CN112475808B - 一种适用于铝合金/钢复合结构件工业生产的工艺及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种可实现工业大规模生产的铝合金/钢异种金属复合结构一体化成型工艺。本发明在熔‑钎焊技术可获得高性能焊接接头的基础上，提出了对铝合金/钢异种金属复合结构先焊后直接冲压成型的工艺，这种方法不仅能够充分发挥了铝合金/钢的平板熔‑钎焊的工艺优势，可以保证生产效率，减少脆硬的金属间化合物的产生，获得高质量焊缝，在随后的冲压成型过程中不会产生明显的裂纹，同时还能避免较高的生产成本及复杂的操作，可实现大规模工业生产，直接获得高精度的铝合金/钢异种金属复杂结构件。

Description

一种适用于铝合金/钢复合结构件工业生产的工艺及应用

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种可实现工业大规模生产的铝合金/钢异种金属复合结构一体化成型工艺。

背景技术

铝合金/钢(以下简称铝/钢)异种金属复合结构具有减轻结构重量、降低能源损耗及生产成本，可应用于多种复杂环境等优点，已经引起了越来越多的关注，并作为结构件在石油化工、机械制造、航空航天等领域获得了初步的应用。但是铝合金与钢具有较大的热物性能的差异，因此获得高质量的铝合金/钢异种金属复合结构仍是目前亟需解决的关键性技术问题。铝/钢虽然可以通过机械连接(铆接、螺栓连接等)实现复合结构的连接及成型，但是存在加工过程复杂、耗时长、成本高、对材料有损伤等缺点，限制了其进一步的发展。焊接技术具有高生产效率，低成本等优势，目前针对铝合金和钢异种技术已有开发了不同类型的焊接技术。铝合金与钢在传统熔化焊接过程中容易在界面形成大量脆硬的金属间化合物，而引起材料力学性能的显著下降。虽然采用固相焊接方法，例如扩散焊、摩擦焊，可以显著降低金属间化合物的厚度，获得力学性能较高的焊接接头，但该焊接方法极易受到工件形状和工作效率的限制。

熔-钎焊接是近几年发展起来的一种异种材料连接工艺。它是利用两种材料熔点存在较大差异的特点，在焊接过程中低熔点材料(如铝材)熔化与填充金属形成熔焊接头，而高熔点材料(如钢材)不熔化，熔化的低熔点材料及填充金属在钢材上铺展形成钎焊接头，进而实现连接的一种方法。这种方法既具有钎焊过程高熔点材料整体处于非熔化状态(固态)降低元素的相互扩散进而控制形成的金属间化合物厚度，又具有熔焊过程铝侧熔化增大铺展性及焊接时间短的特点，可以显著提高生产效率。通过调节焊接参数及选择合适的填充金属可以获得高质量的铝合金/钢熔-钎焊接头。

现有技术中关于熔-钎焊技术的研究多集中于平板拼焊，并不能满足现有复杂受力结构件的应用要求。而采用预成型后焊接的方式可获得铝合金/钢异种金属不同结构，但是预成型可能使焊接界面不在同一高度，会显著降低生产效率，同时考虑到在熔钎焊过程中铝合金侧熔化，较大的内应力会导致焊后有典型的波浪等类型的变形，严重影响了预成型的结构精度。因此，有必要开发一套完整的铝合金/钢异种金属复合结构高质量快速成型工艺，以进一步拓宽复合结构的市场应用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在于提供一种适用于铝合金/钢复合结构件工业生产的工艺。本发明在熔-钎焊技术可获得高性能焊接接头的基础上，提出了对铝合金/钢异种金属复合结构先焊后直接冲压成型的工艺，这种方法不仅能够充分发挥了铝合金/钢的平板熔-钎焊的工艺优势，可以保证生产效率，减少脆硬的金属间化合物的产生，获得高质量焊缝，在随后的冲压成型过程中不会产生明显的裂纹，同时还能避免较高的生产成本及复杂的操作，可实现大规模工业生产，直接获得高精度的铝合金/钢异种金属复杂结构件。

本发明的目的之一是提供一种适用于铝合金/钢复合结构件工业生产的工艺。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开了一种适用于铝合金/钢复合结构件工业生产的工艺，包括如下步骤：

(1)对待焊钢板和铝合金板进行预处理，并装夹在工作台上。

(2)对步骤(1)中装配好的工件进行熔-钎焊。

(3)焊接完成后，待工件冷却至室温，用夹具取出擦拭掉表面氧化物。

(4)将擦拭后的工件放置在冲压台上，对焊接件进行多次冲压，直至获取最终弯曲角度的成型。

本发明的目的之二是提供一种上述的适用于铝合金/钢复合结构件工业生产的工艺在材料加工领域的应用。

本发明的一个或多个具体实施方式至少具有以下有益效果：

(1)采用本发明的铝合金/钢复合结构成型技术工艺，先对铝合金和钢先施焊，借助熔-钎焊焊接方法的优势，可以直接采用平板焊接，更容易高效施焊，可有效控制钎焊界面处金属间化合物的形貌和厚度，获得高质量的焊缝；随后直接冲压，在满足总体冲压角度不超过100°的前提下，可以获得公差等级在IT6-IT9之间的高精度冲压成型件。

(2)采用本发明的铝合金/钢复合结构成型技术工艺，可简化铝合金/钢复合结构件的生产制造步骤，降低生产成本，实现大规模工业生产，可进一步扩宽复合结构件的应用领域。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例1所使用的铝合金/钢异种金属以搭接形式焊接的示意图。

图2为本发明实施例1提出的铝合金/钢复合结构冲压示意图。

图3为采用本发明实施例1中的工艺方法获取的铝合金/钢复合结构冲压结构件。

其中，1-焊枪、2-焊丝、3-铝合金板材、4-熔-钎焊焊缝、5-钢板、6-冲压机械上模板、7-冲压机械导柱、8-冲压机械下模板、9-待冲压铝合金/钢工件、10-冲压机械凹模，11-冲压机械凸模。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，目前尚未有关于适用于大规模工业生产的铝合金/钢复合结构件高精度成型的研究。因此，本发明第一方面提供了一种适用于铝合金/钢复合结构件工业生产的工艺，包括如下步骤：

(1)对待焊钢板和铝合金板进行预处理，并装夹在工作台上。

(2)对步骤(1)中装配好的工件进行熔-钎焊。

(3)焊接完成后，待工件冷却至室温，用夹具取出擦拭掉表面氧化物。

(4)将擦拭后的工件放置在冲压台上，对焊接件进行多次冲压，直至获取最终弯曲角度的成型。

在本发明的一个或多个具体实施方式中，步骤(1)中，所述钢板的预处理为清理工件待焊界面，具体方式为：由于镀锌层的存在会促进铝在钢表面的润湿性，当焊接钢板为镀锌钢板，将钢板焊接位置使用丙酮或无水乙醇等有机溶剂擦拭以去除表面油污即可；当钢板为其他非镀锌钢板，为了保证熔融的铝合金在钢板的铺展性，在清除油污后，需要将钎剂均匀涂抹在焊接表面。

优选的，所述钎剂组成为：(70-75)wt％KAlF₄+(15-20)wt％K₃AlF₆+(5-10)wt％K₂SiF₆的丙酮悬浮液。

进一步优选的，所述钎剂组成为：73.6wt％KAlF₄+18.4wt％K₃AlF₆+8wt％K₂SiF₆的丙酮悬浮液。

在本发明的一个或多个具体实施方式中，步骤(1)中，对铝合金板预处理的方式为：

使用角磨机及砂纸去除表面氧化层。

在本发明的一个或多个具体实施方式中，步骤(2)中，熔-钎焊方式为：熔化极气体保护焊、非熔化极气体保护焊、激光焊、电子束焊、或者复合热源熔-钎焊中的一种。

在本发明的一个或多个具体实施方式中，步骤(2)中，当采用熔化极气体保护焊进行熔-钎焊时，板厚为1-5mm；

优选地，板厚为1-3mm。

在本发明的一个或多个具体实施方式中，当板厚为1-3mm时，焊接参数为：焊丝干伸长15-18mm、保护气采用纯氩、气流量为15-18L/min、焊枪后倾角为20-25°，焊接电流为40-80A，焊接电压为15-25V，焊接速度为0.4-0.8m/min；

优选地，当板厚为1mm时，焊丝干伸长16mm、保护气采用纯氩、气流量为16L/min、焊枪后倾角约为20°，焊接电流为50A，焊接电压为16.3V，焊接速度为0.6m/min。

在本发明的一个或多个具体实施方式中，步骤(2)的熔-钎焊过程所采用的填充金属材料为与铝合金母材配套的焊接焊丝。

在本发明的一个或多个具体实施方式中，在步骤(2)中熔-钎焊过程所采用的焊枪后倾，以获取较好焊缝成型。

在本发明的一个或多个具体实施方式中，在步骤(4)的冲压过程中，焊缝置于适配焊接接头形式的冲压凸模下，为了保证铝钢界面处不产生裂纹，所要求的焊缝总冲压角度不超过100°。

本发明第二方面提供一种上述的适用于铝合金/钢复合结构件工业生产的工艺在材料加工领域的应用。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

采用熔化极气体保护焊熔-钎焊工艺先实现板厚为1mm的铝合金和钢平板的高质量高效率连接，其连接强度超过母材，随后直接对复合结构冲压成型，获得高精度成型件，具体包括如下步骤：

(1)前期准备：铝合金板的试件表面预处理需要先用角磨机对其边缘两侧进行打磨去除氧化膜，随后用丙酮擦洗去除产生的碎屑和油污等杂质，而本实施例采用的钢板为镀锌钢板，所以只需用丙酮仔细擦洗表面去除油污即可；

(2)焊接过程：本实例按照图1所采用的熔-钎焊接头为搭接形式，即铝合金板在上、镀锌钢板在下，将工件通过夹具固定好后，通过控制机械臂调节焊枪位置和倾斜角度，并借助在线编程实现焊接路径的规划和设置焊接参数：焊丝干伸长16mm、保护气采用纯氩、气流量为16L/min、焊枪后倾角约为20°，焊接电流为50A，焊接电压为16.3V。在焊接过程中，试件通过夹具固定在工作台表面不动，机械臂带动固定的焊枪以0.6m/min的速度直线水平运动进行施焊。

(3)工件转移：焊接完成后，待试样冷却至室温，擦拭去除表面氧化物，转移至冲压台上；

(4)冲压成型：将去除余高后的铝合金/钢复合结构置于冲压机械设备上，针对相应的接头形式如对接或搭接更换所需的冲压凸模和凹模。对于搭接形式，应更换如图2所示的冲压凸模和凹模。随后对复合结构进行多次冲压，逐渐增加复合结构的弯曲角度，直至达到目标形状，但焊缝最大弯曲角度不得超过110°，最终成型的铝合金/钢复合结构可如图3所示。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于铝合金/钢复合结构件工业生产的工艺，其特征在于，包括如下步骤：

（1）对待焊钢板和铝合金板进行预处理，并装夹在工作台上；

（2）对步骤（1）中装配好的工件进行熔-钎焊；

（3）焊接完成后，待工件冷却至室温，用夹具取出擦拭掉表面氧化物；

（4）将擦拭后的工件放置在冲压台上，对焊接件进行多次冲压，直至获取最终弯曲角度的成型；

熔-钎焊方式为熔化极气体保护焊；

在步骤（4）的冲压过程中，焊缝置于适配焊接接头形式的冲压凸模下，但焊缝总冲压角度不超过100^o；

板厚为1mm。

2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤（1）中，所述钢板的预处理为清理工件待焊界面，具体方式为：当焊接钢板为镀锌钢板，将钢板焊接位置使用丙酮或无水乙醇擦拭以去除表面油污；当钢板为其他非镀锌钢板，在清除油污后，将钎剂均匀涂抹在焊接表面。

3.如权利要求2所述的工艺，其特征在于，所述钎剂组成为：(70-75)wt% KAlF₄+ (15-20) wt% K₃AlF₆+ (5-10) wt% K₂SiF₆的丙酮悬浮液。

4.如权利要求3所述的工艺，其特征在于，所述钎剂组成为：73.6 wt% KAlF₄+18.4 wt%K₃AlF₆+8 wt% K₂SiF₆的丙酮悬浮液。

5.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤（1）中，对铝合金板预处理的方式为：使用角磨机及砂纸去除表面氧化层。

6.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，当板厚为1mm时，焊丝干伸长16 mm、保护气采用纯氩、气流量为16 L/min、焊枪后倾角为20°，焊接电流为50 A，焊接电压为16.3 V，焊接速度为0.6 m/min。

7.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤（2）的熔-钎焊过程所采用的填充金属材料为与铝合金母材配套的焊接焊丝。

8.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤（2）中熔-钎焊过程所采用的焊枪后倾。

9.如权利要求1-8任一项所述的适用于铝合金/钢复合结构件工业生产的工艺在材料加工领域的应用。

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