適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法
【專利摘要】適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法，其目的是實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異種材料的優(yōu)質(zhì)連接，其步驟為：（1）用丙酮清洗被焊板材以去除其表面油污，用機(jī)械打磨法去除鋁或鋁合金板材表面氧化膜；（2）將鋁或鋁合金板和鋼板以對接方式固定在開了成形槽的焊接夾具上，使得接頭處于成形槽上方；（3）在助熔劑和混合均勻的填充粉末中分別加入丙酮，攪拌后依次涂敷在鋁或鋁合金焊道表面；（4）激光束與其后面的輔助電弧保持同步移動進(jìn)行焊接。
【專利說明】適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊技術(shù)，屬于焊接領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，鋁/鋼一體化結(jié)構(gòu)的需求不斷增加。鋁/鋼一體化結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，對促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)，尤其是汽車行業(yè)的發(fā)展是至關(guān)重要的。但由于鋁和鋼的物理或化學(xué)性能差異較大，焊接時(shí)極易出現(xiàn)裂紋、熔合不良等缺陷，因此，鋁/鋼異種金屬的優(yōu)質(zhì)、高效焊接是材料制造領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)性難題。
[0003]近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對鋼板、鋁合金板等同種金屬之間的激光焊工藝進(jìn)行了研究，但對異種金屬之間的激光焊研究才剛剛起步。由于鋁/鋼熔化焊得到的接頭會產(chǎn)生大量的Al-Fe金屬間化合物，這些金屬間化合物的存在會嚴(yán)重影響接頭的性能，使得鋼和鋁合金之間的焊接性變差。因此，關(guān)于鋁/鋼熔化焊的研究相對較少，大量的研究主要集中在鋁/鋼的擴(kuò)散焊、釬焊和摩擦焊等方面，由于這些焊接方法應(yīng)用范圍的局限性，不能滿足汽車等行業(yè)大批量高效率生產(chǎn)的需求，因而，鋁/鋼異種金屬的熔釬連接成為當(dāng)前鋁/鋼焊接的熱門研究方向。
[0004]目前，鋁/鋼熔釬焊所用的焊接熱源主要是激光、激光與電弧復(fù)合及電弧。激光相對于電弧來說具有更快的加熱與冷卻速度，可有效地減少釬焊接頭的液態(tài)金屬與固態(tài)金屬的相互作用時(shí)間，降低金屬間化合物的生長傾向；另外，激光的能量密度更為集中，能夠迅速地使所填充的金屬熔化；激光的加熱位置不受外界和異種金屬物理性能差異的影響，可實(shí)現(xiàn)對熔化位置的精確控制。由于激光熔釬焊所具有的優(yōu)勢，該方法已引起國內(nèi)外研究者的極大興趣。有學(xué)者采用填加金屬粉末方法實(shí)現(xiàn)了鋁/鋼異種金屬的激光熔釬搭焊連接，但鋁/鋼激光熔釬焊時(shí)，激光熱源過于集中，使得液態(tài)金屬的浸潤與鋪展受到制約，特別是在鋁/鋼薄板對接焊縫時(shí)問題更為突出，難以獲得合格接頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異種材料的優(yōu)質(zhì)連接。
[0006]本發(fā)明是適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法，包括以下步驟:
(1)用丙酮清洗被焊板材以去除其表面油污，用機(jī)械打磨法去除鋁或鋁合金板材表面氧化膜；
(2)將鋁或鋁合金板和鋼板以對接方式固定在開了成形槽的焊接夾具上，使得接頭處于成形槽上方；
(3)在助熔劑和混合均勻的填充粉末中分別加入丙酮，攪拌后依次涂敷在鋁或鋁合金焊道表面；
(4)激光束與其后面的輔助電弧保持同步移動進(jìn)行焊接。
[0007]本發(fā)明的有益效果是通過引入小功率輔助電弧，使得激光作用下的鋁/鋼熔釬焊溫度場分布更有利于液態(tài)鋁向鋼側(cè)的浸潤及鋪展，為異種金屬對接焊提供新方法新工藝，同時(shí)采用添加合金材料或過渡層方法提高液態(tài)金屬的潤濕鋪展性能，改善焊縫成形，提高接頭性能，最終實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異種金屬優(yōu)質(zhì)的對接接頭。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法示意圖，圖2為第一工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的正面形貌圖，圖3為第一工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的背面形貌圖，圖4為第二工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的正面形貌圖，圖5為第二工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的背面形貌圖，圖6為第三工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的正面形貌圖，圖7為第三工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的背面形貌圖，圖8為第四工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的正面形貌圖，圖9為第四工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的背面形貌圖，圖10為第五工況的5A02鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的正面形貌圖，圖11為第五工況的5A02鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的背面形貌圖，附圖標(biāo)記及名稱為:激光束1，TIG電弧2，保護(hù)氣體3，助熔劑及粉末4,鋼板5,招系板材6。
【具體實(shí)施方式】
[0009]針如圖1所示，本發(fā)明提出異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法，具體是通過電弧輔助激光熱源來實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異種材料連接的新工藝，該方法是在激光光束的后方一定距離處添加一小功率輔助電弧，電弧與激光分離(不復(fù)合)且同步移動。通過輔助電弧來改變焊接過程的溫度場分布，改善液態(tài)金屬的浸潤鋪展性能，獲得鋁/鋼異種金屬的優(yōu)質(zhì)連接。
[0010]本發(fā)明是適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法，包括以下步驟:
(1)用丙酮清洗被焊板材以去除其表面油污，用機(jī)械打磨法去除鋁或鋁合金板材表面氧化膜；
(2)將鋁或鋁合金板和鋼板以對接方式固定在開了成形槽的焊接夾具上，使得接頭處于成形槽上方；
(3)在助熔劑和混合均勻的填充粉末中分別加入丙酮，攪拌后依次涂敷在鋁或鋁合金焊道表面；
(4)激光束與其后面的輔助電弧保持同步移動進(jìn)行焊接。
[0011]根據(jù)以上所述的方法，鋁或鋁合金板材厚度大于鋼板厚度。
[0012]根據(jù)以上所述的方法，對接間隙小于1mm。
[0013]根據(jù)以上所述的方法，激光功率為電弧功率的2?5倍。
[0014]根據(jù)以上所述的方法，采用的電弧焊設(shè)備為交流TIG焊機(jī)。
[0015]根據(jù)以上所述的方法，TIG焊槍連接到激光沿焊接方向的后方。
[0016]根據(jù)以上所述的方法，激光與電弧熱源中心距離為5?50mm。
[0017]根據(jù)以上所述的方法，焊接的工藝參數(shù):激光功率0.6?4KW，焊接速度5?30mm/S，離焦量-2?+2mm，電弧電流10?40A，電弧電壓12?43V，弧長2?6mm，激光、電弧保護(hù)氣體流量5?20L/min。
[0018]根據(jù)以上所述的方法，所述的TIG焊槍的軸心線與水平面成30°?90°夾角。
[0019]用于以上所述的方法的填充粉末，按重量百分比計(jì)，其組分為:Mg 5?8%，Si I?3%, Mn I ?3%，Zn 5 ?10%，B 0.5 ?1%，其余為 Al。
[0020]以5A06、5A02鋁合金與鍍鋅鋼板ST04Z為例施焊，采用激光器和TIG焊機(jī)進(jìn)行焊接，施焊時(shí)助熔劑用鋁氣焊溶劑(主要成分KC1、NaCl、LiCl、NaF等，熔點(diǎn)約560°C )。
[0021]用5A06、5A02鋁合金與鍍鋅鋼板ST04Z進(jìn)行對接試驗(yàn)，鋁合金板與鍍鋅鋼板的規(guī)格分別為150mmX 50mmX 2mm和150mmX 50mmX 1mm。實(shí)驗(yàn)可獲得成型美觀、性能優(yōu)良的焊縫。最大抗拉強(qiáng)度為163Mpa，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的70%以上。
[0022]如圖1所示，鋁合金板中心面與鍍鋅鋼板中心面處于同一水平面不留間隙或間隙為O?Imm進(jìn)行裝配，交流TIG電弧與激光束保持同步沿對接頭處移動，保護(hù)氣噴嘴3與光束夾角30°?60°，保護(hù)氣體為氬氣，填充粉末以遮蓋鋁合金焊道表面光澤為宜。
[0023]圖2為第一工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的正面形貌圖，激光功率P=0.6kw，焊接速度v=5mm/s，離焦量f=_2mm，電弧電流I=IOA,電弧電壓U=12V，弧長d=2mm，熱源間距D=5mm，TIG焊槍與水平面成30°夾角，激光、電弧保護(hù)氣流量為 5L/min。
[0024]圖3為第一工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的背面形貌圖。
[0025]圖4為第二工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的正面形貌圖，激光功率P=1.2kw，焊接速度V=10mm/s，離焦量f=-2mm，電弧電流I=20A，電弧電壓U=19V，弧長d=3mm，熱源間距D=10mm，TIG焊槍與水平面成60°夾角，激光、電弧保護(hù)氣流量為 15L/min。
[0026]圖5為第二工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的背面形貌圖。
[0027]圖6為第三工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的正面形貌圖，激光功率P=1.2kw,焊接速度v=10mm/s,離焦量f=+2mm,電弧電流I=18A,電弧電壓U=16V,弧長d=3mm，熱源間距D=15mm，TIG焊槍與水平面成60°夾角，激光、電弧保護(hù)氣流量為 15L/min。
[0028]圖7為第三工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的背面形貌圖。
[0029]圖8為第四工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的正面形貌圖，激光功率p=l.2kw,焊接速度v=10mm/s，離焦量f=0mm,電弧電流I=18A，電弧電壓U=16V,弧長d=3mm，熱源間距D=20mm，TIG焊槍與水平面成60°夾角，激光、電弧保護(hù)氣流量為 15L/min。
[0030]圖9為第四工況的5A06鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的背面形貌圖。
[0031]圖10為第五工況的5A02鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的正面形貌圖，激光功率P=4kw,焊接速度v=30mm/s,離焦量f=+2mm,電弧電流I=40A,電弧電壓U=43V,弧長d=6mm，熱源間距D=50mm，TIG焊槍與水平面成90°夾角，激光、電弧保護(hù)氣流量為 20L/mino
[0032]圖11為第五工況的5A02鋁合金與鍍鋅鋼電弧輔助激光對接熔釬焊焊縫的背面形貌圖。
【權(quán)利要求】
1.適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)用丙酮清洗被焊板材以去除其表面油污，用機(jī)械打磨法去除鋁或鋁合金板材表面氧化膜； (2)將鋁或鋁合金板和鋼板以對接方式固定在開了成形槽的焊接夾具上，使得接頭處于成形槽上方； (3)在助熔劑和混合均勻的填充粉末中分別加入丙酮，攪拌后依次涂敷在鋁或鋁合金焊道表面； (4)激光束與其后面的輔助電弧保持同步移動進(jìn)行焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法，其特征在于鋁或鋁合金板材厚度大于鋼板厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法，其特征在于對接間隙小于1mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法，其特征在于激光功率為電弧功率的2~5倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法，其特征在于采用的電弧焊設(shè)備為交流TIG焊機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法，其特征在于TIG焊槍連接到激光沿焊接方向的后方。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法，其特征在于激光與電弧熱源中心距離為5~50mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法，其特征在于焊接的工藝參數(shù):激光功率0.6~4KW，焊接速度5~30mm/s，離焦量-2~+2mm，電弧電流10~40A，電弧電壓12~43V，弧長2~6mm，激光、電弧保護(hù)氣體流量5~20L/min。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的適用于異種材料對接的電弧輔助激光熔釬焊方法，其特征在于所述的TIG焊槍的軸心線與水平面成30°~90°夾角。
【文檔編號】B23K26/348GK104014934SQ201410274723
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】樊丁, 王斌, 黃健康, 余淑榮, 李春玲 申請人:蘭州理工大學(xué)