CN112296492B - 一种异种金属件的焊接工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种异种金属件的焊接工艺方法。用于不锈钢工件和铝合金工件或低碳钢工件与铝合金工件之间的焊接，包括如下步骤：在不锈钢基层的母材焊接区使用第一焊丝堆焊过渡层，焊接时电弧偏向焊丝；在堆焊过渡层和铝合金母材之间使用第二焊丝融化焊接，焊接时电弧偏向铝合金层；焊接完成后将焊件置于保温炉内保温，保温预设时间后随炉冷却。使用本发明中提供的异种金属件的焊接工艺方法，由于焊接过程中通过在不锈钢基层的母材焊接区先焊接过渡层，而后再通过过渡层与铝合金母材进行焊接，能够使过渡层和铝合金母材的熔点保持在相同范围内，保证焊接后焊缝成分均匀，焊缝不会产生严重的变形。

Description

一种异种金属件的焊接工艺方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种异种金属件的焊接工艺方法。
背景技术
由于不锈钢与铝会形成固溶体、共晶体等多种脆性金属间化合物，在650℃的共晶温度下，钢在铝中的固溶度为0.53％，在室温下钢的熔敷金属几乎不溶于铝。因此，焊接时在焊缝中会出现多种金属间化合物及共晶体混合组织，严重影响了两种金属之间的熔合接替性能，使钢与铝的焊接性变的极其困难。钢与铝焊接时存在的主要问题：
1.被焊接头容易氧化。钢与铝合金焊接时，铝与空气中的氧形成难熔的氧化物(AL2O3)，这种氧化物不仅存在于熔池表面，影响焊接过程的稳定性，而且形成的氧化膜阻碍液态金属的结合，降低焊缝的力学性能。
2.焊缝成分不均匀。由于钢的熔点比铝的熔点高(钢为1440℃，铝为660℃)，故焊接时，铝完全熔化为液态而钢仍处于固态，二者很难熔合。另外，两种金属的密度(钢为7930kg/m3，铝为2700kg/m3)相差很大，当钢完全熔化时，液态铝浮在钢液态上面，冷却结晶后焊缝成分不均匀。
3.焊接变形大。由于钢和铝的热导率、线膨胀系数相差很大，焊接时容易产生很大的应力，焊接接头会产生严重的变形。
4.焊接接头脆性大容易产生冷裂纹。在钢与铝焊接过程中，会产生各种金属间化合物(如FeAL、FeAL2、FeAL3、Fe2AL5、Fe2AL7以及铝与钢中的碳或其他合金元素形成的化合物)及低熔点共晶体，这就增加了焊缝的脆性，在焊接应力作用下，焊接接头很容易产生裂纹。特别是铝与不锈钢焊接时由于不锈钢合金成分更复杂，更容易产生低熔点共晶，所以产生冷裂纹的倾向就更大。
因此，亟需一种异种金属件的焊接工艺方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种异种金属件的焊接工艺方法，能够提高不锈钢钢与铝合金焊接后焊缝的力学性能，且保持焊缝美观。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种异种金属件的焊接工艺方法，用于焊接不锈钢工件和铝合金工件，包括如下步骤：
在不锈钢基层的母材焊接区使用第一焊丝堆焊过渡层，焊接时电弧偏向焊丝；
在所述堆焊过渡层和铝合金母材之间使用第二焊丝融化焊接，焊接时所述电弧偏向铝合金层；
焊接完成后将焊件置于保温炉内保温，所述保温炉预设时间后随炉冷却。
作为上述异种金属件的焊接工艺方法的一种优选技术方案，所述不锈钢工件和所述铝合金工件焊接时使用交流方波钨极氩弧焊机。
作为上述异种金属件的焊接工艺方法的一种优选技术方案，在不锈钢基层的母材焊接区使用第一焊丝堆焊过渡层过程中，焊接电流为150A～210A，电弧电压11V～14V。
作为上述异种金属件的焊接工艺方法的一种优选技术方案，所述过渡层厚度为0.5mm～2mm。
作为上述异种金属件的焊接工艺方法的一种优选技术方案，在堆焊过渡层和铝合金母材之间使用第二焊丝融化焊接过程中，焊接电流为220A～280A，电弧电压12V～15V。
作为上述异种金属件的焊接工艺方法的一种优选技术方案，在堆焊过渡层和铝合金母材之间使用第二焊丝融化焊接过程中，所述焊枪倾斜，所述焊枪倾斜角度为70°～85°。
作为上述异种金属件的焊接工艺方法的一种优选技术方案，所述保温炉内温度为250℃～350℃，保温时长为1h～2h，所述焊件保温结束后随炉冷却。
作为上述异种金属件的焊接工艺方法的一种优选技术方案，所述第一焊丝为铝铁青铜焊焊丝；所述第二焊丝为铝硅焊丝。
作为上述异种金属件的焊接工艺方法的一种优选技术方案，焊接过程中，保护气体为氩气，且气体流量为5L/min～10L/min，气体保护喷嘴为陶瓷喷嘴，钨极直径为1.6mm～3.2mm；钨极伸出长度为2mm～6mm。
作为上述异种金属件的焊接工艺方法的一种优选技术方案，所述不锈钢与铝合金焊接前，对所述不锈钢和所述铝合金进行清洗并去除表面氧化膜。
本发明有益效果：
使用本发明中提供的异种金属件的焊接工艺方法，由于焊接过程中通过在不锈钢基层的母材焊接区先焊接过渡层，然后再通过过渡层与铝合金母材进行焊接，能够使过渡层和铝合金母材的熔点保持在相同范围内，保证焊接后焊缝成分均匀，且焊缝的力学性能好，焊缝不会产生严重的变形。焊接完成后焊缝抗拉强度接近铝合金母材的载荷强度，焊缝力学性能良好。从而使不锈钢和铝合金异种金属材料具有一定的金属性质，焊缝晶体组织结构具有良好的熔合接替性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的异种金属件的焊接工艺方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
本实施例中提供了一种异种金属件的焊接工艺方法，该方法用于焊接不锈钢工件和铝合金工件，能够提高不锈钢与铝合金焊接后焊缝的力学性能，保持焊缝成分均匀，不会产生严重的变形。该方法还可以用于低碳钢工件与铝合金工件之间的焊接。
具体地，如图1所示，该异种金属件的焊接工艺方法包括如下步骤：
在不锈钢基层的母材焊接区使用第一焊丝堆焊过渡层，焊接时电弧偏向焊丝；
在堆焊过渡层和铝合金母材之间使用第二焊丝融化焊接，焊接时电弧偏向铝合金层；
焊接完成后将焊件置于保温炉内保温，保温预设时间后随炉冷却。
使用本实施例中提供的异种金属件的焊接工艺方法，由于焊接过程中通过在不锈钢基层的母材焊接区先焊接过渡层，而后再通过过渡层与铝合金母材进行焊接，能够使过渡层和铝合金母材的熔点保持在相同范围内，保证焊接后焊缝成分均匀，且焊缝的力学性能好，焊缝不会产生严重的变形。焊接完成后焊缝抗拉强度接近铝合金母材的载荷强度，焊缝力学性能良好。
保温预设时间后随炉冷却能够解决两种异种金属材料熔合时化学成分及结晶不均匀形成的冷裂现象，并避免焊后的焊缝出现多种金属间化合物及共晶体混合组织形成的脆性转变问题。
优选地，不锈钢工件和铝合金工件焊接时使用交流方波钨极氩弧焊机。可选地，交流方波钨极氩弧焊机的型号为SWME-500，其采用交流方波TIG熔化焊，焊接极性为直流正接，保护气体为氩气，气体流量为5L/min～10L/min；气体保护陶瓷喷嘴为5～7号；钨极直径为1.6mm～3.2mm；钨极伸出长度为2mm～6mm；阴极清理百分比为5～45；焊接摆动参数20°～35°。
优选地，在不锈钢基层的母材焊接区使用第一焊丝堆焊过渡层过程中，焊接电流为150A～210A，电弧电压11V～14V。焊接过程中严格控制焊接线能量，焊接时电弧偏向第一焊丝，尽量少熔化不锈钢，避免产生过多的Fe-Cr金属间化合物。该种设置能够避免不锈钢熔化较多造成焊缝力学性能差的问题发生。由于本实施例中采用的不锈钢和铝合金较薄，因此过渡层厚度可为0.5mm～2mm。当不钢和铝合金较厚时，过渡层厚度根据实际需要选定。
优选地，在堆焊过渡层和铝合金母材之间使用第二焊丝融化焊接过程中，焊接电流为220A～280A，电弧电压12V～15V。同时焊接时，焊枪倾斜，焊枪倾斜角度为70°～85°。焊接时电弧偏向铝合金，尽量少熔化过渡层，避免产生过多的Fe-AL金属间化合物。
由于不锈钢的熔点比铝合金的熔点高(不锈钢为1440℃，铝合金为660℃)，当不锈钢完全熔化时，液态合金铝浮在不锈钢液态上面，液态金属在冷却及结晶过程中存在巨大差异，造成焊缝化学成分及结晶不均匀形成焊接应力导致冷裂纹和脆性转变。故焊接后应立即进行焊后保温缓冷工艺，即将焊接处于保温炉内进行保温，其中保温炉内温度为250℃～350℃，保温时长为1h～2h，焊件保温结束后随炉冷却。
优选地，本实施例中第一焊丝为铝铁青铜焊焊丝；第二焊丝为铝硅焊丝。其中，铝铁青铜焊丝含9％铝和1％铁，适合铝合金与不锈钢(或低碳钢)的过渡熔合连接，这种焊材使不锈钢和铝合金，在熔融焊接时化学成分和晶体结构具有良好的熔合接替性能。而铝硅焊丝具有良好的塑性和强度，其化学成分接近于过渡层铝铁青铜焊丝的化学成分，使过渡层铝铁青铜和铝合金母材具有良好的焊接性。并避免焊缝产生过多的Fe-AL金属间化合物形成的脆性转变。
需要说明的是，不锈钢与铝合金焊接前，对不锈钢和铝合金进行清洗并去除表面氧化膜。具体地，焊接前不锈钢的结构件应酸洗或用丙酮清洗；铝合金必须酸洗并去除表面氧化膜，不锈钢工件和铝合金工件的坡口形式为T形接头，施焊过程中采用高电压、低电弧、快速焊的硬规范缩短焊缝及热影响区的高温停留时间，以及焊枪20°～35°小幅摆动操作的焊接手法来控制焊缝热输入量，使焊道热量分布均匀，使用以上工艺方法来减小融合比，降低具有各向异种的晶体在原子密度最高方向上的高低差异。
以304不锈钢和6061铝合金焊接为例，焊接完成后进行下述检验。
上述试样焊后经350℃热处理保温缓冷工艺后进行打磨,先用进行粗磨，再细磨，磨制完成后用抛光机进行抛光。抛光完成后用腐蚀液为3％的HNO3进行腐蚀，再采用酒精进行脱脂，最后用50倍金相显微镜进行金相组织观察，并进行金相显微组织形貌的比较。
采用交流方波焊结合铝铁青铜为过渡层的焊接工艺方法焊接304不锈钢和6061铝合金，焊缝在显微镜所观察到的显微组织的微观形貌细化，焊缝金属获得了细小的晶粒。金相显微组织合金中晶体的形状、大小、数量分布均匀，其组元间相互熔合而生成了新固相金属化合物，该焊缝金属原子半径之比小于0.59，二元合金形成的FeAL间隙化合物，具有面心立方晶格的特点，C原子和晶格呈规律性地分布于面心立方晶格的间隙处,从而使不锈钢和铝合金两种异种金属材料具有一定程度的金属性质，焊缝的晶体显微组织结构熔合接替性能优良。
采用交流方波焊结合铝铁青铜为过渡层的焊接工艺方法，获得的焊缝极限载荷强度18.45KN大于6061铝合金母材极限载荷强度15.07KN的拉伸数据值，采用该发明的工艺方法焊接不锈钢和铝合金焊缝力学性能良好。
此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种异种金属件的焊接工艺方法，用于不锈钢工件和铝合金工件或低碳钢工件与铝合金工件之间的焊接，其特征在于，包括如下步骤：
在不锈钢基层的母材焊接区使用第一焊丝堆焊过渡层，焊接时电弧偏向焊丝；
在所述堆焊过渡层和铝合金母材之间使用第二焊丝融化焊接，焊接时所述电弧偏向铝合金层；
所述第一焊丝为铝铁青铜焊焊丝，所述第二焊丝为铝硅焊丝；
焊接完成后将焊件置于保温炉内保温，所述保温炉预设时间后随炉冷却；
所述不锈钢工件和所述铝合金工件焊接时使用交流方波钨极氩弧焊机；
在不锈钢基层的母材焊接区使用第一焊丝堆焊过渡层过程中，焊接电流为150A～210A，电弧电压11V～14V；
所述过渡层厚度为0.5～2mm；
在堆焊过渡层和铝合金母材之间使用第二焊丝融化焊接过程中，焊接电流为220～280A，电弧电压12V～15V；
在堆焊过渡层和铝合金母材之间使用第二焊丝融化焊接过程中，焊枪倾斜，所述焊枪倾斜角度为70°～85°。
2.根据权利要求1所述的异种金属件的焊接工艺方法，其特征在于，所述保温炉内温度为250℃～350℃，保温时长为1h～2h，所述焊件保温结束后随炉冷却。
3.根据权利要求1或2所述的异种金属件的焊接工艺方法，其特征在于，焊接过程中，保护气体为氩气，保护气体流量为5L/min～10L/min，保护气体保护喷嘴为陶瓷喷嘴，钨极直径为1.6mm～3.2mm；钨极伸出长度为2mm～6mm。
4.根据权利要求1或2所述的异种金属件的焊接工艺方法，其特征在于，所述不锈钢工件与铝合金工件焊接前，对所述不锈钢工件和所述铝合金工件进行清洗并去除表面氧化膜。
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