CN114310167B - 一种铝/钢复合过渡接头的加工工艺 - Google Patents
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Abstract
一种铝/钢复合过渡接头的加工工艺，属于金属材料领域。本发明在钢管待焊接区表面制备一层镍中间过渡层，阻隔钢与铝之间的界面反应；并采用铝合金电弧堆焊的方法在镍中间过渡层上根据设计要求制造出相应的结构毛坯，之后再采用机械加工方法进行精加工，形成钢/铝复合过渡接头，在应用过程中可将该过渡接头通过焊接方法钢侧与钢焊接、铝侧与铝焊接；在电弧增材制造过程中钢管中可同步通入水冷解决管路增材制造过程中的热积累问题。本发明解决了钢铝焊接热物理性能相差大，接头脆性增加，塑性和韧性下降；接头变形大，易形成裂纹；冷却结晶后焊缝成分不均匀，接头性能较差等难题，实现了钢/铝异种金属的高质量焊接。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，具体涉及一种异种金属复合接头的加工工艺。
背景技术
在船舶、航空、航天和汽车制造等领域，经常需要进行钢管与铝合金构件的连接。传统的机械连接存在密封性差，容易进水易腐蚀等缺点，无法满足设计要求。采用焊接技术连接时，由于二者之间热物理性能相差很大，易形成硬而脆的金属间化合物，使接头脆性增加，塑性和韧性下降；热导率和线膨胀系数相差大，接头变形大，易形成裂纹；熔点差异大，使冷却结晶后焊缝成分不均匀，接头性能较差。如何实现钢/铝异种金属的高质量焊接已经成为亟待解决的问题。目前，铝钢连接已有较多的解决方案，如专利号202011357533.7所述的基于爆炸焊的钢铝过渡接头焊接的方法，适用于船舶钢结构与铝合金上层建筑的连接，但是除复合板结构的过渡接头外，爆炸焊工艺直接制造复杂结构的过渡接头比较困难。再如专利号202110586941.8所述的基于优化点焊缝结构的铝钢异种金属的焊接接头，适用于车身铝合金与钢的连接，但是点焊不适用于制造对密封性要求严格的接头。
发明内容
为了解决这个问题，本发明提出在钢管待焊接区表面制备一层镍中间过渡层，阻隔钢与铝之间的界面反应；并采用铝合金电弧堆焊的方法在镍中间过渡层上根据设计要求制造出相应的结构毛坯，之后再采用机械加工方法进行精加工，形成钢/铝复合过渡接头，在应用过程中可将该过渡接头通过焊接方法钢侧与钢焊接、铝侧与铝焊接；在电弧增材制造过程中钢管中可同步通入水冷解决管路增材制造过程中的过量热积累造成的铝堆焊层塌陷和钢管烧穿问题。
本发明的技术方案为：
一种铝/钢复合过渡接头的加工工艺，其特征在于：
以不锈钢管作为增材制造的基体材料，并对所述钢管待焊部位表面处理；采用电镀、化学镀、熔覆或喷涂方法在所述钢管待焊区表面制备一层镍中间过渡层；再以铝合金焊丝作为增材制造材料，采用惰性作为保护气体，采用电弧堆焊技术在所述钢管预处理表面以旋转堆焊的方式，完成第一层铝堆焊层的制备，再按过渡接头所需形状在所述第一层铝堆焊层基础上进行堆焊；在堆焊完成后采用机械加工的方式对过渡接头按所需的形状进行加工。
进一步地，在镍中间过渡层表面需进一步制备锌过渡层或涂敷钎剂。
进一步地，所涉及的电弧堆焊过程中的钢管部位需根据堆焊工艺控制要求选择通入或不通入冷却水，冷却水的温度为15～100℃；所涉及的电弧焊接方法包括但不限于非熔化极气体保护焊和熔化极气体保护焊。
进一步地，所涉及的机械加工方法包括但不限于车削、切削和打磨方法。
如上所述一种铝/钢复合过渡接头的加工工艺，具体加工步骤为：
1)、一种钢/铝复合过渡接头，该过渡接头由电弧熔丝堆焊制成，不锈钢管作为增材制造的基体材料，上部增材制造铝堆焊层。采用电镀、化学镀、熔覆或喷涂等方法在所述钢管待焊区表面制备一层镍中间过渡层；
2)、在所述过渡层表面镀锌或者涂覆钎剂或二者并用，以促进电弧堆焊过程中液态金属的润湿铺展；
3)、在所述钢管两侧采用动密封装置进行密封，并通入循环冷却水，所述冷却水温度和流速被严格控制确保降温速率适中，以解决管路旋转堆焊时热积累问题，同时避免液态铝在铺展完全前凝固，并能控制钢与中间过渡层之间的界面反应；
4)、在所述过渡层表面进行电弧熔丝旋转堆焊进行所述铝堆焊层的制备，优选地采用冷金属过渡焊完成堆焊，以减少焊接过程的热输入。根据设计要求制造出所需形状的毛坯，在堆焊操作时，优选地通过吹氩气避免堆焊层氧化；
5)、在堆焊完成后，采用机械加工的方法对毛坯进行精加工。
本发明技术关键点为：
(1)镀锌处理和涂覆钎剂可以增大铝熔滴在钢表面的润湿铺展能力，避免临近焊道之间产生间隙；降温速率的控制，实现了小范围密集的增材制造。因此熔丝增材制造工艺可以制造形状复杂的接头，并且具有良好的密封性能。
(2)采用镍过渡层减少了脆性相铝铁管的连接，化合物的生成，有助于减少由于钢、铝物理性能的较大差异导致接头的内应力，因此过渡接头具有更大的连接强度。
本发明通过添加过渡层和通入水冷的方法解决了钢铝焊接热物理性能相差很大，易形成硬而脆的金属间化合物，使接头脆性增加，塑性和韧性下降；热导率和线膨胀系数相差大，接头变形大，易形成裂纹；熔点差异大，使冷却结晶后焊缝成分不均匀，接头性能较差等难题，实现了钢/铝异种金属的高质量焊接。
附图说明
图1为本铝/钢复合管状过渡接头实物(机加工前)。
图2为本铝/钢复合管状过渡接头实物(机加工后)。
图3为本铝/钢复合管状过渡接头旋转堆焊加工工艺示意图。
图4为本铝/钢复合管状过渡接头环管方向剖视图。
图5为本铝/钢复合管状过渡接头纵管方向剖视图。
图中：1-焊枪、2-焊丝、3-电弧、4-钎剂涂层、5-镍层、6-钢管、7-水冷管、8-动密封、9-铝堆焊层。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以通过增加、删除、修改等各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1：
1.选取直径20mm、厚度1mm的304不锈钢无缝钢管，对钢管待焊处表面依次用去油粉去除油污，清水冲洗，酸洗去除氧化膜，清水冲洗，电镀Ni镀层，电镀Zn镀层，Ni层厚度约10μm。
2.将钢管两端接通冷却水管并动密封后安装在旋转式焊接工作台上，再在钢管中通满预热的循环冷却水。所述冷却水预热至70℃，流通速度1.8ml/s。
3.在钢管表面涂抹氟铝酸钾钎剂，用CMT旋转堆焊的方法将1.2mm直径的4043铝硅焊丝熔覆在不锈钢管上，完成第一层铝堆焊层的制备，在堆焊操作时，通过吹氩气避免堆焊层氧化。再按过渡接头所需形状对所述第一层铝堆焊层进行补堆，每次补堆前优选地将待焊面打磨平整，以保证成型质量。其中焊接电压为12V、焊接电流为75A、焊枪前进速度V＝0.44mm/s、钢管旋转速度n＝9.5r/min。
4.按过渡接头所需形状对铝堆焊层进行车削、切削、打磨加工，再将不锈钢管一端多余部分切除，得到铝/钢复合过渡接头。
本实例得到的铝/钢复合过渡接头，钢管与铝堆焊层界面剪切强度超过200Mpa。
实施例2：
1.选取直径20mm、厚度1mm的304不锈钢无缝钢管，在钢管待焊处表面上采用激光熔覆的方式制备镍中间层，打磨光滑后电镀Zn层，其中Ni层厚度约100μm。
2.将钢管两端接通冷却水管并动密封后安装在旋转式焊接工作台上，再在钢管中通满预热的循环冷却水。所述冷却水预热至70℃，流通速度1.8ml/s。
3.在钢管表面涂抹氟铝酸钾钎剂，用CMT旋转堆焊的方法将1.2mm直径的4043铝硅焊丝熔覆在不锈钢管上，完成第一层铝堆焊层的制备，在堆焊操作时，通过吹氩气避免堆焊层氧化。再按过渡接头所需形状对所述第一层铝堆焊层进行补堆，每次补堆前优选地将待焊面打磨平整，以保证成型质量。其中焊接电压为12V、焊接电流为75A。
4.按过渡接头所需形状对铝堆焊层进行车削、切削、打磨加工，再将不锈钢管一端多余部分切除，得到铝/钢复合过渡接头。
本实例的到的铝/钢过渡接头界面处，脆性相Fe-Al化合物含量变少。
Claims (3)
1.一种铝/钢复合过渡接头的加工工艺，其特征在于：
以不锈钢管作为增材制造的基体材料，并对所述钢管待焊部位表面处理；采用电镀、化学镀、熔覆或喷涂方法在所述钢管待焊区表面制备一层镍中间过渡层；再以铝合金焊丝作为增材制造材料，采用惰性气体作为保护气体，采用电弧堆焊技术在所述钢管镍中间过渡层表面以旋转堆焊的方式，完成第一层铝堆焊层的制备，再按过渡接头所需形状在所述第一层铝堆焊层基础上进行堆焊；在堆焊完成后采用机械加工的方式对过渡接头按所需的形状进行加工；
在镍中间过渡层表面需进一步制备锌过渡层，在锌过渡层表面涂敷钎剂；
所涉及的电弧堆焊过程中的钢管部位需根据堆焊工艺控制要求选择通入冷却水，冷却水的温度为15~100℃；所涉及的电弧焊接方法包括非熔化极气体保护焊和熔化极气体保护焊。
2.如权利要求1所述一种铝/钢复合过渡接头的加工工艺，其特征在于：所涉及的机械加工方法包括车削、切削和打磨方法。
3.如权利要求1所述一种铝/钢复合过渡接头的加工工艺，其特征在于：具体加工步骤为：
1）、一种铝/钢复合过渡接头，该过渡接头由电弧熔丝堆焊制成，不锈钢管作为增材制造的基体材料，上部增材制造铝堆焊层；采用电镀、化学镀、熔覆或喷涂方法在所述钢管待焊区表面制备一层镍中间过渡层；
2）、在所述过渡层表面镀锌和涂覆钎剂，以促进电弧堆焊过程中液态金属的润湿铺展；
3）、在所述钢管两侧采用动密封装置进行密封，通入循环冷却水，所述冷却水温度和流速被严格控制确保降温速率适中，以解决管路旋转堆焊时热积累问题，同时避免液态铝在铺展完全前凝固，并能控制钢与中间过渡层之间的界面反应；
4）、在所述过渡层表面镀锌和涂覆钎剂后进行电弧熔丝旋转堆焊进行所述铝堆焊层的制备，采用冷金属过渡焊完成堆焊，以减少焊接过程的热输入；根据设计要求制造出所需形状的毛坯，在堆焊操作时，通过吹氩气避免堆焊层氧化；
5）、在堆焊完成后，采用机械加工的方法对毛坯进行精加工。
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