[发明专利]一种铝-钢自蔓延焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝-钢自蔓延焊接方法，属于焊接技术领域。

背景技术

由于铝、钢之间晶体结构差异较大，且各自成分彼此亲和性较差，因而使得铝钢异种金属的焊接一直是业界的难题。特别是铝基母材，在焊前表面有氧化物钝化膜容易在焊接中形成夹杂或夹渣，而在焊接过程中又容易与其他物质形成脆性金属间化合物，因此使得铝钢焊接接头往往脆性较大，塑性不高，且容易开裂。尽管目前国内外已经通过钎焊、压力焊、电阻焊、搅拌摩擦焊、扩散焊、及爆炸焊等方法实现了铝钢异种金属的焊接，但因焊接条件与焊接效果所限，这些方法均有着难以克服的缺点。

钎焊对于焊接接头的形状有一定的要求，且焊接效率较低，接头强度有限，因此仅适用于特殊形状且接头载荷要求较低的铝钢构件的焊接；电阻焊与压力焊虽然局部焊接效果优于钎焊，但是仍然局限于焊接接头形状，因此亦只能作为特殊形状的铝钢构件的连接手段；搅拌摩擦焊与扩散焊的焊接品质较之其他方法更高，且也能够适用于大多数普通形状的构件，但是对于焊接设备要求高，能耗大，难以实现在役构件的现场焊接。因此，目前对于在役构件、野外抢险、或者临时抢修等特殊环境下的铝钢构件焊件，通常采用爆炸焊。然而，爆炸焊的实施对于操作人员极具经验要求，同时炸药用量与焊接界面间隔需要根据不同的场合、不同的构件形状而变化，在露天操作时还易受到环境的温度、湿度和天气因素影响，加之其操作过程中会有极大的噪音与地震波产生，且容易引发事故，因此很难得到应用与推广。

这些问题在专利《一种铝-钢连接块的制备方法》（201010575587.0）中均得到一定程度的解决，但在实际操作过程中，专利201010575587.0提供的方法又显现出不足。该方法利用石墨板将铝钢构件之间的一步焊接转化为两步，对应不同大小、形状的铝钢构件，需要设计不同规格的石墨板，因此应用受到极大限制；尽管通过分布焊接实现了母材与焊缝的元素均匀过渡，但增加了焊缝的数量与热影响区的大小，使得焊后容易出现裂纹；在焊接过程中需要进行多次清理与复位，使得操作较为繁复。

发明内容

     本发明所要解决的技术问题在于提供一种改进的铝-钢异种金属自蔓延焊接方法，以解决当前铝-钢焊接中操作繁复、接头易产生裂纹、受构件大小及形状影响大等问题。

利用传统自蔓延焊接技术难以实现铝-钢构件的焊接，一方面是因为二者晶体结构差异较大，难以有合适的焊缝金属能够同时匹配二者的晶体结构；另一方面则由于二者熔点悬殊，使得焊接时往往铝母材端已经完全熔化时，钢母材端依旧是固态，进而使得焊缝达不到冶金结合，从而接头性能难以满足实际要求。本发明通过在钢母材待焊表面渗铝形成铝钢复合体，以改善其与铝母材的晶体结构差异，从而得以选择出合适的焊缝金属体系来实现焊接。此外，由于铝钢复合体与铝母材熔点接近，使得二者能同时熔化，进而在焊接过程中钢母材端与铝母材端均能发生冶金反应，并且在此过程中钢铝复合体将参与自蔓延反应过程，从而实现焊接接头化学成分的良好过渡。

为解决之前所提出的技术问题，本发明首先提供一种自蔓延焊剂，由质量分数分别为16.7%-25.9%的Al粉、55.1%-70.3%的Cu₂O粉、10.2%-14.8%的SnO₂粉、1.7%-2.5%的Zn粉和1.1%-1.7%的CaF₂粉组成，所有粉体粒径为20nm-500μm。

上述焊剂采用Al和Cu₂O作为高热剂，能够有效地改进现有自蔓延焊接体系中Al-CuO高热剂反应剧烈，飞溅过多，容易引起过烧的缺点，和Al-Fe₂O₃高热剂放热量低，容易引起未焊透或者冶金反应不完全的缺点。此外，在现有焊接体系基础上，引入少量的Zn作为焊缝金属添加剂，能够改善现有焊缝金属体系Al-Cu-Sn的相图，使得所得焊缝金属与母材的润湿性与流动性获得提高，从而具备良好的填充能力。

使用本发明所提供的自蔓延焊剂，进行铝-钢自蔓延焊接，在焊接前，需在钢板待焊部位进行渗铝，获得厚度为10-300μm的渗铝层。

所述的渗铝，可以采用热浸镀铝法、固体粉末包埋渗铝法、热喷涂渗铝法、气体渗铝法等，目的在于获得一定厚度的渗铝层，以更好的实现自蔓延焊接过渡，但并不局限于具体渗铝方法。

在渗铝或者焊接前，均需对待处理表面进行除渣、除锈与除油等常规处理。

本发明所提供的铝-钢自蔓延焊接方法，具体包括以下步骤：