WO2020037522A1 - 一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法 - Google Patents

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胡增荣
王晓南
陈�峰
余秋香
陈夏明
环鹏程
陈长军
齐霄楠
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苏州大学张家港工业技术研究院
苏州大学
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K33/00—Specially-profiled edge portions of workpieces for making soldering or welding connections; Filling the seams formed thereby
    • B23K33/004—Filling of continuous seams

Definitions

  • Step (1) Take a certain amount of nickel powder and graphene powder according to the mass ratio, perform ball milling and mixing, and obtain a nickel / graphene mixed powder after mixing uniformly;
  • Step (2) Put the uniformly mixed nickel / graphene mixed powder in a mold for a press, and press into a nickel / graphene block blank, and then prepare the nickel / graphene composite by vacuum sintering. material;
  • Step (3) rolling the nickel / graphene composite material into a nickel / graphene composite foil with a certain thickness

Abstract

一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法，包括以下步骤：(1)：按质量比例取一定量的镍粉和石墨烯粉，进行球磨混合，混合均匀后得到镍/石墨烯混合粉；(2)：将混合均匀的镍/石墨烯混合粉放在压机用模具中，压成镍/石墨烯块体坯料，将压制好的坯料通过真空烧结的方式制备出镍/石墨烯复合材料；(3)：将镍/石墨烯复合材料轧制成一定厚度的镍/石墨烯复合箔材；(4)：按待焊接板材的厚度选取相同厚度的镍/石墨烯复合箔材并将其裁切成所需的焊接尺寸，然后夹紧在处理干净待焊接的钢材和铝合金之间；(5)：对钢材和铝合金进行焊接，得到石墨烯增强的钢铝异种材料焊缝。

Description

一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法 技术领域
本发明涉及一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法。
背景技术
当前，汽车产业发展迅速。我国鼓励建设资源节约型、环境友好型的社会。所以汽车企业及消费者对车辆燃油消耗都非常关注。减低能耗的一个有效途径就是降低车身质量，一方面节能；另一方面是提升汽车的能动性，运载能力。所以各个整车厂都高度重视轻量化工作。其最有效的手段是选用轻量化材料。目前主要是以铝合金为主。铝的密度约为2.7×10 3kg/m 3，仅是钢的1/3，因此用铝及铝合金制造汽车零部件具有明显的减重节能效果。但鉴于经济性和安全性的综合考虑，目前新能源汽车常采用的是钢铝混合车身。这样在未来汽车行业的发展中就会出现大量钢铝异种材料焊接的需求。
然而，由于钢与铝的物理化学性能差异较大，导致钢/铝焊接接头极易在界面处生成脆性的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。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够提高焊接接头强度和韧性的石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法。
本发明提出的一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法，包括以下步骤：
步骤(1)：按质量比例取一定量的镍粉和石墨烯粉，进行球磨混合，混合均匀后得到镍/石墨烯混合粉；
步骤(2)：将混合均匀的镍/石墨烯混合粉放在压机用模具中，压成镍/石墨烯块体坯料，将压制好的坯料通过真空烧结的方式制备出镍/石墨烯复合材料；
步骤(3)：将镍/石墨烯复合材料轧制成一定厚度的镍/石墨烯复合箔材；
步骤(4)：按待焊接板材的厚度选取相同厚度的镍/石墨烯复合箔材并将其裁切成所需的焊接尺寸，然后夹紧在处理干净待焊接的钢材和铝合金之间；
步骤(5)：对钢材和铝合金进行焊接，得到石墨烯增强的钢铝异种材料焊缝。
进一步的，步骤(1)中镍粉和石墨烯粉的质量比例为9.5:0.5～9:1。
进一步的，步骤(1)中球磨方式为行星球磨，球磨为速度100-350r/min，球磨时间为2小时，采用不锈钢球磨罐和不锈钢钢球，钢球与粉末的重量比是5:1，钢球的直径为8mm、5mm或3mm。
进一步的，步骤(2)中压机将的镍/石墨烯混合粉压成块体的压强为500MPa。
进一步的，步骤(2)中真空烧结的方式为：将镍/石墨烯块体坯料放入真空炉，抽真空，在2小时均匀升温到1050℃，然后保温2小时，然后在2小时均匀降低到室温。
进一步的，步骤(3)中镍/石墨烯复合箔材的厚度为0.5～3mm。
进一步的，步骤(4)中镍/石墨烯复合箔材裁切尺寸按对接焊接的面积或搭接焊接的面积进行裁切。
进一步的，步骤(5)中钢材和铝合金的处理方式是：在焊接前对焊接处进行去毛刺和平整处理。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：该石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的方法，能够提高钢铝异种焊接接头的强度和韧性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明中镍/石墨烯复合材料的XRD图谱；
图2为本发明中镍/石墨烯复合材料的Raman光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例：一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法，包括如下步骤：
步骤(1)：按9:1的质量比例取镍粉和石墨烯粉共500g。镍粉，平均颗粒直径小于1μm，多层石墨烯纳米片，其平均尺寸小于2μm。将镍粉和石墨烯粉末混合后进行行星球磨，球磨为速度300r/min，球磨时间为2小时，采用不锈钢球磨罐和不锈钢钢球，钢球与粉末的重量比是5:1，钢球的直径为8mm、5mm或3mm，球磨过程不使用保护气体。
步骤(2)：球磨后的混合粉料，放在压机上用模具以500MPa压强，压成200mm×100mm×5mm的块体，随后将压制好的块体坯料放到刚玉坩埚内，然后放入真空炉进行真空烧结，真空烧结的方式为：抽真空，在2小时均匀升温到1050℃，然后保温2小时，然后在2小时均匀降低到室温。
步骤(3)：将烧结好的块状镍/石墨烯材料进行轧制得到0.5mm、1mm、2mm、3mm等不同规格的箔材。
步骤(4)：选用2.5mm厚DP590和AA6061铝合金，丙酮去油污；并在待焊接处进行去毛刺和平整处理，在处理干净的AA6061铝合金和钢材的堆焊接头间夹1mm的镍/石墨烯箔材，如采用搭接焊接，则在铝合金表面铺设厚度为的1mm的镍/石墨烯箔材；按对接焊接的面积或搭接焊接的面积进行裁切相应尺寸的镍/石墨烯箔材，将钢板和铝合金置于工作台上，并用专用的焊接夹具使两块待焊接的板材夹紧镍/石墨烯箔材。
步骤(5)：采用激光、电弧或摩擦搅拌焊等方式进行焊接，得到石墨烯增强的钢铝异种材料焊缝。
该技术的主要技术原理如下：实际上，对于钢/铝异种焊接而言，能否获得高质量的焊接接头，一是需要抑制Fe-Al冶金反应，减少或抑制界面处脆性的Fe-Al金属间化合物的析出；二是，形成高强度的合金焊缝过渡层。对于第一点从材料学的基本原理出发，只需要加入一种元素能够抑制Fe-Al冶金反应的发生即可。从Fe-Al相图和Ni-Al相图上来看，Ni-Al冶金反应开始温度(1680℃)明显高于Fe-Al冶金反应(1500℃)，从冶金反应角度而言，Ni-Al冶金反应优先于Fe-Al冶金反应发生，能够阻碍Fe-Al冶金反应的发生，降低钢/铝激光焊接头界面处Fe-Al金属间化合物层的厚度。另一方面，加入Ni后焊缝中不可避免的生成Fe-Ni 及Ni-Al金属间化合物，再适当添加其他材料以提高Fe-Ni及Ni-Al金属间化合物的韧性，进一步提高焊接接头的强度。因此，如果在焊接过程中在铝合金表面添加上述材料，并保证其均匀性，即可实现上述设计。对于第二点，本发明的设计是，用解决第一点问题的Ni作为基体材料，然后添加石墨烯，先期制备石墨烯增强镍基纳米复合材料。然后将所制备的镍/石墨烯纳米复合材料轧制成一定厚度的箔材，作为钢铝异种焊接的添加层过渡材料。焊接后得到石墨烯增强的钢铝异种材料焊缝。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

  1. 一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
    步骤(1)：按质量比例取一定量的镍粉和石墨烯粉，进行球磨混合，混合均匀后得到镍/石墨烯混合粉；
    步骤(2)：将混合均匀的镍/石墨烯混合粉放在压机用模具中，压成镍/石墨烯块体坯料，将压制好的坯料通过真空烧结的方式制备出镍/石墨烯复合材料；
    步骤(3)：将镍/石墨烯复合材料轧制成一定厚度的镍/石墨烯复合箔材；
    步骤(4)：按待焊接板材的厚度选取相同厚度的镍/石墨烯复合箔材并将其裁切成所需的焊接尺寸，然后夹紧在处理干净待焊接的钢材和铝合金之间；
    步骤(5)：对钢材和铝合金进行焊接，得到石墨烯增强的钢铝异种材料焊缝。
  2. 根据权利要求1所述的一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法，其特征在于：步骤(1)中镍粉和石墨烯粉的质量比例为9.5:0.5～9:1。
  3. 根据权利要求1所述的一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法，其特征在于：步骤(1)中球磨方式为行星球磨，球磨为速度100-350r/min，球磨时间为2小时，采用不锈钢球磨罐和不锈钢钢球，钢球与粉末的重量比是5:1，钢球的直径为8mm、5mm或3mm。
  4. 根据权利要求1所述的一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法，其特征在于：步骤(2)中压机将的镍/石墨烯混合粉压成块体的压强为500MPa。
  5. 根据权利要求1所述的一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法，其特征在于：步骤(2)中真空烧结的方式为：将镍/石墨烯块体坯料放入真空炉，抽真空，在2小时均匀升温到1050℃，然后保温2小时，然后在2小时均匀降低到室温。
  6. 根据权利要求1所述的一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法，其特征在于：步骤(3)中镍/石墨烯复合箔材的厚度为0.5～3mm。
  7. 根据权利要求1所述的一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法，其特征在于：步骤(4)中镍/石墨烯复合箔材裁切尺寸按对接焊接的面积或搭接焊接的面积进行裁切。
  8. 根据权利要求1所述的一种石墨烯强化钢铝异种材料焊缝的焊接方法，其特征在于：步骤(5)中钢材和铝合金的处理方式是：在焊接前对焊接处进行去毛刺和平整处理。
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