[发明专利]一种铝-钢放热焊接方法

说明书

 

技术领域

本发明属于材料加工及制造技术领域，具体涉及一种铝-钢放热焊接方法。

背景技术

铝作为一种银白色的轻金属，具有优异的延展性，同时也是地壳中含量最多的金属元素，因而在航空、建筑、汽车等领域具有重要的发展前景。钢以其低廉的价格和可靠的性能，成为使用最多的材料之一，在建筑业、制造业和人们的生活中都是不可或缺的成分。结合铝和钢的优异性能以及应用前景，铝钢异种材料之间的焊接自然就成为一大热点。但是由于铝和钢的性能迥异，熔点相差很大，因此在实际的焊接当中面临着很大的技术挑战。

目前，在铝钢焊接中，传统的使用最多的方法是摩擦焊、爆炸焊以及钎焊。在这些焊接方法中，不可避免的面临着焊接的工艺比较复杂，焊接成本相对较高，能源消耗比重较大的问题。如专利92113206.9所述的一种氧-乙炔焊接铝钢的方法，虽然焊接速度快，操作相对简单，但是能源的消耗比较大。如专利200610152657.5提供一种铝钢异种金属的爆炸焊接方法，虽然可以实现高质量大面积的铝钢焊接，但是生产工艺相对比较复杂。如专利201010108154.4提供一种药芯焊丝气体保护焊的铝钢焊接方法，虽然得到的焊接接头强度高，但整体上焊接的成本还是相对较高。

其实，传统的铝钢焊接方式除了需要克服以上几个缺陷之外，还需要考虑所得到的焊接接头的结合性问题。由于铝和钢的热物理性能迥异，固溶度较低，在形成合金的同时容易形成金属间化合物，这就导致了铝钢焊接接头的性能下降问题，而且所形成的焊接接头是机械结合还是冶金结合这一问题上没有给以有力的实验说明。因此，为了提高铝钢焊接街头的强度，必须改善焊接工艺，专利200910072270.2中使用在钢表面预置一层铝的做法确实降低了界面化合物的生成量，在一定程度上提高了焊接的质量，但是该方法的焊接方式使用MIG焊接，在成本上并没有给以控制。专利201310367501.9中，利用热浸铝的方式在钢表面覆盖一层铝，实现铝钢自蔓延焊接的冶金结合，但是该方法使用的配方中SnO₂和Cu₂O的经济性不高，成本上没有给以控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服传统铝钢焊接方法的种种缺陷，提供一种设备简单、操作简便、成本低廉且实现铝-钢焊接接头冶金结合的铝钢焊接方法。

 

一种铝-钢放热焊接方法，包括以下步骤：

将待焊铝块和钢块截面打磨干净，在铝块和钢块待焊截面的缝隙间紧贴铝块放置一块预先打磨好的钢片；将石墨坩埚底部通孔对准缝隙中心，将焊剂放入石墨坩埚中，点燃焊剂表面的引火粉，焊剂发生自蔓延反应产生的熔液从石墨坩埚底部的小孔流入铝块和钢块间的缝隙，钢片受热熔化，冷却至室温后即完成铝-钢的焊接。

所述的铝块和钢块下面有石墨底座；铝块和钢块与石墨坩埚之间有含通孔的石墨垫块；石墨坩埚底部通孔用金属片挡住。

所述的钢片，其厚度为3 mm。

所述的焊剂包括如下质量百分数的组分：22~28%的Al粉、62~68%的Fe₂O₃粉、4~7%的Si粉和3~6%的造渣剂。

所述的Al粉，其细度为200目。

所述的引火粉为火药或镁粉。

所述的造渣剂为CaF₂、NaF或KF。

本发明采用铝和氧化铁的自蔓延高温合成反应，该反应产生大量的热量并且生成大量的铁液，铁液流入到焊接槽中，实现铝-钢的焊接，图1为本发明所使用的装置示意图。反应中使用的Fe₂O₃较之SnO₂和Cu₂O是一种廉价且高效的铝热焊剂。焊接结构中，在铝表面预置倒三角形薄钢块，作用主要是保护铝的焊接表面，由于铝和氧化铁的自蔓延高温合成反应的温度高达两千多度，接近铝的沸点，如此高温度的铁液直接与铝块相接触，导致铝块的脆化倾向严重而且容易引起铝块的直接烧毁，使得铝和钢不能正常结合，在铝表面预置薄钢块吸收了铁液的部分热量，使得铝表面的温度不至于过高，降低了铝块的脆化倾向，提高了铝与钢的结合性；倒三角形状设计符合铁液至上而下流到焊接槽中温度逐渐递减的热力学分布规律。加入Si粉的目的是增加铁液的流动性，实现渣液的良好分离；加入的CaF₂、NaF或KF的作用主要是与反应生成的Al₂O₃形成疏松多孔且低密度的渣，在反应过程中吸收部分热量，使反应过程趋于稳定与平缓；紧贴铝块放置一块厚度为3mm的倒三角形钢块。