專利名稱：一種鋁鋼異種材料連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種操作簡單、焊接效果好、基于冷金屬過渡電弧快速制造的鋁鋼異種材料連接方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，為了滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度、輕量化、耐腐蝕等需求，鋁鋼異種材料連接已廣泛的應(yīng)用于汽車制造、機(jī)械零部件、建筑結(jié)構(gòu)材料、航天航空等領(lǐng)域當(dāng)中。但是當(dāng)鋁-鋼材料進(jìn)行焊接時(shí)，在界面處極易生成脆性的金屬間化合物，會(huì)極大的降低接頭的連接強(qiáng)度；液態(tài)鋁在鋼側(cè)的潤濕性不好，會(huì)影響鋁在鋼層表面的鋪展，降低了焊接過程的穩(wěn)定性，使得焊縫成形不良；此外，鋁鋼熱漲系數(shù)等物化性質(zhì)的差異，也會(huì)使得焊接接頭在極端工作條件下發(fā)生失效。目前實(shí)現(xiàn)鋁鋼 連接的主要途徑主要有以下幾種，其一是通過添加釬劑、釬料或合金成分等，使得焊接時(shí)在鋁鋼界面間產(chǎn)生過渡層，減少鋁鋼脆性化合物的生成，從而實(shí)現(xiàn)鋁鋼接頭的焊接，如MIG熔釬焊，釬焊，藥芯焊絲焊，電阻點(diǎn)焊、激光填粉熔釬焊等，但是此類方法存在焊接成本較高，接頭性能不穩(wěn)定等問題；其二是依靠熱軋，冷壓等方法，使得鋁鋼在熱、力作用下在界面處實(shí)現(xiàn)結(jié)合，如熱軋焊等，該方法生產(chǎn)成本低，但鋁鋼界面處容易有夾雜物存在，降低鋁鋼界面的結(jié)合，服役壽命較短；其三是采用機(jī)械連接的方法，依靠鉚釘，螺栓等實(shí)現(xiàn)鋁鋼之間的連接，但此方法存在密封性差，可靠性不高等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為解決現(xiàn)有方法中存在的問題，采用添加合金夾層與機(jī)械鑲嵌相結(jié)合的辦法，提供一種連接可靠、連接強(qiáng)度高、通過冷金屬過渡電弧快速制造的鋁鋼異種材料連接方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是。一種鋁鋼異種材料連接方法，其特征在于采用添加合金夾層與機(jī)械鑲嵌相結(jié)合實(shí)現(xiàn)鋁、鋼異種材料間的連接，包含以下步驟:
步驟一、將待焊接件的接觸表面及周圍30毫米范圍內(nèi)采用機(jī)械方式進(jìn)行清理，如采用電動(dòng)鋼絲刷、砂布等；
步驟二、采用有機(jī)溶劑或清洗劑，對機(jī)械清理后的表面進(jìn)行細(xì)致的擦拭，清除殘余的有機(jī)物或金屬粉塵，有機(jī)溶劑或清洗劑為丙酮、酒精等；
步驟三、采用鋼焊絲，在鋼材件接觸表面堆有均勻分布的鋼制立柱，鋼制立柱的直徑r為l-3mm，高度h為5_10mm，鋼制立柱在鋼材件接觸表面上成方陣分布，鋼制立柱之間的距離為3-20mm，鋼制立柱是由如下方式制得，當(dāng)焊絲端部熔滴接觸鋼材件接觸表面時(shí)，增大焊接電流，停留0.5-ls后，垂直向后抽絲，由于焊絲端部電阻熱的存在，焊絲受熱被拉斷形成鋼制立柱，操作全程中采用氬氣保護(hù)；
步驟四、采用鎳基合金焊絲在鋼材件接觸面上熔敷鎳基合金金屬層，根據(jù)鋼制立柱的高度和每層鎳基合金金屬層的高度選取鎳基合金金屬層的層數(shù)，每層鎳基合金金屬層的厚度t為3-5_，鎳基合金金屬層整體高度H為9-15_ ；
步驟五、采用鎳基合金焊絲，在鎳基合金層表面堆有均勻分布的鎳基合金立柱，鎳基合金立柱的直徑r為l-3mm，高度h為5_10mm，鎳基合金立柱在鎳基合金層表面上成方陣分布，鎳基合金立柱間的距離為3-20mm，鎳基合金立柱是由如下方式制得，當(dāng)焊絲端部熔滴接觸鋼材件接觸表面時(shí)，增大焊接電流，停留0.5-ls后，垂直向后抽絲，由于焊絲端部電阻熱的存在，焊絲受熱被拉斷形成鎳基合金立柱，操作全程中采用氬氣保護(hù)；
步驟六、采用鋁焊絲在鎳基合金表面堆敷一層鋁層，每層鋁層厚度為3-5mm，鋁層整體高度H為9-15mm，最終實(shí)現(xiàn)鋼-鎳-鋁夾層式接頭。步驟七、對鋁鋼接頭進(jìn)行進(jìn)一步的機(jī)械加工，如切削、打磨等成型方法，最終實(shí)現(xiàn)鋼-鎳-鋁夾層式接頭。本發(fā)明采用的CMT電弧焊復(fù)合熱源焊接技術(shù)，可以將送絲與焊接過程直接地連接起來，并實(shí)現(xiàn)無電流狀態(tài)下的熔滴過渡，具有焊接熱輸入低，無飛濺過渡等優(yōu)點(diǎn)，特別在增量制造領(lǐng)域，生產(chǎn)效率高，且對大型工件的生產(chǎn)成本要遠(yuǎn)低于激光束和電子束。本發(fā)明所述的待焊接件可以是板狀件，也可以是管狀件。本發(fā)明針對鋼和鎳的結(jié)合能力要遠(yuǎn)高于鋼和鋁，而鎳鋁之間的結(jié)合又優(yōu)于鋼和鋁，因此采用鎳合金作為鋼-鋁接頭的過渡夾層，可以完全抑制鋁鋼之間脆性金屬間化合物的生成，提高接頭的連接強(qiáng)度，同時(shí)，由于層間立柱的存在，因此可以實(shí)現(xiàn)層與層之間的鑲嵌式連接，從而進(jìn)一步增加接頭連接的牢固性，此外，在溫差較大等極端工作環(huán)境下，層間金屬立柱還可以阻礙金屬結(jié)合層間的熱脹冷縮行為，并將其中的力的作用均勻的分擔(dān)在每個(gè)金屬柱的側(cè)向截面上，因此很好地抑制因鋼、鎳、鋁熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的接頭連接失效，特別是在緩解管 道接頭中徑向方向的漲縮行為時(shí)尤為明顯。


圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中鋼材件的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。如圖所示，一種鋁鋼異種材料連接方法，通過CMT電源和數(shù)控編程，實(shí)現(xiàn)鋼、鎳、鋁三種焊絲按特定行走路徑的堆敷，最終制得由鋼材件1、鎳基合金金屬層2和鋁材件3構(gòu)成的鋁鋼過渡接頭，鋁材件3可以是純鋁材料或鋁合金材料，鋼材件I包括碳含量小于0.25%的非合金鋼或奧氏體不銹鋼或馬氏體不銹鋼或雙相不銹鋼，包括以下步驟:
步驟一、將待焊接件的接觸表面及周圍30毫米范圍內(nèi)采用機(jī)械方式進(jìn)行清理，如采用電動(dòng)鋼絲刷、砂布等，所述的待焊接件可以是板狀件，也可以是管狀件，
步驟二、采用有機(jī)溶劑或清洗劑，對機(jī)械清理后的表面進(jìn)行細(xì)致的擦拭，清除殘余的有機(jī)物或金屬粉塵，機(jī)溶劑或清洗劑為丙酮、酒精等；
步驟三、采用的CMT電弧焊復(fù)合熱源焊接技術(shù)，在鋼材件I接觸表面堆有均勻分布的鋼制立柱4，鋼制立柱4的直徑r為l-3mm，高度h為5_10mm，鋼制立柱4在鋼材件I接觸表面上成方陣分布，鋼制立柱4之間的距離為3-20mm，鋼制立柱4是由如下方式制得，當(dāng)焊絲端部熔滴接觸鋼材件接觸表面時(shí)，增大焊接電流，停留0.5-ls后，垂直向后抽絲，由于焊絲端部電阻熱的存在，焊絲受熱被拉斷形成鋼制立柱，操作全程中采用氬氣保護(hù)；
步驟四、采用鎳基合金焊絲在鋼材件接觸面上熔敷鎳基合金金屬層2，根據(jù)鋼制立柱4的高度和每層鎳基合金金屬層2的高度選取鎳基合金金屬層的層數(shù),每層鎳基合金金屬層的厚度t為3-5_，鎳基合金金屬層整體高度H為9-15_ ；
步驟五、采用鎳基合金焊絲，在鎳基合金層表面2堆有均勻分布的鎳基合金立柱5，鎳基合金立柱5的直徑r為l-3mm，高度h為5_10mm，鎳基合金立柱5在鎳基合金層2表面上成方陣分布，鎳基合金立柱5間的距離為3-20mm，鎳基合金立柱5是由如下方式制得，當(dāng)焊絲端部熔滴接觸鋼材件接觸表面時(shí)，增大焊接電流，停留0.5-ls后，垂直向后抽絲，由于焊絲端部電阻熱的存在，焊絲受熱被拉斷形成鎳基合金立柱5，操作全程中采用氬氣保護(hù)；步驟六、采用鋁焊絲在鎳基合金表面2堆敷一層鋁層3，每層鋁層厚度為3-5mm，鋁層整體高度H為9-15mm，最終實(shí)現(xiàn)鋼-鎳-鋁夾層式接頭。步驟七、對鋁鋼接頭進(jìn)行進(jìn)一步的機(jī)械加工，如切削、打磨等成型方法，最終實(shí)現(xiàn)鋼-鎳-鋁夾層式接頭。本發(fā)明可以采用的CMT電弧焊復(fù)合熱源焊接技術(shù)，將送絲與焊接過程直接地連接起來，并實(shí)現(xiàn)無電流狀態(tài)下的熔滴過渡，具有焊接熱輸入低，無飛濺過渡等優(yōu)點(diǎn)，特別在增量制造領(lǐng)域，生產(chǎn)效率高，且對大型工件的生產(chǎn)成本要遠(yuǎn)低于激光束和電子束。本發(fā)明針對鋼和鎳的結(jié)合能力要遠(yuǎn)高于鋼和鋁，而鎳鋁之間的結(jié)合又優(yōu)于鋼和鋁，因此采用鎳合金作為鋼-鋁接頭的過渡夾層，可以完全抑制鋁鋼之間脆性金屬間化合物的生成，提高接頭的連接強(qiáng)度，同時(shí)，由于層間立柱的存在，因此可以實(shí)現(xiàn)層與層之間的鑲嵌式連接，從而進(jìn)一步增加接頭連接的牢固性，此外，在溫差較大等極端工作環(huán)境下，層間金屬立柱還可以阻礙金屬結(jié)合層間的熱脹冷縮行為，并將其中的力的作用均勻的分擔(dān)在每個(gè)金屬柱的側(cè)向截面上，因此很好地抑制因鋼、鎳、鋁熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的接頭連接失效，特別是在緩解管道接頭中`徑向方向的漲縮行為時(shí)尤為明顯。
權(quán)利要求
1.一種鋁鋼異種材料連接方法，其特征在于采用添加合金夾層與機(jī)械鑲嵌相結(jié)合實(shí)現(xiàn)鋁、鋼異種材料間的連接，包含以下步驟: 步驟一、將待焊接件的接觸表面及周圍采用機(jī)械方式進(jìn)行清理； 步驟二、采用有機(jī)溶劑或清洗劑，對機(jī)械清理后的表面進(jìn)行細(xì)致的擦拭，清除殘余的有機(jī)物或金屬粉塵； 步驟三、采用鋼焊絲，在鋼材件接觸表面堆有均勻分布的鋼制立柱，鋼制立柱的直徑r為l-3mm，高度h為5_10mm，鋼制立柱在鋼材件接觸表面上成方陣分布，鋼制立柱之間的距離為3-20mm，鋼制立柱是由如下方式制得，當(dāng)焊絲端部熔滴接觸鋼材件接觸表面時(shí)，增大焊接電流，停留0.5-ls后，垂直向后抽絲，由于焊絲端部電阻熱的存在，焊絲受熱被拉斷形成鋼制立柱，操作全程中采用氬氣保護(hù)； 步驟四、采用鎳基合金焊絲在鋼材件接觸面上熔敷鎳基合金金屬層，根據(jù)鋼制立柱的高度和每層鎳基合金金屬層的高度選取鎳基合金金屬層的層數(shù)，每層鎳基合金金屬層的厚度t為3-5_，鎳基合金金屬層整體高度H為9-15_ ； 步驟五、采用鎳基合金焊絲，在鎳基合金層表面堆有均勻分布的鎳基合金立柱，鎳基合金立柱的直徑r為l-3mm，高度h為5_10mm，鎳基合金立柱在鎳基合金層表面上成方陣分布，鎳基合金立柱間的距離為3-20mm，鎳基合金立柱是由如下方式制得，當(dāng)焊絲端部熔滴接觸鋼材件接觸表面時(shí)，增大焊接電流，停留0.5-ls后，垂直向后抽絲，由于焊絲端部電阻熱的存在，焊絲受熱被拉斷形成鎳基合金立柱，操作全程中采用氬氣保護(hù)； 步驟六、采用鋁焊絲在鎳基合金表面堆敷一層鋁層，每層鋁層厚度為3-5mm，鋁層整體高度H為9-15mm，實(shí)現(xiàn)鋼-鎳-鋁夾層式接頭。
2.根據(jù)權(quán)利 要求1所述的一種鋁鋼異種材料連接方法，其特征在于上述是采用CMT電弧焊復(fù)合熱源焊接技術(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述 的一種鋁鋼異種材料連接方法，其特征在于待焊接件是板狀件或管狀件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁鋼異種材料連接方法，其特征在于鋁材件包括純鋁材料或鋁合金材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁鋼異種材料連接方法，其特征在于鋼材件包括碳含量小于0.25%的非合金鋼或奧氏體不銹鋼或馬氏體不銹鋼或雙相不銹鋼。
全文摘要
本發(fā)明公開一種新型的鋁鋼異種接頭連接方法，其特征在于采用添加合金夾層與機(jī)械鑲嵌相結(jié)合實(shí)現(xiàn)鋁、鋼異種材料間的連接，步驟為將待焊接件的接觸表面及周圍清理；采用有機(jī)溶劑或清洗劑擦拭；采用鋼焊絲在鋼材件接觸表面堆有均勻分布的鋼制立柱；采用鎳基合金焊絲在鋼材件接觸面上熔敷鎳基合金金屬層；采用鎳基合金焊絲在鎳基合金層表面堆有均勻分布的鎳基合金立柱；采用鋁焊絲在鎳基合金表面堆敷一層鋁層，對鋁鋼接頭進(jìn)行進(jìn)一步的機(jī)械加工成型，本發(fā)明克服了通常鋁鋼焊接時(shí)由鐵鋁金屬間化合物導(dǎo)致的連接接頭脆化，連接強(qiáng)度低等問題，還很好的解決了鋁鋼材料因熱漲系數(shù)差異過大而造成的接頭失效問題。
文檔編號B23K9/007GK103231203SQ20131017168
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月11日
發(fā)明者孫清潔, 劉一搏, 曹健, 馮吉才 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)