[发明专利]一种高强钢-铝合金异种金属连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及冶金、材料、机械及汽车、轨道客车等行走机械技术领域的一种高强钢-铝合金异种金属连接方法，属于异种材料连接技术领域。

背景技术

随着能源紧缺和环境污染问题日益加剧，作为制造业支柱产业的汽车、轨道客车等行走机械工业正面临着越来越严峻的挑战。轻量化、节能、环保和安全已成为当今汽车、轨道客车等发展的必然趋势。目前，国内外汽车、轨道客车轻量化的实现途径和关键技术主要包括三个方面：一是轻量化材料的应用；二是结构轻量化设计与优化；三是新型制造工艺技术的使用。高强钢和铝合金是主要的轻量化材料，其次是镁合金、复合材料及塑料等。因此，在设计和制造中增加高强钢、铝合金等轻量化材料的应用量是实现汽车和轨道客车轻量化的有效途径。随之而来的钢-铝异种金属的焊接便成为亟待解决的问题。由于钢和铝的物理性质（熔点、热导率、线膨胀系数等）存在明显的差异，且焊接区极易形成脆硬的金属间化合物，导致钢-铝异种金属的焊接性极差，严重恶化焊接接头的力学性能，无法实现可靠的连接。这已成为制约汽车、轨道客车轻量化的技术瓶颈之一。电阻点焊是汽车、轨道客车制造中应用最为广泛的焊接技术之一。在高强钢-铝合金点焊过程中，铝熔化形成熔核而钢保持固态，本质上属于熔-钎焊的范畴，存在的主要问题是：（1）在钢/铝界面形成脆硬的金属间化合物层（Fe₂Al₅、Fe₄Al₁₃），明显降低接头的力学性能；（2）铝合金熔核和钢/铝界面易形成裂纹、缩孔及未熔合等缺陷，不仅降低接头力学性能而且影响点焊质量。采用电极板（钢/铝/钢）或中间层（钢/中间层/铝）辅助钢-铝电阻点焊，虽可一定程度上改善接头的力学性能，但工艺较为复杂，生产效率低，且不易实现焊接生产的自动化。优化电阻点焊参数（焊接电流、焊接时间、电极压力等）是一定程度上解决上述问题最直接有效的方法。因此，通过优化点焊参数提高接头力学性能和改善点焊质量是可行的，研发的高强钢-铝合金异种金属电阻点焊连接技术具有重要的实用价值和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强钢-铝合金异种金属连接方法，该方法基于高强钢-铝合金异种金属电阻点焊过程的热、电、力耦合特点和点焊参数（焊接电流、焊接时间、电极压力等）对铝合金熔核直径、铝/钢界面金属间化合物层厚度、接头拉剪力及点焊缺陷等的影响规律，采用正交设计试验方法优化电阻点焊参数，一定程度上增大熔核直径、限制界面金属间化合物生长，防止点焊喷溅及接头裂纹、缩孔、未熔合等缺陷，从而提高高强钢-铝合金异种金属电阻点焊接头的力学性能及点焊质量。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种高强钢-铝合金异种金属连接方法，按以下工艺步骤进行：

a）焊前准备：首先将高强钢、铝合金板表面用1200#的SiC砂纸打磨去除氧化膜，然后用丙酮清洗，镀锌钢板表面可不打磨直接用丙酮清洗。

b）连接方法：高强钢-铝合金异种金属连接采用电阻点焊方法，使用F型电极（DIN ISO5821-F16×20），电极材料为Cu-Cr合金（DIN ISO5821A2/2）。

c）点焊参数：采用优化的电阻点焊参数：焊接电流9-10kA、焊接时间200-250ms、电极压力2.0-2.5kN，通过增大熔核直径（＞5.5mm）、限制铝/钢界面金属间化合物层厚度（＜8μm）、防止点焊喷溅及接头缺陷等技术途径，提高铝合金-高强钢异种材料电阻点焊接头的力学性能及点焊质量。

研究结果表明，铝合金熔核直径和铝/钢界面金属间化合物层厚度是影响点焊接头力学性能的主要因素；增加焊接电流或焊接时间有利于增大熔核直径和提高点焊接头的拉剪力，但过大的焊接电流或过长的焊接时间导致钢/铝钢界面金属间化合物层厚度明显增加，接头力学性能明显降低，且易产生点焊喷溅及接头裂纹、缩孔缺陷；电极压力过小易产生点焊喷溅及接头未熔合缺陷，随着电极压力增大，熔核直径、界面金属间化合物层厚度及点焊接头拉剪力有增加的趋势；采用正交设计试验方法优化电阻点焊参数，可一定程度上增大熔核直径、限制界面金属间化合物生长，防止点焊喷溅及接头缺陷，提高高强钢-铝合金点焊接头的力学性能及点焊质量。

采用本发明的方法（优化焊接参数）进行高强钢-铝合金异种金属电阻点焊连接，点焊接头达到的性能指标为：

（1）铝合金-高强钢异种金属电阻点焊接头拉剪力3000-3500N，接头具有纽扣断裂特征；

（2）铝合金熔核直径＞5.5mm，铝/钢界面金属间化合物层厚度＜8μm；