CN113118599B - 机械冶金双重结合提升钢-铝异种焊接接头强度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种机械冶金双重结合提升钢‑铝异种焊接接头强度的方法，属于钢‑铝异种金属弧焊焊接技术领域。所述机械冶金双重结合提升钢‑铝异种焊接接头强度的方法，包括如下步骤：S1、钢板预制缺口，在钢板待焊接的一侧加工缺口，S2、处理钢板和铝板的待焊接部位，分别将钢板和铝板的待焊接部位的表面用砂纸进行打磨，打磨后，用丙酮去除待焊接部位的表面油污，并晾干，S3、焊接准备，使钢板待焊接部位的缺口与铝板待焊接部位的表面紧密接触，S4、选择焊丝，S5、焊接。所述机械冶金双重结合提升钢‑铝异种焊接接头强度的方法不需要添加额外的合金元素，能够使焊缝合金含量降低，提升钢‑铝异种焊接接头强度，实现钢‑铝合金异种材料的优质连接。
Description
技术领域
本发明涉及钢-铝异种金属弧焊焊接技术领域，特别涉及一种机械冶金双重结合提升钢-铝异种焊接接头强度的方法。
背景技术
目前，对于汽车领域而言，传统的全钢车身已经不能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，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，车身部分结构尤其是车架主结构(如汽车A、B柱)仍需要使用钢铁材料甚至强度更高的高强钢，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，钢与铝合金的焊接一直是技术难点，因为它们的机械、热物理和冶金性能存在显著差异，极易导致钢-铝焊接接头在界面处生成硬而脆的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。
降低钢-铝焊接接头硬而脆的Fe-Al金属间化合物的厚度是提升接头力学性能的有效方法，因此，目前大多数的研究都致力于如何尽量降低其厚度，主要的思路是降低热输入和加入合金元素。降低热输入主要通过新型的焊接技术如冷金属过渡焊接技术(coldmetal transfer，CMT)和高能束焊接如激光焊接等。加入合金元素主要是通过加入第三种元素与Al进行反应从而降低脆性的富铝相的数量，专利JP20030336641通过热浸镀在钢板表面镀覆以质量计含有3-12％Si和0.5-5％Fe或0.002-0.020％N，使得界面处形成Al-Fe-Si三元合金层或富N表层，进而阻碍脆性的Al-Fe二元合金层向接合界面整体发生扩展提高了接头强度。周惦武等进行了添加中间夹层Cu、Pb的激光搭接焊实验，发现新生成的Mg2Pb相能抑制脆性FeAl金属间化合物的生成，明显改善钢/铝焊接接头的力学性能。但是，添加合金元素不可避免会带来成本的增加，且如何精准有效地控制添加的合金元素参与焊接冶金反应的量也是一个难点问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种机械冶金双重结合提升钢-铝异种焊接接头强度的方法，其不需要添加额外的合金元素，能够使焊缝合金含量降低，降低生产成本，提升钢-铝异种焊接接头强度，实现了钢-铝合金异种材料的优质连接。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种机械冶金双重结合提升钢-铝异种焊接接头强度的方法，包括如下步骤：
S1、钢板预制缺口，对钢板进行机械加工，在钢板待焊接的一侧均匀加工若干个内宽外窄形状的缺口，具体的，内宽外窄形状是指缺口靠近钢板一侧的宽度大于其靠近铝板一侧的宽度；
S2、处理钢板和铝板的待焊接部位，分别将钢板和铝板的待焊接部位的表面用砂纸进行打磨，打磨后，用丙酮去除待焊接部位的表面油污，并晾干；具体的，待焊接部位用砂纸打磨露出金属光泽后用丙酮去除表面油污，钢板可采用低碳钢钢板，铝板可采用铝合金板；
S3、焊接准备，将晾干后的钢板和铝板以拼焊的方式置于工作台上，使钢板待焊接部位的缺口与铝板待焊接部位的表面紧密接触，具体的，通过焊接卡具使钢板和铝板的待焊接部位紧密接触，紧密接触是指钢板预制缺口一侧和铝板之间的间隙为0mm；
S4、选择焊丝，焊丝选用富Si的Al-Si焊丝或者富Mg的Al-Mg焊丝；
S5、焊接，在惰性气体下，对钢板和铝板的待焊接部位进行电弧焊焊接。
进一步的，所述缺口为梯形结构，梯形缺口的短边位于焊缝中心，缺口的短边的长度为0.5～2.0mm。
进一步的，在焊接过程中，焊丝位于偏向钢板的一侧进行焊接，焊丝到所述缺口的短边的距离为0.2～1mm，即焊丝距离焊缝中心0.2～1mm进行电弧焊。
进一步的，所述电弧焊采用冷金属过渡焊(CMT)或者熔化极惰性气体保护焊(MIG)。
进一步的，所述电弧焊的焊接参数为：送丝速度为5.0-10.0m/min，焊接速度40-80cm/min，焊丝干伸长10-13mm。
进一步的，所述惰性气体为氦气和二氧化碳的混合气体、氩气或者氦气，惰性气体的气体流量为15～30L/min。
进一步的，所述焊丝直径为0.8-1.5mm。
进一步的，所述钢板和铝板的厚度相等，且厚度均为0.5～3.0mm。
本发明的有益效果：
1)本发明不需要额外添加合金元素，能够使焊缝合金含量降低，降低生产成本；
2)本发明利用填充在钢基材梯形缺口的熔覆焊丝的承载能力以及焊丝与铝合金母材融化后与钢板界面处形成的冶金结合能力，最大限度地降低熔池凝固与钢界面处生成的Fe-Al金属间化合物带来的不利影响，实现了钢-铝合金异种材料的优质连接。
本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的钢板预制缺口形状及钢板与铝板焊接示意图；
图2是本发明实施例提供的预制缺口形状的钢板与铝板焊接后获得的焊接接头示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图2所示，本发明提供了一种机械冶金双重结合提升钢-铝异种焊接接头强度的方法，包括如下步骤：
S1、钢板预制缺口，对钢板进行机械加工，在钢板待焊接的一侧均匀加工若干个内宽外窄形状的缺口，具体的，内宽外窄形状是指缺口靠近钢板一侧的宽度大于其靠近铝板一侧的宽度；
S2、处理钢板和铝板的待焊接部位，分别将钢板和铝板的待焊接部位的表面用砂纸进行打磨，打磨后，用丙酮去除待焊接部位的表面油污，并晾干；具体的，待焊接部位用砂纸打磨露出金属光泽后用丙酮去除表面油污，钢板可采用低碳钢钢板，铝板可采用铝合金板，钢板和铝板的厚度相等，且厚度均为0.5～3.0mm；
S3、焊接准备，将晾干后的钢板和铝板以拼焊的方式置于工作台上，使钢板待焊接部位的缺口与铝板待焊接部位的表面紧密接触，具体的，通过焊接卡具使钢板和铝板的待焊接部位紧密接触，紧密接触是指钢板预制缺口一侧和铝板之间的间隙为0mm；
S4、选择焊丝，焊丝选用富Si的Al-Si焊丝或者富Mg的Al-Mg焊丝，焊丝直径为0.8-1.5mm；
S5、焊接，在惰性气体下，对钢板和铝板的待焊接部位进行电弧焊焊接，惰性气体为氦气和二氧化碳的混合气体、氩气或者氦气，惰性气体的气体流量为15～30L/min，焊接过程中，采用惰性气体作为保护气体。
本发明中，缺口为梯形结构，梯形缺口的短边位于焊缝中心，缺口的短边的长度为0.5～2.0mm。本实施例中，钢板待焊接一侧的若干个缺口的大小相等、结构相同。
本发明在焊接过程中，焊丝位于偏向钢板的一侧进行焊接，焊丝到缺口的短边的距离为0.2～1mm，即焊丝距离焊缝中心0.2～1mm进行电弧焊。电弧焊采用冷金属过渡焊(CMT)或者熔化极惰性气体保护焊(MIG)，电弧焊的焊接参数为：送丝速度为5.0-10.0m/min，焊接速度40-80cm/min，焊丝干伸长10-13mm，通过调整焊接参数控制焊接接头的熔深和熔宽，使得熔池凝固后能够填充满预留在钢板一侧的缺口，同时熔融的铝与钢板接触发生冶金反应形成良好的冶金结合，最终可以获得类似于榫卯结构的钢-铝焊接接头。
本发明机械冶金双重结合提升钢-铝异种焊接接头强度的方法的技术原理：
本发明使用Al-Si或者Al-Mg焊丝作为焊接的填充金属，利用电弧焊采用冷金属过渡焊(CMT)或者熔化极惰性气体保护焊(MIG)对铝板和预制有梯形缺口的钢板进行拼板焊接；焊接过程中熔化的焊丝填充在钢板一侧预先机械加工的缺口中，同时能熔化铝板待焊接的一侧形成良好的冶金结合，最终能够获得类似于榫卯结构的钢-铝焊接接头，实现机械+冶金的双重结合，获得的焊接接头的力学性能取决于填充在钢基材梯形缺口的熔覆焊丝的承载能力以及焊丝与铝合金母材融化后与钢板界面处形成的冶金结合能力，最大限度地降低熔池凝固与钢界面处生成的Fe-Al金属间化合物带来的不利影响，使焊接接头的强度能达到铝合金母材水平的60-70％，从而实现了钢-铝合金异种材料的优质连接。
实施例一
一种机械冶金双重结合提升钢-铝异种焊接接头强度的方法，包括如下步骤：
S1、钢板预制缺口，对钢板进行机械加工，钢板选用1.5mm厚的DP780双相钢，在DP780双相钢待焊接的一侧均匀加工若干个梯形缺口，梯形上底与DP780双相钢板待焊一侧边缘重合，其中，每个梯形缺口的高度一致为2mm，上底(即缺口的短边)长1mm，下底(即缺口的长边)长2mm，相邻的两个梯形缺口的长边之间的距离为1mm；
S2、处理钢板和铝板的待焊接部位，铝板选用1.5mm厚的6063-T6的铝合金板，分别将DP780双相钢板和6063-T6铝合金板的待焊接部位的表面用砂纸进行打磨，露出金属光泽后后，用丙酮去除待焊接部位的表面油污，并晾干；
S3、焊接准备，将晾干后的DP780双相钢板和6063-T6铝合金板以拼焊的方式置于工作台上，通过焊接卡具固定，使DP780双相钢板和6063-T6铝合金板待焊接部位的表面紧密接触，间隙距离为0mm；
S4、选择焊丝，焊丝选用直径为1.2mm的Al-Si焊丝，焊丝偏向DP780双相钢一侧(距离焊缝中心0.5mm)；
S5、焊接，在惰性气体下，对DP780双相钢和6063-T6铝合金板的待焊接部位进行冷金属过渡焊(CMT)焊接，送丝速度为4.6m/min，焊接速度为60cm/min，起弧电流为110％，收弧电流为50％，焊丝干伸长10mm，保护气为100％Ar气，气体流量为30L/min。
本实施例中，焊接过程中熔化的焊丝填充在钢材一侧预先机械加工留下的缺口中，同时能熔化另一侧的铝合金形成良好的冶金结合，最终可以获得类似于榫卯结构的钢/铝焊接接头，从而最大限度地降低熔池凝固与钢界面处生成的Fe-Al金属间化合物带来的不利影响，使焊接接头的强度能达到铝合金母材水平的62％，从而实现了钢-铝合金异种材料的优质连接。
实施例二
一种机械冶金双重结合提升钢-铝异种焊接接头强度的方法，包括如下步骤：
S1、钢板预制缺口，对钢板进行机械加工，钢板选用1.5mm厚的DC01钢，在DC01钢待焊接的一侧均匀加工若干个梯形缺口，梯形上底与DC01钢板待焊一侧边缘重合，其中，每个梯形缺口的高度一致为1mm，上底(即缺口的短边)长1mm，下底(即缺口的长边)长2mm，相邻的两个梯形缺口的长边之间的距离为1mm；
S2、处理钢板和铝板的待焊接部位，铝板选用1.5mm厚的6082-T6的铝合金板，分别将DC01钢板和6082-T6的铝合金板的待焊接部位的表面用砂纸进行打磨，露出金属光泽后后，用丙酮去除待焊接部位的表面油污，并晾干；
S3、焊接准备，将晾干后的DC01钢板和6082-T6的铝合金板以拼焊的方式置于工作台上，通过焊接卡具固定，使DC01钢板和6082-T6的铝合金板待焊接部位的表面紧密接触，间隙距离为0mm；
S4、选择焊丝，焊丝选用直径为1.2mm的Al-Mg焊丝，焊丝偏向DC01钢板一侧(距离焊缝中心0.5mm)；
S5、焊接，在惰性气体下，对DC01钢板和6082-T6的铝合金板的待焊接部位进行冷金属过渡焊(CMT)焊接，送丝速度为5.0m/min，焊接速度为60cm/min，起弧电流为110％，收弧电流为50％，焊丝干伸长10mm，保护气为100％Ar气，气体流量为30L/min。
本实施例中，焊接过程中熔化的焊丝填充在钢材一侧预先机械加工留下的空隙中，同时能熔化另一侧的铝合金形成良好的冶金结合，最终可以获得类似于榫卯结构的钢/铝焊接接头，从而最大限度地降低熔池凝固与钢界面处生成的Fe-Al金属间化合物带来的不利影响，使焊接接头的强度能达到铝合金母材水平的68％，从而实现了钢-铝合金异种材料的优质连接。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种机械冶金双重结合提升钢-铝异种焊接接头强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、钢板预制缺口，对钢板进行机械加工，在钢板待焊接的一侧均匀加工若干个内宽外窄形状的缺口；所述缺口为梯形结构，梯形缺口的短边位于焊缝中心，缺口的短边的长度为0.5～2.0mm；
S2、处理钢板和铝板的待焊接部位，分别将钢板和铝板的待焊接部位的表面用砂纸进行打磨，打磨后，用丙酮去除待焊接部位的表面油污，并晾干；所述钢板和铝板的厚度相等，且厚度均为0.5～3.0mm；
S3、焊接准备，将晾干后的钢板和铝板以拼焊的方式置于工作台上，使钢板待焊接部位的缺口与铝板待焊接部位的表面紧密接触；
S4、选择焊丝，焊丝选用Al-Si焊丝或者Al-Mg焊丝；
S5、焊接，在惰性气体下，对钢板和铝板的待焊接部位进行电弧焊焊接；
在焊接过程中，焊丝位于偏向钢板的一侧进行焊接，焊丝到所述缺口的短边的距离为0.2～1mm。
2.根据权利要求1所述的机械冶金双重结合提升钢-铝异种焊接接头强度的方法，其特征在于，所述电弧焊采用冷金属过渡焊或者熔化极惰性气体保护焊。
3.根据权利要求1所述的机械冶金双重结合提升钢-铝异种焊接接头强度的方法，其特征在于，所述电弧焊的焊接参数为：送丝速度为5.0-10.0m/min，焊接速度40-80cm/min，焊丝干伸长10-13mm。
4.根据权利要求1所述的机械冶金双重结合提升钢-铝异种焊接接头强度的方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气和二氧化碳的混合气体、氩气或者氦气，惰性气体的气体流量为15～30L/min。
5.根据权利要求1所述的机械冶金双重结合提升钢-铝异种焊接接头强度的方法，其特征在于，所述焊丝直径为0.8-1.5mm。
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