專利名稱：鐵類和鋁類材料接合成的異質(zhì)材料焊接接頭以及焊接方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及通過接合鐵類材料和鋁類材料形成的異質(zhì)材料焊接接頭以及焊接方法，該異質(zhì)材料焊接接頭適用于運(yùn)輸車輛如汽車和鐵路車輛；機(jī)器零件；結(jié)構(gòu)構(gòu)件如建筑構(gòu)造體等，當(dāng)制備汽車設(shè)備時(shí)尤其需要異質(zhì)材料焊接接頭。
如果可以接合包括鐵類材料(下面簡稱作“鋼材”)和鋁類材料(純鋁和鋁合金的總稱，下面簡稱作“鋁材”)的不同種類金屬的構(gòu)件(異質(zhì)材料接合)，則該接合顯然有助于重量減輕等。然而，當(dāng)鋼材與鋁材焊接時(shí)，在焊縫處可能形成脆性的金屬間化合物，因此它難于獲得具有高強(qiáng)度(接頭強(qiáng)度)的可靠焊接。因此，迄今為止在異質(zhì)材料(不同金屬的構(gòu)件)接合上，應(yīng)用使用螺釘、鉚釘?shù)鹊慕雍?，但是該接合在可靠性、氣密性、成本及其它方面都存在問題。
因此，迄今為止對異質(zhì)材料接合的接合方法進(jìn)行了很多研究。因而，提出了下面用于舉例的接合方法；接合異質(zhì)材料的方法，它通過真空軋制包覆進(jìn)行(參考專利文獻(xiàn)1)，縫焊異質(zhì)材料的方法，插入包括鐵類材料層和鋁合金材料層的兩層覆層材料，而所述鐵類材料層和鋁合金層是預(yù)先制備的(參考專利文獻(xiàn)2)，接合異質(zhì)材料的方法，它通過在高溫應(yīng)用氣壓粘結(jié)進(jìn)行(參考專利文獻(xiàn)3)，接合異質(zhì)材料的方法，它在異質(zhì)材料接合表面上預(yù)先插入Ti合金，然后進(jìn)行HIP處理(參考專利文獻(xiàn)4和5)，接合異質(zhì)材料的方法，它通過摩擦焊接進(jìn)行(參考專利文獻(xiàn)6)，接合異質(zhì)材料的方法，它使用鋁合金噴鍍在面對鋁的表面上的鋼材上或者插入預(yù)先制備的包括鋼層和鋁合金層的兩層包覆金屬，然后進(jìn)行電阻焊接(參考專利文獻(xiàn)7和8)，以及接合異質(zhì)材料的方法，它通過對鋼材和鋁材進(jìn)行電弧焊進(jìn)行(參考非專利文獻(xiàn)1和2)。
然而，上述現(xiàn)有技術(shù)具有如下問題。
如專利文獻(xiàn)1～8所描述的那樣，將鋼材和鋁材接合而形成異質(zhì)材料焊接接頭的方法通常為可應(yīng)用于具有較簡單形狀如平板的材料，但不能應(yīng)用于具有復(fù)雜形狀的構(gòu)件，這是由于構(gòu)件幾何形狀的限制的緣故。因此，這些方法只是適用于有限的應(yīng)用，因此它們在多功能性上較差。此外，另一個(gè)問題是因?yàn)橥ㄟ^這些方法焊縫會(huì)形成斑點(diǎn)形式(spotwise)，因此不能獲得連續(xù)伸展焊縫(continuously extending weld)。此外，另一個(gè)問題是因?yàn)檫@些方法需要復(fù)雜工藝，因此不能保證質(zhì)量的穩(wěn)定性，焊接招致的成本增加，因而這些方法都缺乏實(shí)用性。此外，還有另外一個(gè)問題是這些方法都不能應(yīng)用到現(xiàn)存的焊接線上，因此如果使用這些方法之一，就不得不引入新的裝置，由此會(huì)增加裝置成本。
相反，如果是通過上述的非專利文獻(xiàn)1和2所描述的電弧焊將鋼材和鋁材接合的方法，則可以通過控制作為阻礙確保強(qiáng)度的金屬間化合物發(fā)展的方向來確保高接頭強(qiáng)度。該方法是這樣的方法其中在要接合的鋼材側(cè)上預(yù)先形成孔，然后該孔用熔融鋁材料填充，由此接合鋼材和鋁材。
在接合鋼材和鋁材的情況下提出上述這樣各種方法的主要原因之一是當(dāng)鋼材和鋁材熔融并直接彼此接合時(shí)，在焊接處形成脆性的金屬間化合物，因而可能產(chǎn)生裂痕。根據(jù)這種理解，當(dāng)鋼材和鋁材直接焊接時(shí)(包括使用焊絲將鋼材和鋁材接合的情形)，采用下列方式中的任一種方式都變得非常重要；1)如何通過極大限度地抑制鋼材中的鐵和在鋁材中的鋁的熔融和混合來確保熔融金屬部分的延展性，2)如何避免在鋼材和鋁材之間的界面附近形成脆性的金屬間化合物層，或3)如何設(shè)計(jì)焊接接頭形狀，使得即使在鋼材和鋁材之間的接頭界面上形成脆性的金屬間化合物，該接頭形狀也不會(huì)阻礙其機(jī)械性能。
于是從該觀點(diǎn)考慮，本發(fā)明人進(jìn)行了各種研究，旨在建立能夠確保理想焊縫，同時(shí)又盡可能解決上面項(xiàng)目1)和2)所描述問題的接合方法。結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所采用的方法是通過MIG釬焊法將鋼材和鋁材直接接合時(shí)，可以獲得高可靠性的焊縫，同時(shí)又避免了在上述現(xiàn)有技術(shù)中指出的各種問題(參考專利文獻(xiàn)9)。
JP-A-94162/2000[專利文獻(xiàn)2]JP-A-197846/1999[專利文獻(xiàn)3]JP-A-185040/1998[專利文獻(xiàn)4]JP-A-198458/1994[專利文獻(xiàn)5]JP-A-8056/1993[專利文獻(xiàn)6]JP-A-141755/1996[專利文獻(xiàn)7]JP-A-39558/1994[專利文獻(xiàn)8]JP-A-63762/1994[專利文獻(xiàn)9]JP-A-33865/2003[非專利文獻(xiàn)1]WELDING JOURNAL，(1963)，302頁[非專利文獻(xiàn)2]Light Metal Welding16卷(1978)，12期，8頁發(fā)明內(nèi)容然而，上述非專利文獻(xiàn)1和2的問題在于當(dāng)大量孔與焊縫長度成比例循環(huán)形成并且連續(xù)施用電弧焊以沿著孔行形成焊接線時(shí)，在焊珠(bead)中出現(xiàn)裂紋，而且焊縫的疲勞強(qiáng)度降低。原因在于由于鋼材中的Fe類組分熔融并混入包括鋁焊接材料的焊珠中而導(dǎo)致在焊珠內(nèi)形成脆性金屬間化合物。同時(shí)，在上述專利文獻(xiàn)9中描述的MIG釬焊法對于應(yīng)用條件及其它的限制更少，而且當(dāng)鋼材和鋁材接合時(shí)，該方法有優(yōu)異的多功能性。然而，它確實(shí)發(fā)生了如下情況在鋼材和鋁材之間的接合界面上形成了諸如Fe/Al類化合物之類的脆性金屬間化合物，因此還有改善接頭強(qiáng)度的余地。
因此，本發(fā)明目的是進(jìn)一步改善如上述專利文獻(xiàn)9所述那樣通過用電弧焊的接合方法形成的接頭性能，這種改善使焊接工藝非常容易并且可以直線焊接；更具體而言本發(fā)明目的是建立使用電弧焊的接合方法，該接合方法使接頭在要穩(wěn)定形成的延展性上很優(yōu)異，同時(shí)確保該接頭具有高強(qiáng)度。
獲得上述目的的本發(fā)明異質(zhì)材料焊接接頭的主旨是通過將鐵類材料和鋁類材料接合而形成異質(zhì)材料焊接接頭，其中
在所述鐵類材料側(cè)，預(yù)先沿著焊接線以預(yù)定間隔形成孔隙；這些孔隙填充有熔融鋁焊接材料；將所述鐵類材料和鋁類材料兩者進(jìn)行焊接，以使形成包括所述鋁焊接材料的焊珠；以及(L-Al)與(L-Fe)的比(L-Al)/(L-Fe)的最小值為0.5～7，所述(L-Al)與(L-Fe)是在焊接之后形成的每100mm焊接線長度上的長度，其中(L-Al)是用來填充所述孔隙的所述鋁焊接材料沿著在縱截面上所述焊接線的長度，而該縱截面包含所述鋁焊接材料的所述焊接線；(L-Fe)是鄰接被填充孔隙的所述鐵類材料沿著縱截面上的所述焊接線的長度，而所述縱截面包含所述鐵類材料的所述焊接線。對于該焊接，優(yōu)選采用使用鋁焊絲的電弧焊方法。
優(yōu)選通過使用熔融鋁焊接材料填充孔隙而形成的焊縫下端部分融化在暴露于孔隙處的鋁類材料表面層中，焊縫上端部分熔化，而且上端部分與包括鋁焊接材料的焊珠接合并且在鐵類材料表面上形成；而且，當(dāng)鋁類材料的厚度定義為Ta，焊縫在鋁類材料的表面層中熔融的最大熔進(jìn)深度(maximum melt-in depth)定義為D，在焊接線上焊珠的平均厚度定義為Tb，而孔隙的圓形等效半徑定義為R時(shí)，則D/Ta值為不小于0.10，而Tb/R值為不小于0.50。
此外，根據(jù)本發(fā)明獲得上述目的的異質(zhì)材料焊接接頭的焊接方法是通過電弧焊將鐵類材料和鋁類材料接合形成異質(zhì)材料焊接接頭的方法，該異質(zhì)材料焊接接頭包括鐵類材料和鋁類材料，其中鐵類材料和鋁類材料通過電弧焊方法接合，并形成所述異質(zhì)材料焊接接頭，其中預(yù)先在所述鐵類材料側(cè)上沿著焊接線以預(yù)定間隔形成孔隙；放置在上面的所述鐵類材料和放置在下面的所述鋁類材料用鋁焊絲接合，同時(shí)所述孔隙用熔融鋁焊材料以形成包括所述鋁焊接材料的焊珠的方式填充；和所述鐵類和鋁類材料兩者都被焊接，以便(L-Al)與(L-Fe)的比(L-Al)/(L-Fe)的最小值為0.5～7，所述(L-Al)與(L-Fe)是在焊接之后形成的每100mm焊接線長度上的長度，其中(L-Al)是用來填充所述孔隙的所述鋁焊接材料沿著在縱截面上所述焊接線的長度，而該縱截面包含所述鋁焊接材料的所述焊接線；(L-Fe)是鄰接被填充孔隙的所述鐵類材料沿著縱截面上的所述焊接線的長度，而所述縱截面包含所述鐵類材料的所述焊接線。
此外，在上述焊接條件中，優(yōu)選當(dāng)電弧焊中的加熱輸入量Q(kj/cm)由下列表達(dá)式定義，而且鋁類材料的厚度定義為Ta(mm)，在交流電源的情況下，進(jìn)行焊接使得滿足表達(dá)式Ta/3.5≤Q≤Ta/1.4，或在直流電源情況下，進(jìn)行焊接使得滿足表達(dá)式Ta/1.5≤Q≤Ta/0.7；Q(kj/cm)＝60(s./min.)×焊接電流(A)×焊接電壓(V)/焊接速度(cm/min.)/1000通過以與上述非專利文獻(xiàn)1和2中指出的電弧焊接合鋼材和鋁材方法相同的方式，預(yù)先在要被接合的鋼材側(cè)上形成孔并用由焊接材料如鋁焊絲等供給的熔融鋁填充這些孔，可以控制阻礙確保接頭強(qiáng)度的金屬間化合物發(fā)展的方向。
在非專利文獻(xiàn)1和2的情況下，當(dāng)接合或接合線長度較長時(shí)，需要形成與長度成比例的多個(gè)孔。然而，如上所述，當(dāng)使用電弧焊形成沿著多個(gè)孔的排的焊接線時(shí)，在包括鋁焊接材料的焊珠中出現(xiàn)裂紋，當(dāng)然焊接接頭的疲勞強(qiáng)度降低。原因在于在焊珠內(nèi)形成脆性金屬間化合物，這是由于在鋼材中的Fe類組分熔融并混入到包括鋁焊接材料的焊珠中的緣故。
為處理該問題，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過將用于填充孔(孔隙)的鋁焊接材料的長度(寬度)與鄰接填充有鋁焊接材料的鐵類材料的長度(寬度)(沿著接合后形成的焊接線的長度)的比值控制在規(guī)定范圍內(nèi)，就可以最大限度地抑制鐵類材料熔融并混入到在表面上通過熔融并固化鋁焊接材料而形成的焊珠內(nèi)。由此有可能抑制脆性Fe-Al類金屬間化合物在焊珠內(nèi)形成，從而抑制焊珠表面的裂紋，而且即使當(dāng)接合的接合線較長時(shí)，也可以獲得高的接頭強(qiáng)度。
此外，當(dāng)通過在鐵類材料的孔隙中熔融并用焊接材料填充孔隙而形成的焊接接頭在鋁類材料中熔化的最大熔進(jìn)深度定義為D，在鐵類材料表面上通過熔融并接合到焊接接頭上而形成的焊珠的平均厚度定義為Tb，鋁類材料的厚度定義為Ta，而穿孔的圓形等效半徑定義為R時(shí)，通過控制D/Ta值為不小于0.10以及Tb/R值為不小于0.50，則焊珠表現(xiàn)出優(yōu)異的鉚接功能，并且還確保了優(yōu)異的接頭強(qiáng)度。
因此，本發(fā)明可以直接接合鐵類材料和鋁類材料，由于會(huì)形成脆性金屬間化合物，因此迄今為止這種直接接合認(rèn)為是難于實(shí)現(xiàn)的。由此，所形成的接合不會(huì)具有諸如裂紋之類的缺陷，并且可以獲得具有更高的接頭強(qiáng)度和延展性的理想焊接接頭。而且，通過采用本發(fā)明的接合方法，可以以有效方式連續(xù)接合鐵類材料和鋁類材料，而且易于形成接合。
本發(fā)明的其它和另外的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)都將從下面的描述中變得更充分。


圖1A(平面視圖)和圖1B(側(cè)視圖)示出根據(jù)本發(fā)明的異質(zhì)材料焊接接頭的實(shí)施方案。
圖2所示為本發(fā)明的異質(zhì)材料焊接接頭的焊接方法實(shí)施方案的正面圖。
圖3是在圖1A中呈現(xiàn)焊接線的實(shí)部的展開橫截面圖。
圖4A(平面視圖)和圖4B(側(cè)視圖)示出焊接前的狀態(tài)，其中鋼材和鋁材彼此放置在一起。
圖5所示為鋼材孔隙形狀的平面圖。
圖6所示為在實(shí)施例中所使用的搭接焊接測試的實(shí)施方案的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面具體解釋本發(fā)明的實(shí)施方案以及限制本發(fā)明這些要求的原因。
(異質(zhì)材料焊接接頭)圖1A(平面視圖)和圖1B(側(cè)視圖)示出本發(fā)明中規(guī)定的異質(zhì)材料焊接接頭的實(shí)施方案，在圖1A中，將上面的鋼材(鋼板)2放置在下面的鋁材(鋁合金板)3上并通過電弧焊沿著焊接線6將它們接合從而形成異質(zhì)材料焊接接頭1。標(biāo)記數(shù)字5是通過使由鋁焊絲等供給的鋁焊接材料熔融并固化而在焊接表面上形成的焊珠。此處，圖1A示出了除在上面形成的焊珠5之外的焊接結(jié)構(gòu)。標(biāo)記符號4a表示多個(gè)圓孔，該孔是預(yù)先在鋼材1的接合側(cè)沿著焊接線間隔形成的孔隙。標(biāo)記數(shù)字7是鋁焊接材料，它由鋁焊絲等供給，且通過在焊接時(shí)用其填充圓孔4a后熔融并固化而形成。
(P值)
在圖1A中，L-Al表示沿著鋁焊接材料的焊接線的長度(鋁焊接材料的寬度)，該長度是在本發(fā)明中規(guī)定，而且該長度通過使用鋁焊接材料填充圓孔4a并使其固化而接合后形成的。而且，L-Fe表示沿著鄰接孔(長度L-Al的孔)的鋼材焊接線的長度(相鄰圓孔4a之間的間隔)，該長度是本發(fā)明規(guī)定的。本發(fā)明規(guī)定，這兩種材料焊接，以使長度(L-Al)與長度(L-Fe)的比(L-Al)/(L-Fe)的最小值為0.5～7，長度(L-Al)與長度(L-Fe)是接合之后形成的每100mm焊接線6的長度上的長度(下面有時(shí)稱作“P值”)。例如，在圖1A中，在接合后形成的焊接線6的長度上每100mm范圍內(nèi)所獲得的四個(gè)數(shù)字作為長度(L-Al)，而所獲得的三個(gè)數(shù)字作為長度(L-Fe)。然后，從長度(L-Al)與鄰接長度(L-Fe)的比(L-Al)/(L-Fe)中確定最小值(P值)，并且控制該最小值P以使該值在上述的0.5～7的范圍。這里，用作單位長度100mm的焊接線6的部分任意從實(shí)際焊接線6中選擇。此外，焊接線6可以是直線或曲線。注意當(dāng)焊接線較長時(shí)(例如500mm或更長時(shí))，P值通過測定在用作焊接線上任意選取單位長度100mm的多個(gè)部分上測定P值并將這些P值進(jìn)行平均而確定的。如下面描述的實(shí)施例所示那樣，當(dāng)P值((L-Al)/(L-Fe)的最小值)偏離0.5～7的范圍時(shí)，熔融并混入主要由鋁構(gòu)成的焊珠中的鐵類材料的量過度增加。因此，脆性金屬間化合物大量形成，這樣導(dǎo)致了在焊珠(weld bead)中的裂紋。
超過7的P值表示圓孔4a的長度(鋼材的孔隙)和鋼材部分的長度(鋼材的非孔隙部分)彼此非常接近(圓孔4a與下一個(gè)圓孔4a之間的間隔太短)。在這種情況下，用于在焊接時(shí)將熔融鋁材料填充到圓孔4a(孔隙)的熱趨向于累積在鋼材部分(非孔隙部分)。因此，當(dāng)焊弧斑點(diǎn)移動(dòng)到鋼材部分(非孔隙部分)時(shí)，在鋼材部分(非孔隙部分)的熱較大，因而鐵趨向于熔化成形成焊珠的鋁熔融金屬。因此，大量形成金屬間化合物，并且焊珠可能破裂。相反，小于0.5的P值表示鋼材部分(鋼材的非孔隙部分)的長度比圓孔4a(鋼材的孔隙)的長度長(圓孔4a與相鄰的圓孔4a之間的間隔太長)。在這種情況下，當(dāng)焊弧穿過鋼材部分(非孔隙部分)時(shí)，隨后要被焊接的鋼材部分(非孔隙部分)的溫度隨著焊接過程而不利地升高。因此，出現(xiàn)與太大P值的情況下相同的現(xiàn)象，焊珠同樣破裂。
只要P值在本發(fā)明規(guī)定的范圍內(nèi)，就可以適當(dāng)?shù)仳?qū)散由電弧加熱鋼材部分(非孔隙部分)的熱。因此，該鋼材部分(非孔隙部分)可以防止被過分加熱。因此，可以防止發(fā)生焊珠破裂，并可以獲得不僅在強(qiáng)度和延展性上而且在疲勞強(qiáng)度上都很優(yōu)異的高性能焊接接頭。注意需要將所有下面描述的各種形狀的圓孔4a或孔隙都用鋁填充，否則就存在沒有填充鋁的孔隙部分可以作為應(yīng)力集中起源的可能性。為此，建議將所有的圓孔4a或孔隙都用焊接材料填充。
(異質(zhì)材料接合的焊接方法)圖2是示出本發(fā)明規(guī)定的異質(zhì)材料焊接接頭的焊接方法的實(shí)施方案的正視圖。圖2示出通過電弧焊方法形成異質(zhì)材料接合的方法。在圖2中，標(biāo)記數(shù)字11是焊接炬，而標(biāo)記數(shù)字10是鋁焊絲，進(jìn)行焊接，并且形成鋁焊珠5，同時(shí)焊接炬和鋁焊絲沿著在圖2中箭頭所示方向部分移動(dòng)(在圖2中從右側(cè)移動(dòng)到左側(cè))，該箭頭所示方向部分是通過將上面的鋼材(鋼板)2放置在下面的鋁材料(鋁合金板)3上而形成的。標(biāo)記符號4a表示多個(gè)圓孔，即孔隙，該圓孔是預(yù)先在鋼材2的接合側(cè)沿焊接線間隔形成。圖2所示狀態(tài)為其中在左側(cè)的兩個(gè)圓孔4a還沒有被鋁焊接材料填充；而在其右側(cè)形成的圓孔4a被鋁焊接材料7填充，該鋁焊接材料7是由鋁焊絲等供給，在焊接炬穿過圓孔4a時(shí)熔化并固化而形成的。
然后，在圖2中，鋼材2和鋁材3被焊接，以使P值在0.5～7的范圍，該P(yáng)值是在接合后形成的每100mm的焊接線6長度中長度(L-Al)與長度(L-Fe)的比值(L-Al)/(L-Fe)的最小值。為了使鋁焊接材料熔融并固化，而且用鋁焊接材料填充預(yù)先在鋼材2中形成的圓孔4a，需要使用鋁焊絲；將鋼材(鐵類材料)放置在上面，而將鋁材(鋁類材料)放置在下面；然后進(jìn)行電弧焊。當(dāng)上述需求中的任一種沒有滿足時(shí)，于是不可能使鋁焊接材料熔融并固化，并且不可能使用鋁焊接材料填充在鋼材2中形成的圓孔4a。
(鋁焊縫)如圖3所示，鋁焊縫7通過填充鋼材2的孔(孔隙)4而形成。鋁焊縫7的下端熔化，并以這樣的狀態(tài)接合其中鋁焊縫7熔化進(jìn)入暴露在孔4中的鋁材料3的表面層中，并且其中鋁焊縫7熔化進(jìn)入表層中的部分在從孔4的內(nèi)側(cè)下端圓周到孔4中心部分處的最大深度(熔融部分的最大熔進(jìn)深度定義為D)上形成。同時(shí)，鋁焊縫7的上端部分熔化進(jìn)入并且沿著焊接線接合到在鋼板2表面上形成的焊珠5中。從鋼板2的頂面到焊珠5的頂面的距離稱作焊珠的厚度，并且沿著焊接線6的平均厚度表述為Tb。焊珠5、鋁焊縫7和熔進(jìn)部分利用通過熔融焊絲而供給的鋁焊接材料而完整地形成。
在本發(fā)明中，當(dāng)鋁材料3的厚度定義為Ta時(shí)，優(yōu)選D/Ta的比不小于0.10。正如從下面描述的實(shí)施例中明顯看出的那樣，使用小于0.10的D/Ta比值，熔化在鋁材料3中的鋁焊接材料的量較小，鋁焊縫7趨于沿著熔進(jìn)部分的界面破裂，因此不能獲得充分的接頭強(qiáng)度。為此，D/Ta比值的下限優(yōu)選為0.10，或還優(yōu)選為0.40。在本發(fā)明中，優(yōu)選Tb/R的比值為不小于0.50。使用小于0.50的Tb/R比值，在焊珠5上出現(xiàn)破裂，而焊珠5和鋁焊縫7沒有起到鉚釘?shù)淖饔?。為此，Tb/R比值的下限優(yōu)選為0.50，或還優(yōu)選為0.70。注意當(dāng)熔進(jìn)部分增加時(shí)，熔融鋁焊接材料穿透鋁材料3，并且延伸到底面上，因此焊珠5并沒有形成。為此，特別需要調(diào)整D/Ta比值的上限，而且如果調(diào)節(jié)Tb/R的下限也是足夠的。
(鋼材的孔隙)圖4A(平面視圖)和圖4B(側(cè)視圖)示出其中鋼材2和鋁材3在進(jìn)行焊接之前，彼此放置在一起的狀態(tài)。如圖3所示，圓孔4a和鄰接圓孔4a之間的間隔L1確定作為P值構(gòu)成部分的長度(L-Fe)，所述那些孔是預(yù)先在鋼材2中形成的孔隙。同樣，每個(gè)圓孔4a的直徑(寬度)L2確定作為P值的另一個(gè)構(gòu)成部分的長度(L-Al)。然后，對鄰接兩個(gè)圓孔4a之間的間隔L1和每個(gè)圓孔4a的直徑(寬度)L2進(jìn)行設(shè)定，以使在根據(jù)接合和焊接條件焊接之后P值在0.5～7的范圍。
這里，在鋼板中形成的孔隙形狀并不是限制于這樣的圓孔4a(環(huán)形孔)，但可以從圓形、正方形、多邊形、不確定形狀以及上述形狀的組合中任意選擇，只要該形狀可以表現(xiàn)出本發(fā)明的效果并易于形成即可，上述形狀還包括圖5所示的橢圓形4b、梯形4c和三角形4d。注意，例如在具有類似于正方形拐角形狀的情況下，即使孔隙填充有熔融鋁，也存在拐角部分成為應(yīng)力集中部位的可能性，并且這樣會(huì)降低接頭強(qiáng)度及其疲勞強(qiáng)度。從該觀點(diǎn)看，需要不具有拐角部分并且?guī)缀醪粚?dǎo)致應(yīng)力集中的圓形、橢圓形等。
(焊接條件)如上所述，為了抑制金屬間化合物在鋁材和鋼材之間的界面上的形成，對于焊接條件，優(yōu)選對它們進(jìn)行焊接，以便可以使用最小需求量的熔融(稀釋)基材來確保理想的接合狀態(tài)，同時(shí)避免作為基材的鋼材過度熔融。這里，對于焊接方法，任何方法都可以采用，只要鋼材孔隙被填充并且鋁焊接材料可以供給形成焊珠，因此可以采用激光焊接等。因此，并沒有設(shè)定特殊的限制，但是從多功能性考慮，推薦使用電弧焊方法。
(在電弧焊的情況)在從多功能性考慮而推薦的電弧焊中，需要控制焊接電流，以使在焊接過程中不會(huì)過量。從這方面考慮，對于本發(fā)明性能所需要的電弧焊條件為如下。
為形成這樣的焊接接頭所需要的焊接條件為控制焊接電流、焊接電壓和焊接速度，以便當(dāng)在電弧焊中加熱輸入量Q(kj/cm)由下列表達(dá)式限定，并且鋁類材料的厚度限定為Ta(mm)時(shí)，進(jìn)行焊接，以使在交流電源的情況下滿足表達(dá)式Ta/3.5≤Q≤Ta/1.4，或在直流電源情況下滿足表達(dá)式Ta/1.5≤Q≤Ta/0.7；Q(kj/cm)＝60(s./min.)×焊接電流(A)×焊接電壓(V)/焊接速度(cm/min.)/1000正如從下面描述的實(shí)施例中可明顯看出的那樣，如果Q小于Ta/3.5(在交流電源的情況下)或小于Ta/1.5(在直流電源的情況下)，則進(jìn)入鋁材料的鋁焊縫的熔融是不充分的，相反，如果Q大于Ta/1.4(在交流電源的情況下)或大于Ta/0.7(在直流電源的情況下)，則進(jìn)入鋁材料的鋁焊縫熔融過度，而且在極端情況下，鋁焊縫穿透鋁材，因此不能確保需要的焊珠厚度。通過控制加熱輸入量在上述范圍，滿足D/Ta值不小于0.10和Tb/R值不小于0.50的條件，則鋁焊縫表現(xiàn)出優(yōu)異的固定功能，并且可以獲得優(yōu)異的接頭強(qiáng)度。
在滿足上述對于加熱輸入量規(guī)定的前提下，為本發(fā)明性能所需的電弧焊條件為如下條件。
焊接電流在交流電源的情況下，焊接電流不小于60A，優(yōu)選不小于70A并不大于100A，優(yōu)選不大于90A。另一方面，在直流電源的情況下，焊接電流不小于60A，優(yōu)選不小于70A并不大于140A，優(yōu)選不大于130A。
焊接電壓在交流電源的情況下，焊接電壓不小于10V，優(yōu)選不小于11V并不大于15V，優(yōu)選不大于14V。另一方面，在直流電源的情況下，焊接電壓不小于13V，優(yōu)選不小于14V并不大于19V，優(yōu)選不大于18V。
焊接速度在交流電源和直流電源的任一種情況下，焊接速度不小于20cm/min，優(yōu)選不小于30cm/min并不大于120cm/min，優(yōu)選不大于100cm/min。
保護(hù)氣可以任意使用包括Ar氣的通常使用的氣體。至于氣體流速，可以選擇通常使用的流速，并且沒有設(shè)定規(guī)定。
焊接炬(電弧焊炬)角對焊接炬(電弧焊炬)角沒有進(jìn)行規(guī)定，而且根據(jù)接合的焊接條件其可以任意選取角θ。
注意當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用電弧焊時(shí)，鋼材和鋁材可以直接接合，因此，只要合適選擇焊接電流、焊接電壓、接合的幾何形狀以及其它，就不用強(qiáng)加任何特殊的限制，就使可應(yīng)用范圍和多功能性擴(kuò)大，而且具有能夠連續(xù)接合的作用。因而如上所述，在諸如焊珠之類的焊接金屬中使用最少需要量的熔融(稀釋)鋼材可以確保理想接合狀態(tài)，幾乎不形成脆性金屬間化合物，可以獲得高的接頭強(qiáng)度。
(焊絲)
在電弧焊中使用的焊絲材料可以根據(jù)接合和焊接條件任意選擇，只要該材料是由能夠填充鋼材的孔隙并供給用于形成焊珠的鋁焊接材料構(gòu)成的即可。例如，可以使用迄今已知的Al-Si類金屬絲或Al-Mg類金屬絲。更具體而言，可以使用在JIS中規(guī)定的各種材料。例如，優(yōu)選使用作為Al-Si類金屬絲的有A4043-WY、A4047-WY等，或優(yōu)選使用作為Al-Mg類金屬絲的有A5554-WY、A5356-WY、A5183-WY等。然而，焊絲并沒有限制于那些材料。
(鐵類材料)在本發(fā)明權(quán)利要求書中所引用的鐵類材料表示普通鋼、高強(qiáng)度鋼等的鋼材。在本發(fā)明中，用于接合的鋼材種類或形狀并沒有特別限制，可以使用具有任意形狀的材料如鋼板、形狀、鋼管等，該材料通常用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件或在應(yīng)用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基礎(chǔ)上選擇。而且，也可以使用通過對鋼板進(jìn)行熱浸鍍鋅所制備的熱浸鍍鋅鋼板。在上下文中，術(shù)語“鐵類材料”在本發(fā)明的權(quán)利要求書中使用。此處，為了確保接合和鋼材的強(qiáng)度，優(yōu)選使用高強(qiáng)度鋼。
(鋁類材料)在本發(fā)明的權(quán)利要求書中引用的鋁類材料表示諸如純鋁類材料或鋁合金類材料之類的鋁材料。在本發(fā)明中所使用鋁材的合金種類和形狀并沒有特別的限制，可以根據(jù)作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件所需要的性質(zhì)任意地選擇通常使用的板材、型材、鍛造材料、澆鑄材料等。在上下文中，術(shù)語“鋁類材料”在本發(fā)明的權(quán)利要求書中使用。
下面，在實(shí)施例的基礎(chǔ)上更具體地解釋本發(fā)明。當(dāng)然，本發(fā)明并沒有限制于下面所提到的實(shí)施例，而是可以接受任意的改進(jìn)，只要該改進(jìn)與本發(fā)明的上述或下面提到的主旨相一致即可，而且那些改進(jìn)構(gòu)包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。

(實(shí)施例1)本發(fā)明人將其中根據(jù)本發(fā)明形成孔隙(孔)的鋼板(從低碳鋼薄板SPCE到高達(dá)980MPa的高強(qiáng)度鋼板)放置在鋁合金板(A5182)上，使用各種鋁焊絲將它們進(jìn)行搭焊測試，由此制備出異質(zhì)材料焊接接頭，然后對該異質(zhì)材料焊接接頭進(jìn)行評價(jià)。
在表1中，所示為在本焊接測試中所使用的鋼板和鋁合金板的條件(等級和厚度)、焊絲條件(等級)、焊接條件(電流、電壓和焊接速度)、孔隙條件(形狀和參數(shù)P值)、評價(jià)結(jié)果(焊珠破裂的存在以及接合的張力強(qiáng)度和伸長率)及其它。此處，對所有的焊接都使用交流電源。然后，為了便于評價(jià)本發(fā)明的測試，采用圓形作為在所有鐵類材料中形成的孔隙形狀，并且該孔隙直徑用作大小參數(shù)。
鋁合金鋼板和鋼板彼此放置在一起，以便如圖5的截面圖所示那樣，鋼板測試片2放置在上面，而鋁合金板測試片3放置在下面，形成搭接。鋼板和鋁合金板的測試片平面的大小為100mm×300mm，它們在300mm長的面上彼此疊置，并且對整個(gè)長度(據(jù)此，焊接線長度為300mm)進(jìn)行MIG焊接。使用直徑為1.2mm的鋁焊絲10。使用Ar氣(流速為20～25l./min.)作為保護(hù)氣。焊接炬(電弧焊炬)11的角θ固定為80°。
焊接(接合)之后，根據(jù)下列標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)焊珠5中裂紋的存在情況，而且用于評價(jià)接頭強(qiáng)度的30mm板寬的測試片也從焊接接頭中切出，并在25mm/min的速度進(jìn)行張力測試，然后，在下列表達(dá)式的基礎(chǔ)上評價(jià)接合(接頭)的強(qiáng)度(以MPa為單位)；接頭強(qiáng)度(MPa)＝最大點(diǎn)負(fù)荷(MPa)/接頭截面積(mm)。這里，接頭截面積由鋁合金板在板厚度方向的截面積確定。
焊縫裂紋的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)通過由肉眼檢查和滲透測試來檢查在焊接接頭上裂紋存在的情況，從而對焊縫裂紋作出評價(jià)；◎根本不存在裂紋，○每100mm焊接長度的裂紋數(shù)不大于2，×每100mm焊接長度的裂紋數(shù)不小于3。
從表1明顯看出，在本發(fā)明實(shí)施例5～14的情況下，焊接條件參數(shù)P值在0.5～7的范圍，并且可以穩(wěn)定獲得120MPa或更大的高接頭強(qiáng)度。此外，在那些實(shí)施例中，生長率不小于4％，而且接頭的延展性也較高?？傊?，在本發(fā)明實(shí)施例5～14的情況下，可獲得理想的焊接，該焊接不僅具有高強(qiáng)度和延展性，而且具有優(yōu)異的接頭強(qiáng)度，甚至在焊縫處沒有裂紋。另一方面，在比較實(shí)施例1～3的情況下，P值超過上限7。結(jié)果，盡管獲得100MPa或更大的接頭強(qiáng)度，但是出現(xiàn)焊縫裂紋，并且這些比較實(shí)施例不是理想焊接接頭。同樣在比較實(shí)施例4的情況下，其中P值小于下限0.5，盡管獲得100MPa或更大的接頭強(qiáng)度，但是出現(xiàn)焊縫裂紋，并且該焊接不是理想焊接接頭。從這些實(shí)施例的結(jié)果看，可以理解在本發(fā)明中所規(guī)定要求的重要意義。
表1

*高抗張強(qiáng)度鋼“Round”表示圓形，“Elliptic”表示橢圓形
(實(shí)施例2)本發(fā)明人使用交流電源和各種鋁焊絲，在通過電弧焊的各種熱輸出條件下，通過接合表2所示的鋼板(在“Type”欄中的“GA”意思是熱浸鍍鋅鋼板)和鋁合金板而制備焊接接頭。在該鋼板中，表2所示直徑的圓形孔隙(2R、R表示圓形等效半徑)預(yù)先以表2所示間隔(非孔隙部分的長度)形成。在電弧焊中，Ar氣(20～25l./min.的流速)用作保護(hù)氣。焊接炬的角設(shè)定為80°。此處，在此處所使用的鋁焊絲中Mg含量為如下；0.05％或更小(對于A4043-WY)，4.3～5.2％(對于A5183-WY)，4.5～5.5％(對于A5356-WY)以及2.4～3.2％(對于A5554-WY)。
所制備的焊接接頭進(jìn)行肉眼檢測以判斷焊縫裂紋的存在，并且測定該焊接接頭的焊接強(qiáng)度。以與實(shí)施例1中所示相同的方式評價(jià)焊縫裂紋。每個(gè)樣品(測試片)進(jìn)行張力測試后對在其破裂碎片上的鉚接(鋁焊接)數(shù)，計(jì)算每個(gè)樣品的接合面積，然后將破裂負(fù)荷除以所計(jì)算的值就可以測定接頭強(qiáng)度。所得結(jié)果在表3示出。此處，用于接合的材料也在表3示出。
從表2和表3可明顯看出，在交流電源的情況下，當(dāng)焊接條件(加熱輸入量)滿足表達(dá)式Ta/3.5≤Q≤Ta/1.4(Ta表示鋁合金板的厚度)時(shí)，在每一種情況下，Tb/R的值不小于0.50，而D/Ta的值不小于0.10，因此可以獲得優(yōu)異焊接接頭，該焊接接頭具有90MPa或更高的優(yōu)異焊接強(qiáng)度并且只有稀少的焊縫裂紋。
表2

*高抗張強(qiáng)度鋼表3

*高抗張強(qiáng)度鋼Ta鋁板厚度，Tb焊縫厚度，D最大熔進(jìn)深度，R圓形等效半徑
(實(shí)施例3)本發(fā)明人使用直流電源和各種鋁焊絲，在通過電弧焊的各種熱輸出條件下，通過接合表4所示的鋼板(在“Type”欄中的“GA”意思是熱浸鍍鋅鋼板)和鋁板制備焊接接頭。在這些鋼板中，表4所示直徑的圓形孔隙(2R、R表示圓形等效半徑)預(yù)先以表4所示間隔(非孔隙部分的長度)形成。在電弧焊中，Ar氣(20～25l./min.的流速)用作保護(hù)氣。焊接炬的角設(shè)定為80°。
所制備的焊接接頭進(jìn)行肉眼檢測以判斷焊縫裂紋的存在，并且以與實(shí)施例2相同的方式測定該焊接接頭的焊接強(qiáng)度。所得結(jié)果在表5示出。
從表4和表5可明顯看出，在直流電源的情況下，當(dāng)焊接條件(加熱輸入量)滿足表達(dá)式Ta/1.5≤Q≤Ta/0.7(Ta表示鋁板的厚度)時(shí)，在每一種情況下，Tb/R的值不小于0.50，而D/Ta的值不小于0.10，因此可以獲得優(yōu)異焊接接頭，該焊接接頭具有90MPa或更高的優(yōu)異焊接強(qiáng)度并且沒有焊珠裂紋。
表4

*高抗張強(qiáng)度鋼表5

*高抗張強(qiáng)度鋼Ta鋁板厚度，Tb焊縫厚度，D最大熔進(jìn)深度，R圓形等效半徑本發(fā)明可以獲得理想的異質(zhì)材料焊接接頭，它不僅具有高強(qiáng)度、高延展性和由此得到的優(yōu)異接頭強(qiáng)度，而且不產(chǎn)生裂紋。此外，本發(fā)明可以提供一種使用電弧焊的焊接方法，本發(fā)明使焊接工藝簡便，并且可以應(yīng)用直線焊接。因此，本發(fā)明在通過接合鋼材和鋁材形成的異質(zhì)材料焊接接頭領(lǐng)域中是有益的。
權(quán)利要求
1.一種異質(zhì)材料焊接接頭，它通過接合鐵類材料和鋁類材料而形成，其中預(yù)先在所述鐵類材料側(cè)沿著焊接線以預(yù)定間隔形成孔隙；所述孔隙填充有熔融鋁焊接材料；將所述鐵類材料和鋁類材料兩者進(jìn)行焊接，以形成包括所述鋁焊接材料的焊珠；以及(L-Al)與(L-Fe)的比(L-Al)/(L-Fe)的最小值為0.5～7，所述(L-Al)與(L-Fe)是在焊接之后形成的每100mm焊接線長度上的長度，其中(L-Al)是用來填充所述孔隙的所述鋁焊接材料沿著在縱截面上的所述焊接線的長度，所述縱截面包含所述鋁焊接材料的所述焊接線；(L-Fe)是鄰接被填充孔隙的所述鐵類材料沿著在縱截面上的所述焊接線的長度，而所述縱截面包含所述鐵類材料的所述焊接線。
2.如權(quán)利要求1所述的異質(zhì)材料焊接接頭，其中使用鋁焊絲的電弧焊方法應(yīng)用于所述焊接接頭。
3.如權(quán)利要求2所述的異質(zhì)材料焊接接頭，其中通過使用所述熔融鋁焊接材料填充所述孔隙而形成的焊縫下端部分融化在被暴露于所述孔隙處的所述鋁類材料的所述表面層中，而所述焊縫上端部分熔化，而且上端部分與包括所述鋁焊接材料的所述焊珠接合并且在所述鐵類材料表面上形成；而且，當(dāng)所述鋁類材料的厚度定義為Ta，在所述焊縫在所述鋁類材料的所述表面層中熔融的最大熔進(jìn)深度定義為D，在所述焊接線上的所述焊珠的平均厚度定義為Tb，而所述孔隙的圓形等效半徑定義為R時(shí)，則D/Ta值為不小于0.10，而Tb/R值為不小于0.50。
4.如權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的異質(zhì)材料焊接接頭，其中在所述鐵類材料側(cè)上形成的所述孔隙具有圓形或橢圓形。
5.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的異質(zhì)材料焊接接頭，其中所述鐵類材料為熱浸鍍鋅鋼板；而所述鋁焊接材料包含2.0～6.0質(zhì)量％的Mg。
6.異質(zhì)材料焊接接頭的焊接方法，其中鐵類材料和鋁類材料通過電弧焊方法被接合，并形成所述的異質(zhì)材料焊接接頭，其中預(yù)先在所述鐵類材料側(cè)上沿著焊接線以預(yù)定間隔形成孔隙；所述鐵類材料置于上面，而所述鋁類材料置于下面，使用鋁焊絲將它們接合，同時(shí)用熔化鋁焊接材料以形成包括所述鋁焊接材料的焊珠的方式填充所述孔隙；以及將所述鐵類材料和鋁類材料兩者進(jìn)行焊接，以使(L-Al)與(L-Fe)的比(L-Al)/(L-Fe)的最小值為0.5～7，所述(L-Al)與(L-Fe)是在焊接之后形成的每100mm焊接線長度上的長度，其中(L-Al)是用來填充所述孔隙的所述鋁焊接材料沿著在縱截面上的所述焊接線的長度，所述縱截面包含所述鋁焊接材料的所述焊接線；(L-Fe)是鄰接被填充孔隙的所述鐵類材料沿著在縱截面上的所述焊接線的長度，而所述縱截面包含所述鐵類材料的所述焊接線。
7.如權(quán)利要求6所述的焊接方法，其中，當(dāng)在電弧焊中加熱輸入量Q(kj/cm)由下列表達(dá)式定義，而且所述鋁類材料的厚度定義為Ta(mm)時(shí)，在交流電源的情況下，進(jìn)行焊接使得滿足表達(dá)式Ta/3.5≤Q≤Ta/1.4；Q(kj/cm)＝60(s./min.)×焊接電流(A)×焊接電壓(V)/焊接速度(cm/min.)/1000。
8.如權(quán)利要求6所述的焊接方法，其中，當(dāng)在電弧焊中加熱輸入量Q(kj/cm)由下列表達(dá)式定義，而且所述鋁類材料的厚度定義為Ta(mm)時(shí)，在直流電源情況下，進(jìn)行焊接使得滿足表達(dá)式Ta/1.5≤Q≤Ta/0.7，Q(kj/cm)＝60(s./min.)×焊接電流(A)×焊接電壓(V)/焊接速度(cm/min.)/1000。
9.如權(quán)利要求6～8中任一項(xiàng)所述的焊接方法，其中所述鐵類材料為熱浸鍍鋅鋼板；而所述鋁焊絲包含2.0～6.0質(zhì)量％的Mg。
全文摘要
公開了一種異質(zhì)材料焊接接頭以及使該接合穩(wěn)定產(chǎn)生的焊接方法。所述接頭是通過接合鐵類材料和鋁類材料而形成的，它不僅具有高強(qiáng)度，而且具有優(yōu)異的延展性。通過接合鐵類材料2和鋁類材料3而形成的異質(zhì)材料焊接接頭1，其中預(yù)先在所述鐵類材料2側(cè)沿著焊接線6以預(yù)定間隔形成孔隙4a；將所述鐵類材料和鋁類材料兩者進(jìn)行焊接，以使所述孔隙4a填充有熔融鋁7；以及長度(L－Al)與長度(L－Fe)的比(L－Al)/(L－Fe)的最小值為0.5～7，其中(L－Al)是用于填充所述孔隙4a的所述鋁類焊接材料10沿著縱截面上的所述焊接線6的長度，而(L－Fe)是與填充有所述鋁類焊接材料10的孔隙4a鄰接的所述鐵類材料2沿著縱截面上的所述焊接線6的長度，而所述縱截面包含所述焊接線6；所述長度(L－Al)與(L－Fe)兩者都為在焊接后形成的每100mm焊接線6長度上的長度。
文檔編號B23K33/00GK1706585SQ20051007804
公開日2005年12月14日 申請日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月11日
發(fā)明者武田實(shí)佳子, 松本克史, 杵渕雅男, 中川知和, 福本幸司, 武田裕之, 村井康生 申請人:株式會(huì)社神戶制鋼所