CN114393310A - 大厚度铝-钢复合板熔焊用材料及制备与焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种大厚度铝‑钢复合板熔焊用材料，包括激光熔覆粉末和铝基药芯焊丝；专门用于解决铝‑钢爆炸复合板对接焊接过程中焊缝成形较差及接头裂纹问题。本发明还提一种厚度铝‑钢复合板熔焊用材料的制备方法及一种大厚度铝‑钢复合板熔焊对接焊接方法。本发明方法采用激光熔覆和电弧熔化焊相结合的方式进行铝‑钢复合板的对接焊接，综合两者的优势：激光熔覆可以极大降低钢基体的熔化，从而从根本上消除了Fe元素进入铝焊缝；在激光熔覆层上进行铝基焊丝的MIG焊接，可以利用电弧热消除激光熔覆层中存在的气孔等缺陷，并且有效保证对接接头的结合质量。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种大厚度铝-钢复合板熔焊用材料，还涉及一种大厚度铝-钢复合板熔焊用材料的制备方法及一种大厚度铝-钢复合板熔焊对接焊接方法。
背景技术
铝-钢复合板通常是由钢(基层)、纯铝(中间层)及铝合金(复层)等三种材质通过爆炸焊接方式制备。铝-钢爆炸复合板在航空航天、石油化工、交通运输等行业得到广泛应用。由于铝的密度较低，采用铝-钢这种复合结构后可以显著减小结构的重量。因此，铝-钢爆炸复合板具有广阔的应用前景。
但是，由于铝和钢的热物理性能差异较大，比如铝的熔点为660℃，而钢的熔点为1545℃，两者熔点相差约1000℃，易导致焊接时焊缝成型困难以及铝侧的过渡熔化。和物理性能相比，铝和钢之间的冶金不相容是导致其焊接连接困难的主要原因。根据Al-Fe二元相图可知，两者熔焊连接时将生成多种脆性金属间化合物，导致接头开裂。因此，采用铝-钢复合板进行大型结构制备时，需要解决其对接连接问题。
查阅国内外相关文献可知，要实现铝-钢复合板的对接连接，需要制备过渡层材料，过渡层材料的作用是通过生成多种韧性相、抑制Al-Fe脆性相，从而实现与铝和钢之间的熔焊连接。在过渡层材料的基础上，需要合理设计坡口形式，制定焊接顺序，从而降低两者热物理性能差异所导致的焊缝成型问题。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种大厚度铝-钢复合板熔焊用材料，专门用于解决铝-钢爆炸复合板对接焊接过程中焊缝成形较差及接头裂纹问题。
本发明的第二个目的是提供一种大厚度铝-钢复合板熔焊用材料的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种铝-大厚度铝-钢复合板熔焊对接焊接方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，大厚度铝-钢复合板熔焊用材料，包括激光熔覆粉末和铝基药芯焊丝：
激光熔覆用粉末按质量百分比包括如下成分：Ni粉10～20％，Cr粉5～10％，Cu粉5～10％，Mg粉5～10％，Mn粉5～10％，Si粉5～10％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％；
铝基药芯焊丝包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Mg粉20～30％，Zn粉20～30％，Cu粉5～10％，Ti粉5～10％，B粉5～10％，Re粉1～3％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
激光熔覆用粉末各原料组分的纯度均≥99％。
铝基药芯焊丝各原料组分的粒度均为200-300目，粉末的纯度均为≥99.90％。
本发明所采用的第二个技术方案是，大厚度铝-钢复合板熔焊用材料的制备方法，激光熔覆用粉末的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Ni粉10～20％，Cr粉5～10％，Cu粉5～10％，Mg粉5～10％，Mn粉5～10％，Si粉5～10％，其余为Al粉，以上各组分重量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1各原料合金粉末混合后真空熔炼，采用气雾化方法制粉；
步骤3：对雾化后的合金粉末进行粒度筛分，使筛分后的合金粉末在一定的粒度范围内；
步骤4：对制备的粉末进行真空包装，待用；
铝基药芯焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉：Mg粉20～30％，Zn粉20～30％，Cu粉5～10％，Ti粉5～10％，B粉5～10％，Re粉1～3％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150～180℃，保温时间为1～4h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为1～3h；
步骤3：采用纯铝带为焊皮，采用酒精去除纯铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯铝带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
本发明的特征还在于，
激光熔覆用粉末的制备方法中：
步骤1中，各原料组分粉末的纯度均≥99％；
步骤2中，采用真空熔炼设备，以N2作为雾化气体，雾化压力为4～6MPa，雾化过程保持熔体的过热度在100～150℃之间；
步骤3中，筛分后的合金粉末的粒度范围为25～53μm，即270～500目。筛分后的合金粉末的流动性要求为25～40s/100g。
铝基药芯焊丝的制备方法中：
步骤1中，称取的各个药粉的粒度均为200-300目；
步骤1中，粉末的纯度均为≥99.90％；
步骤3中，纯铜铝带厚度0.3mm，宽度7mm；
步骤3中，药芯焊丝填充量控制在20～25wt％。
本发明所采用的第三个技术方案是，
大厚度铝-钢复合板熔焊对接焊接方法，其特征在于，具体方法如下：
(1)将大厚度铝-钢复合板开不对称X型坡口形式，对接试板设置间隙为0.5～1mm；
(2)进行钢层的焊接，焊接采用MAG焊，焊接电流180-220A，焊接材料为ER50-6焊丝，焊丝直径为1.2mm；
(3)将试板翻转，打磨钢侧背面焊缝，使其与铝侧坡口底部齐平；
(4)采用激光熔覆用粉末在上述坡口上进行激光熔覆，得到激光熔覆层，得到激光熔覆层，设置激光熔覆功率为3～6kW，激光光斑直径1～3mm，送粉速度80～100g/min，熔覆层搭接率60～85％；保护气选用氩气，熔覆线速度40～60m/min；
(5)在激光熔覆层上进行铝基药芯焊丝焊接，选择CMT电弧进行MIG焊，焊接电流120-150A，采用单层多道焊接方式；
(6)最后采用ER4043焊丝完成铝侧的填充和盖面焊接，选择CMT电弧进行MIG焊，焊接电流150-200A，采用多层多道焊接方式。
本发明的特征还在于，
步骤(1)中，大厚度铝-钢复合板开不对称X型坡口的具体参数为：钢侧坡口角度为60±5°，铝侧坡口角度为70±5°，钝边尺寸为2～3mm，钝边完全开在钢一侧。
本发明的有益效果是：
(1)本发明方法采用激光熔覆和电弧熔化焊相结合的方式进行铝-钢复合板的对接焊接，综合两者的优势：激光熔覆可以极大降低钢基体的熔化，从而从根本上消除了Fe元素进入铝焊缝；在激光熔覆层上进行铝基焊丝的MIG焊接，可以利用电弧热消除激光熔覆层中存在的气孔等缺陷，并且有效保证对接接头的结合质量。
(2)本发明方法在进行铝基药芯焊丝焊接时，选择单层多道焊焊接方式，可以有效控制焊接电弧对激光熔覆搅动；而在铝基过渡层焊缝上进行焊接时，提高热输入，采用多层多道焊方式，在控制热输入的同时有效提高焊接效率。
(3)本发明的坡口形式，在兼顾焊接效率、可操作性的前提下，可有效控制铝与钢之间冶金混合，从而减小焊缝中脆性相的产生。
(4)本发明采用激光熔覆和铝基药芯焊丝相结合的方式形式铝-钢焊接时脆性金属间化合物的抑制。激光熔覆粉末中加入Ni、Cr、Mn、Si等合金粉末，这些合金粉末与底部钢之间的焊接性较好，从而可以保证激光熔覆层与底部钢之间的高强度结合。粉末中还加入了Mg、Cu等可以提高铝基焊缝强度的元素，保证激光熔覆层与上面铝基焊缝之间较高的结合强度。铝基焊丝中加入了Mg、Zn、Cu等元素，可以强化铝基体组织，还加入了微量Ti、B和稀土Re元素，进一步提高铝基焊缝的强度。
(7)本发明方法所开发的焊丝，药粉种类少，便于规模化生产。焊丝丝径1.2mm，即可进行MIG焊接，还可以进行TIG焊接，适应性广。
附图说明
图1为本发明方法中实施案例2制备的激光熔覆粉末的扫描电镜图片。
图2为本发明方法中使用的大厚度铝-钢复合板对接焊接坡口形式。
图3为本发明方法中大厚度铝-钢复合板对接焊接顺序。
图4为本发明实施案例2制备的大厚度铝-钢对接接头激光熔覆层的显微组织形貌图。
图5为本发明实施案例2制备的大厚度铝-钢对接接头铝基焊缝的显微组织形貌图。
图6为本发明实施案例2制备的大厚度铝-钢对接接头拉伸断口形貌。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种大厚度铝-钢复合板熔焊用材料，包括激光熔覆粉末和铝基药芯焊丝：
激光熔覆用粉末按质量百分比包括如下成分：Ni粉10～20％，Cr粉5～10％，Cu粉5～10％，Mg粉5～10％，Mn粉5～10％，Si粉5～10％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％；
铝基药芯焊丝包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Mg粉20～30％，Zn粉20～30％，Cu粉5～10％，Ti粉5～10％，B粉5～10％，Re粉1～3％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
激光熔覆用粉末各原料组分的纯度均≥99％。
铝基药芯焊丝各原料组分的粒度均为200-300目，粉末的纯度均为≥99.90％。
本发明还提供一种大厚度铝-钢复合板熔焊用材料的制备方法，激光熔覆用粉末的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Ni粉10～20％，Cr粉5～10％，Cu粉5～10％，Mg粉5～10％，Mn粉5～10％，Si粉5～10％，其余为Al粉，以上各组分重量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1各原料合金粉末混合后真空熔炼，采用气雾化方法制粉；
步骤3：对雾化后的合金粉末进行粒度筛分，使筛分后的合金粉末在一定的粒度范围内；
步骤4：对制备的粉末进行真空包装，待用；
激光熔覆用粉末的制备方法中：
步骤1中，各原料组分粉末的纯度均≥99％；
步骤2中，采用真空熔炼设备，以N2作为雾化气体，雾化压力为4～6MPa，雾化过程保持熔体的过热度在100～150℃之间；
步骤3中，筛分后的合金粉末的粒度范围为25～53μm，即270～500目。筛分后的合金粉末的流动性要求为25～40s/100g。
铝基药芯焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉：Mg粉20～30％，Zn粉20～30％，Cu粉5～10％，Ti粉5～10％，B粉5～10％，Re粉1～3％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150～180℃，保温时间为1～4h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为1～3h；
步骤3：采用纯铝带为焊皮，采用酒精去除纯铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯铝带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
铝基药芯焊丝的制备方法中：
步骤1中，称取的各个药粉的粒度均为200-300目；
步骤1中，粉末的纯度均为≥99.90％；
步骤3中，纯铜铝带厚度0.3mm，宽度7mm；
步骤3中，药芯焊丝填充量控制在20～25wt％。
该激光熔覆粉末中各合金组分的作用和功能如下：
(1)激光熔覆粉末以Al元素为主，可以保证激光熔覆层与后续的铝基焊缝之间良好的结合性能；
(2)激光熔覆粉末中添加Ni、Cr合金元素，这两个元素与底部钢层(Fe)之间的冶金结合较好，可以保证激光熔覆层与底部钢层之间的高强度结合；
(3)激光熔覆粉末中添加了Mn、Si元素，起到联合脱氧的作用，可以减少激光熔覆层中的气孔产生，此外这两个元素在提高熔覆层强韧性方面也有一定作用；
(4)激光熔覆粉末中还添加了Mg、Cu元素，这两个元素可以显著提高铝基体的强度，是铝合金的主要强化元素，且这两个元素与Fe之间不形成脆性相；
铝基焊丝中主要合金组分的作用和功能如下：
(1)铝基焊丝中主要合金元素是Al，一方面可以保证与底部激光熔覆层之间较好的结合(激光熔覆层的主要合金元素也为Al)；另一方面，铝基焊丝所焊接接头的两侧、上面均为铝，所以焊丝以Al元素为主，可以提高与两侧铝层和上面铝填充层的结合强度；
(2)铝基焊丝中添加了Mg、Zn、Cu合金元素，这三个元素是铝合金主要的强化元素，可以显著提高铝基体的强度；当Mg/Zn约等于1时，在提高强度的同时，可以改善铝基体的塑韧性；
(3)铝基焊丝中添加了Ti和B。Ti是铝合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中间合金形式加入。钛与铝形成TiAl2相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用。Al-Ti系合金，加入B元素可以有效控制TiAl2脆性相的含量。
(4)Re稀土元素加入铝合金中，可以起到细化晶粒，减少二次晶间距，减少合金中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化。还可降低熔体表面张力，增加流动性，对焊接工艺性能有着明显的影响。
本发明还提供一种大厚度铝-钢复合板熔焊对接焊接方法，具体方法如下，如图3所示：
(1)将大厚度铝-钢复合板开不对称X型坡口形式，对接试板设置间隙为0.5～1mm；
(2)进行钢层的焊接，焊接采用MAG焊，焊接电流180-220A，焊接材料为ER50-6焊丝，焊丝直径为1.2mm；
(3)将试板翻转，打磨钢侧背面焊缝，使其与铝侧坡口底部齐平；
(4)采用激光熔覆用粉末在上述坡口上进行激光熔覆，得到激光熔覆层，得到激光熔覆层，设置激光熔覆功率为3～6kW，激光光斑直径1～3mm，送粉速度80～100g/min，熔覆层搭接率60～85％；保护气选用氩气，熔覆线速度40～60m/min；
(5)在激光熔覆层上进行铝基药芯焊丝焊接，选择CMT电弧进行MIG焊，焊接电流120-150A，采用单层多道焊接方式；
(6)最后采用ER4043焊丝完成铝侧的填充和盖面焊接，选择CMT电弧进行MIG焊，焊接电流150-200A，采用多层多道焊接方式。
步骤(1)中，大厚度铝-钢复合板开不对称X型坡口的具体参数为：钢侧坡口角度为60±5°，铝侧坡口角度为70±5°，钝边尺寸为2～3mm，钝边完全开在钢一侧，如图2所示。
实施例1
激光熔覆粉末的具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Ni粉10％，Cr粉5％，Cu粉5％，Mg粉5％，Mn粉5％，Si粉5％，其余为Al粉，以上各组分重量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1各原料合金粉末混合后真空熔炼，采用气雾化方法制粉；
步骤3：对雾化后的合金粉末进行粒度筛分，使筛分后的合金粉末在一定的粒度范围内。
步骤4：对制备的粉末进行真空包装，待用。
步骤1中，各原料组分合金粉末的纯度均≥99％；
步骤2中，采用真空熔炼设备，以N2作为雾化气体，雾化压力为4MPa，雾化过程保持熔体的过热度为100℃。
步骤3中，筛分后的合金粉末的粒度范围为25～53μm，即270～500目。筛分后的合金粉末的流动性要求为25～40s/100g。
铝基药芯焊丝的具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉：Mg粉20％，Zn粉20％，Cu粉5％，Ti粉5％，B粉5％，Re粉1％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为1h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为1h；
步骤3：采用纯铝带为焊皮，采用酒精去除纯铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯铝带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
步骤1中，称取的各个药粉的粒度均为200-300目；
步骤1中，粉末的纯度均为≥99.90％；
步骤3中，纯铜铝带厚度0.3mm，宽度7mm；
步骤3中，药芯焊丝填充量控制在20wt％。
大厚度铝-钢复合板熔焊对接坡口形式如图2所示：复合板开不对称X型坡口，其中钢侧坡口角度为55°，铝侧坡口角度为65°，钝边尺寸为2mm，钝边完全开在钢一侧。
采用实施案例1提供的激光熔覆粉末和铝基焊丝，并配合上述坡口形式进行大厚度铝-钢复合板熔焊对接，焊接方法如图3所示：
(1)将大厚度铝-钢复合板开上述的坡口形式，对接试板设置间隙为0.5mm。
(2)进行钢层的焊接，焊接采用MAG焊(焊接电流180-220A)，焊接材料为ER50-6焊丝，焊丝直径为1.2mm。
(3)将试板翻转，打磨钢侧背面焊缝，使其与铝侧坡口底部齐平。
(4)采用激光熔覆用粉末在上述坡口上进行激光熔覆，得到激光熔覆层，设置激光熔覆功率为3～6kW，激光光斑直径1～3mm，送粉速度80～100g/min，熔覆层搭接率60～85％；保护气选用氩气，熔覆线速度40～60m/min。
(5)在激光熔覆层上进行铝基药芯焊丝焊接，选择CMT电弧进行MIG焊(焊接电流120-150A)，采用单层多道焊接方式。
(6)最后采用ER4043焊丝完成铝侧的填充和盖面焊接，选择CMT电弧进行MIG焊(焊接电流150-200A)，采用多层多道焊接方式。
经测试，大厚度铝-钢复合板对接接头的抗拉强度为322MPa，延伸率为18％。
实施例2
激光熔覆粉末的具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Ni粉20％，Cr粉10％，Cu粉10％，Mg粉10％，Mn粉10％，Si粉10％，其余为Al粉，以上各组分重量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1各原料合金粉末混合后真空熔炼，采用气雾化方法制粉；
步骤3：对雾化后的合金粉末进行粒度筛分，使筛分后的合金粉末在一定的粒度范围内。
步骤4：对制备的粉末进行真空包装，待用。
步骤1中，各原料组分合金粉末的纯度均≥99％；
步骤2中，采用真空熔炼设备，以N2作为雾化气体，雾化压力为6MPa，雾化过程保持熔体的过热度在150℃之间。
步骤3中，筛分后的合金粉末的粒度范围为25～53μm，即270～500目。筛分后的合金粉末的流动性要求为25～40s/100g。
铝基药芯焊丝的具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉：Mg粉30％，Zn粉30％，Cu粉10％，Ti粉10％，B粉10％，Re粉3％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为180℃，保温时间为4h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为3h；
步骤3：采用纯铝带为焊皮，采用酒精去除纯铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯铝带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
步骤1中，称取的各个药粉的粒度均为200-300目；
步骤1中，粉末的纯度均为≥99.90％；
步骤3中，纯铜铝带厚度0.3mm，宽度7mm；
步骤3中，药芯焊丝填充量控制在25wt％。
大厚度铝-钢复合板熔焊对接坡口形式如图2所示：复合板开不对称X型坡口，其中钢侧坡口角度为65°，铝侧坡口角度为75°，钝边尺寸为3mm，钝边完全开在钢一侧。
采用实施案例2提供的激光熔覆粉末和铝基焊丝，并配合上述坡口形式进行大厚度铝-钢复合板熔焊对接，焊接方法如图3所示：
(1)将大厚度铝-钢复合板开上述的坡口形式，对接试板设置间隙为1mm。
(2)进行钢层的焊接，焊接采用MAG焊(焊接电流180-220A)，焊接材料为ER50-6焊丝，焊丝直径为1.2mm。
(3)将试板翻转，打磨钢侧背面焊缝，使其与铝侧坡口底部齐平。
(4)采用激光熔覆用粉末在上述坡口上进行激光熔覆，得到激光熔覆层，设置激光熔覆功率为3～6kW，激光光斑直径1～3mm，送粉速度80～100g/min，熔覆层搭接率60～85％；保护气选用氩气，熔覆线速度40～60m/min。
(5)在激光熔覆层上进行铝基药芯焊丝焊接，选择CMT电弧进行MIG焊(焊接电流120-150A)，采用单层多道焊接方式。
(6)最后采用ER4043焊丝完成铝侧的填充和盖面焊接，选择CMT电弧进行MIG焊(焊接电流150-200A)，采用多层多道焊接方式。
经测试，大厚度铝-钢复合板对接接头的抗拉强度为352MPa，延伸率为16％。
图1为实施案例2制备的激光熔覆粉末的扫描电镜图片，从图中可以看出粉末粒径均匀，球形度较好。采用该粉末进行铝-钢复合板铝侧坡口激光熔覆后，熔覆层的显微组织如图4所示，从图中可以看出熔覆层主要为柱状树枝晶为主，这主要是由于激光熔覆过程焊缝的冷速较大，激光熔覆层未见气孔等缺陷。图5为大厚度铝-钢对接接头铝基焊缝的显微组织形貌图，从图中可以看出，焊缝组织分布均匀，未见裂纹缺陷。图6为所制备的大厚度铝-钢对接接头拉伸断口形貌，断口以韧窝形貌为主，表明接头韧性较好。
实施例3
激光熔覆粉末的具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Ni粉15％，Cr粉7％，Cu粉7％，Mg粉7％，Mn粉7％，Si粉7％，其余为Al粉，以上各组分重量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1各原料合金粉末混合后真空熔炼，采用气雾化方法制粉；
步骤3：对雾化后的合金粉末进行粒度筛分，使筛分后的合金粉末在一定的粒度范围内。
步骤4：对制备的粉末进行真空包装，待用。
步骤1中，各原料组分合金粉末的纯度均≥99％；
步骤2中，采用真空熔炼设备，以N2作为雾化气体，雾化压力为5MPa，雾化过程保持熔体的过热度在130℃之间。
步骤3中，筛分后的合金粉末的粒度范围为25～53μm，即270～500目。筛分后的合金粉末的流动性要求为25～40s/100g。
铝基药芯焊丝的具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉：Mg粉25％，Zn粉25％，Cu粉7％，Ti粉7％，B粉7％，Re粉2％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为170℃，保温时间为3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为2h；
步骤3：采用纯铝带为焊皮，采用酒精去除纯铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯铝带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
步骤1中，称取的各个药粉的粒度均为200-300目；
步骤1中，粉末的纯度均为≥99.90％；
步骤3中，纯铜铝带厚度0.3mm，宽度7mm；
步骤3中，药芯焊丝填充量控制在21wt％。
大厚度铝-钢复合板熔焊对接坡口形式如图2所示：复合板开不对称X型坡口，其中钢侧坡口角度为65°，铝侧坡口角度为65°，钝边尺寸为2.5mm，钝边完全开在钢一侧。
采用实施案例3提供的激光熔覆粉末和铝基焊丝，并配合上述坡口形式进行大厚度铝-钢复合板熔焊对接，焊接方法如图3所示：
(1)将大厚度铝-钢复合板开上述的坡口形式，对接试板设置间隙为0.7mm。
(2)进行钢层的焊接，焊接采用MAG焊(焊接电流180-220A)，焊接材料为ER50-6焊丝，焊丝直径为1.2mm。
(3)将试板翻转，打磨钢侧背面焊缝，使其与铝侧坡口底部齐平。
(4)采用激光熔覆用粉末在上述坡口上进行激光熔覆，得到激光熔覆层，设置激光熔覆功率为3～6kW，激光光斑直径1～3mm，送粉速度80～100g/min，熔覆层搭接率60～85％；保护气选用氩气，熔覆线速度40～60m/min。
(5)在激光熔覆层上进行铝基药芯焊丝焊接，选择CMT电弧进行MIG焊(焊接电流120-150A)，采用单层多道焊接方式。
(6)最后采用ER4043焊丝完成铝侧的填充和盖面焊接，选择CMT电弧进行MIG焊(焊接电流150-200A)，采用多层多道焊接方式。
经测试，大厚度铝-钢复合板对接接头的抗拉强度为354MPa，延伸率为16％。
实施例4
激光熔覆粉末的具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Ni粉12％，Cr粉6％，Cu粉8％，Mg粉9％，Mn粉6％，Si粉8％，其余为Al粉，以上各组分重量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1各原料合金粉末混合后真空熔炼，采用气雾化方法制粉；
步骤3：对雾化后的合金粉末进行粒度筛分，使筛分后的合金粉末在一定的粒度范围内。
步骤4：对制备的粉末进行真空包装，待用。
步骤1中，各原料组分合金粉末的纯度均≥99％；
步骤2中，采用真空熔炼设备，以N2作为雾化气体，雾化压力为4.5MPa，雾化过程保持熔体的过热度在100～150℃之间。
步骤3中，筛分后的合金粉末的粒度范围为25～53μm，即270～500目。筛分后的合金粉末的流动性要求为25～40s/100g。
铝基药芯焊丝的具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉：Mg粉23％，Zn粉24％，Cu粉13％，Ti粉6％，B粉8％，Re粉1.5％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为175℃，保温时间为1.7h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为1.9h；
步骤3：采用纯铝带为焊皮，采用酒精去除纯铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯铝带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
步骤1中，称取的各个药粉的粒度均为200-300目；
步骤1中，粉末的纯度均为≥99.90％；
步骤3中，纯铜铝带厚度0.3mm，宽度7mm；
步骤3中，药芯焊丝填充量控制在20～25wt％。
大厚度铝-钢复合板熔焊对接坡口形式如图2所示：复合板开不对称X型坡口，其中钢侧坡口角度为55°，铝侧坡口角度为75°，钝边尺寸为2.2mm，钝边完全开在钢一侧。
采用实施案例4提供的激光熔覆粉末和铝基焊丝，并配合上述坡口形式进行大厚度铝-钢复合板熔焊对接，焊接方法如图3所示：
(1)将大厚度铝-钢复合板开上述的坡口形式，对接试板设置间隙为0.8mm。
(2)进行钢层的焊接，焊接采用MAG焊(焊接电流180-220A)，焊接材料为ER50-6焊丝，焊丝直径为1.2mm。
(3)将试板翻转，打磨钢侧背面焊缝，使其与铝侧坡口底部齐平。
(4)采用激光熔覆用粉末在上述坡口上进行激光熔覆，得到激光熔覆层，设置激光熔覆功率为3～6kW，激光光斑直径1～3mm，送粉速度80～100g/min，熔覆层搭接率60～85％；保护气选用氩气，熔覆线速度40～60m/min。
(5)在激光熔覆层上进行铝基药芯焊丝焊接，选择CMT电弧进行MIG焊(焊接电流120-150A)，采用单层多道焊接方式。
(6)最后采用ER4043焊丝完成铝侧的填充和盖面焊接，选择CMT电弧进行MIG焊(焊接电流150-200A)，采用多层多道焊接方式。
经测试，大厚度铝-钢复合板对接接头的抗拉强度为349MPa，延伸率为19％。
实施例5
激光熔覆粉末的具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Ni粉13％，Cr粉8％，Cu粉6％，Mg粉8％，Mn粉9％，Si粉6％，其余为Al粉，以上各组分重量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1各原料合金粉末混合后真空熔炼，采用气雾化方法制粉；
步骤3：对雾化后的合金粉末进行粒度筛分，使筛分后的合金粉末在一定的粒度范围内。
步骤4：对制备的粉末进行真空包装，待用。
步骤1中，各原料组分合金粉末的纯度均≥99％；
步骤2中，采用真空熔炼设备，以N2作为雾化气体，雾化压力为5.5MPa，雾化过程保持熔体的过热度在100～150℃之间。
步骤3中，筛分后的合金粉末的粒度范围为25～53μm，即270～500目。筛分后的合金粉末的流动性要求为25～40s/100g。
铝基药芯焊丝的具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉：Mg粉28％，Zn粉22％，Cu粉17％，Ti粉9％，B粉6％，Re粉2.3％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为167℃，保温时间为3.4h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为2.9h；
步骤3：采用纯铝带为焊皮，采用酒精去除纯铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯铝带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
步骤1中，称取的各个药粉的粒度均为200-300目；
步骤1中，粉末的纯度均为≥99.90％；
步骤3中，纯铜铝带厚度0.3mm，宽度7mm；
步骤3中，药芯焊丝填充量控制在20～25wt％。
大厚度铝-钢复合板熔焊对接坡口形式如图2所示：复合板开不对称X型坡口，其中钢侧坡口角度为65°，铝侧坡口角度为75°，钝边尺寸为2.1mm，钝边完全开在钢一侧。
采用实施案例5提供的激光熔覆粉末和铝基焊丝，并配合上述坡口形式进行大厚度铝-钢复合板熔焊对接，焊接方法如图3所示：
(1)将大厚度铝-钢复合板开上述的坡口形式，对接试板设置间隙为0.55mm。
(2)进行钢层的焊接，焊接采用MAG焊(焊接电流180-220A)，焊接材料为ER50-6焊丝，焊丝直径为1.2mm。
(3)将试板翻转，打磨钢侧背面焊缝，使其与铝侧坡口底部齐平。
(4)采用激光熔覆用粉末在上述坡口上进行激光熔覆，得到激光熔覆层，设置激光熔覆功率为3～6kW，激光光斑直径1～3mm，送粉速度80～100g/min，熔覆层搭接率60～85％；保护气选用氩气，熔覆线速度40～60m/min。
(5)在激光熔覆层上进行铝基药芯焊丝焊接，选择CMT电弧进行MIG焊(焊接电流120-150A)，采用单层多道焊接方式。
(6)最后采用ER4043焊丝完成铝侧的填充和盖面焊接，选择CMT电弧进行MIG焊(焊接电流150-200A)，采用多层多道焊接方式。
经测试，大厚度铝-钢复合板对接接头的抗拉强度为330MPa，延伸率为20％。
Claims (8)
1.大厚度铝-钢复合板熔焊用材料，其特征在于，包括激光熔覆粉末和铝基药芯焊丝：
激光熔覆用粉末按质量百分比包括如下成分：Ni粉10～20％，Cr粉5～10％，Cu粉5～10％，Mg粉5～10％，Mn粉5～10％，Si粉5～10％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％；
所述铝基药芯焊丝包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Mg粉20～30％，Zn粉20～30％，Cu粉5～10％，Ti粉5～10％，B粉5～10％，Re粉1～3％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的大厚度铝-钢复合板熔焊用材料，其特征在于，所述激光熔覆用粉末各原料组分的纯度均≥99％。
3.根据权利要求1所述的大厚度铝-钢复合板熔焊用材料，其特征在于，所述铝基药芯焊丝各原料组分的粒度均为200-300目，粉末的纯度均为≥99.90％。
4.大厚度铝-钢复合板熔焊用材料的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆用粉末的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Ni粉10～20％，Cr粉5～10％，Cu粉5～10％，Mg粉5～10％，Mn粉5～10％，Si粉5～10％，其余为Al粉，以上各组分重量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1各原料合金粉末混合后真空熔炼，采用气雾化方法制粉；
步骤3：对雾化后的合金粉末进行粒度筛分，使筛分后的合金粉末在一定的粒度范围内；
步骤4：对制备的粉末进行真空包装，待用；
所述铝基药芯焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉：Mg粉20～30％，Zn粉20～30％，Cu粉5～10％，Ti粉5～10％，B粉5～10％，Re粉1～3％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150～180℃，保温时间为1～4h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为1～3h；
步骤3：采用纯铝带为焊皮，采用酒精去除纯铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯铝带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
5.根据权利要求4所述的大厚度铝-钢复合板熔焊用材料的制备方法，其特征在于，激光熔覆用粉末的制备方法中：
步骤1中，各原料组分粉末的纯度均≥99％；
步骤2中，采用真空熔炼设备，以N2作为雾化气体，雾化压力为4～6MPa，雾化过程保持熔体的过热度在100～150℃之间；
步骤3中，筛分后的合金粉末的粒度范围为25～53μm，即270～500目。筛分后的合金粉末的流动性要求为25～40s/100g。
6.根据权利要求4所述的大厚度铝-钢复合板熔焊用材料的制备方法，其特征在于，铝基药芯焊丝的制备方法中：
步骤1中，称取的各个药粉的粒度均为200-300目；
步骤1中，粉末的纯度均为≥99.90％；
步骤3中，纯铜铝带厚度0.3mm，宽度7mm；
步骤3中，药芯焊丝填充量控制在20～25wt％。
7.大厚度铝-钢复合板熔焊对接焊接方法，其特征在于，具体方法如下：
(1)将大厚度铝-钢复合板开不对称X型坡口形式，对接试板设置间隙为0.5～1mm；
(2)进行钢层的焊接，焊接采用MAG焊，焊接电流180-220A，焊接材料为ER50-6焊丝，焊丝直径为1.2mm；
(3)将试板翻转，打磨钢侧背面焊缝，使其与铝侧坡口底部齐平；
(4)采用激光熔覆用粉末在上述坡口上进行激光熔覆，得到激光熔覆层，得到激光熔覆层，设置激光熔覆功率为3～6kW，激光光斑直径1～3mm，送粉速度80～100g/min，熔覆层搭接率60～85％；保护气选用氩气，熔覆线速度40～60m/min；
(5)在激光熔覆层上进行铝基药芯焊丝焊接，选择CMT电弧进行MIG焊，焊接电流120-150A，采用单层多道焊接方式；
(6)最后采用ER4043焊丝完成铝侧的填充和盖面焊接，选择CMT电弧进行MIG焊，焊接电流150-200A，采用多层多道焊接方式。
8.根据权利要求7所述的大厚度铝-钢复合板熔焊对接焊接方法，其特征在于，其特征在于，步骤(1)中，大厚度铝-钢复合板开不对称X型坡口的具体参数为：钢侧坡口角度为60±5°，铝侧坡口角度为70±5°，钝边尺寸为2～3mm，钝边完全开在钢一侧。
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