焊接过程中,由于镀铝钢基体并未发生熔透,铝合金基体与镀铝钢基体未形成焊接熔池,并不会生成大量的Fe-Al金属间化合物。而由于Al-Si层和铝合金的熔点比过渡层中的Al7Fe2Si(855℃)和Al5Fe2(Si)(1030℃)低,因此在焊接热循环的作用下,Al-Si层与铝合金基体发生熔化形成冶金结合,而铝合金基体和镀铝钢基体不形成熔池,有效抑制了新的Fe-Al金属间化合物的形成,实现了镀铝钢-铝合金异种激光焊接接头的高效优质连接。
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明提供的镀铝钢-铝合金的焊接方法进行详细说明,本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
一种镀铝钢-铝合金异种材料直接激光焊接方法,包括如下步骤:
步骤1):选用1.5mm厚镀铝钢22MnB5和6061铝合金,丙酮去油污;
步骤2):将处理好的镀铝钢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,夹紧力为500N;
步骤3):利用IPG-6kW光纤激光器对试验板进行激光焊接,焊接功率为2000W,焊接速率5m/min,离焦量为+15mm,光斑直径为0.30mm,扫描轨迹为圆形;
焊接后观察焊缝宏观形貌优良,无明显飞溅,焊接熔深为1.3mm,Al-Si层与6061基体形成冶金结合,焊接过程中界面处无新的金属间化合物形成,界面处焊缝宽度为1.6mm,焊接接头强度达到130MPa。
实施例2
步骤1):选用2.0mm厚镀铝钢22MnB5和6061铝合金,丙酮去油污;
步骤2):将处理好的镀铝钢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,夹紧力为800N;
步骤3):利用IPG-6kW光纤激光器对试验板进行激光焊接,焊接功率为3000W,焊接速率5m/min,离焦量为+20mm,光斑直径为0.30mm,扫描轨迹为“∞”;
焊后观察焊缝宏观形貌优良,无明显飞溅,焊接熔深为1.8mm,Al-Si层与6061基体形成冶金结合,焊接过程中界面处无新的金属间化合物形成,界面处焊缝宽度为1.7mm,焊接接头强度达到140MPa。
对比例1
与实施例1方法相同,区别在于:离焦量为0mm,扫描轨迹为线性扫描时,镀铝钢与铝合金形成的结合面积仅为上述的最佳的参数的1/3,焊接接头的强度仅为60MPa。
对比例2
与实施例1方法相同,区别在于:焊接功率为800W,扫描轨迹是线性扫描时,焊接接头发生开裂,镀铝钢和铝合金之间未形成良好连接。
对比例3
与实施例1方法相同,区别在于:焊接速度为11m/min,扫描轨迹为线性扫描时,焊接熔深为1.0mm,界面处焊缝宽度仅为上述实施例1的1/5,,焊接接头的强度仅达到30MPa。
对比例4
与实施例1方法相同,区别在于:扫描轨迹为线性焊接时,镀铝钢与铝合金形成的焊缝宽度仅为实施例1的2/5,焊接熔深为1.6mm,界面处宽度为1/2,界面处有大量新的金属间化合物形成,焊接接头的强度仅为40MPa。
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。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种镀铝钢-铝合金的焊接方法,包括以下步骤:
A)将镀铝钢和铝合金的表面分别进行清洗;
B)将清洗后的镀铝钢和清洗后的铝合金以交叠方式部分搭接后进行激光焊接;
所述激光焊接的功率为1000~5000W;
所述激光焊接的速率为1~10m/min;
所述激光焊接的离焦量为+10~+25mm或-10~-25mm;
所述激光焊接的光斑直径为0.1~0.5mm。
2.根据权利要求1所述的焊接方法,其特征在于,所述镀铝钢的厚度为0.8~3.0mm,所述铝合金的厚度为0.8~3.0mm。
3.根据权利要求1或2所述的焊接方法,其特征在于,所述镀铝钢表面的Al-Si镀层的厚度为20~40μm,过渡层Fe-Al金属间化合物层的厚度为5~10μm。
4.根据权利要求1所述的焊接方法,其特征在于,步骤B)具体为:
将清洗后的镀铝钢和清洗后的铝合金以交叠方式部分搭接形成焊接接头,且所述清洗后的镀铝钢近激光焊接的激光焊头端,并以焊接夹具使所述镀铝钢和所述铝合金紧密接触。
5.根据权利要求4所述的焊接方法,其特征在于,所述焊接夹具的夹紧力为100~3000N。
6.根据权利要求1所述的焊接方法,其特征在于,所述激光焊接的扫描轨迹为“∞”、圆形或直线型。
7.根据权利要求1所述的焊接方法,其特征在于,所述激光焊接的功率为2000~3000W。
8.根据权利要求1所述的焊接方法,其特征在于,所述激光焊接的速率为3~7mm/min。
9.根据权利要求1所述的焊接方法,其特征在于,所述激光焊接的光斑直径为0.2~0.4mm。
10.根据权利要求1所述的焊接方法,其特征在于,所述激光焊接的焊缝宽度为1.0~2.0mm。
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