[发明专利]一种铝-钢-铝添加准晶中间层的低温扩散连接方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种异种金属的焊接方法，尤其涉及一种铝-钢-铝添加准晶中间层的低温扩散连接方法，属于金属材料的焊接技术领域。

背景技术

低碳钢的熔点1650℃，纯铝的熔点只有660℃，铝合金的熔点更低。把钢与铝焊接在一起是非常困难的，即使是在科技和焊接技术已很发达的今天，实现钢与铝的可靠焊接和获得工业应用仍是很困难的。人们尝试过很多种办法试图将钢与铝焊接在一起，所采用的焊接方法有爆炸焊、电阻焊、激光焊、激光-电弧复合焊等，但仍很难获得满意的效果和质量稳定的焊接接头，或是在焊缝成形方面存在缺陷，或是形成的焊缝难以满足使用要求，或是对焊接装备和操作技术要求极高。

将铝与低碳钢焊接在一起的主要困难，一是二者熔点和热物理性能差别太大，铝比钢具有更好的导电性和导热性；二是铝与低碳钢的晶格结构不同，热传导系数不同。因此采用熔焊方法将钢和铝焊接在一起非常困难。钢与铝的其他焊接方法（如激光焊、激光-电弧复合焊等），存在成本上的问题，采用机械化焊接技术需要购置较昂贵的装备等，而且针对铝与钢的大面积连接，用激光焊或激光-电弧复合焊是无法实现的。中国专利申请（CN201110310796.7）公开一种铝/钢异种金属冷金属过渡连接方法，采用氩气保护，形成熔-钎焊搭接接头，针对铝与钢的大面积连接，也无法实现。扩散连接针对异种金属是一种有应用前景的方法，例如中国专利申请（CN201310173409.9）公开一种碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的扩散连接方法、中国专利申请（CN201310259910.7）公开一种硬质合金与金属的扩散连接方法，但这些方法针对的是高硬度材料（如陶瓷、硬质合金等），存在着加热温度高、连接时间长、界面结合不稳定等的不利因素。

实现铝-钢-铝的可靠焊接有广阔的应用前景，例如可用于汽车、船舶、高速列车等，对这些现代化交通工具的轻量化、节能减排等有巨大的推进作用。因此，解决钢与铝异种金属的焊接难题，实现铝-钢-铝三明治夹层结构的低温高效率的可靠连接，会大大推动钢与铝异种金属结构的焊接进展，这项技术在船舶、现代车辆制造等领域的应用有很好的前景。

准晶不同于传统晶态材料，也不同于非晶，它不具有平移对称性，却具有旋转对称性的新型结构材料，准晶属亚稳态，具有较低的密度和熔点、高比热容和低导热率等。准晶具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，不作周期性平移重复。目前，准晶主要用于表面改性材料和结构材料增强相，而将准晶箔片用于铝与钢的扩散连接，还未见先例。本项申请采用准晶中间合金，目的是降低铝-钢-铝扩散连接温度。

发明内容

    本发明的目的是针对现有铝与钢焊接技术的不足，提供一种添加准晶中间合金的铝-钢-铝的低温扩散连接方法，实现铝与低碳钢的可靠连接，形成接头质量稳定的铝-钢-铝三明治夹层结构的扩散焊接头。

为实现上述目的，本发明采用的技术放案如下：

一种铝-钢-铝添加准晶中间层的低温扩散连接方法，由下述步骤组成：

（1）焊前铝板与低碳钢板的预处理：

焊前清除铝板和低碳钢板表面的油污和氧化膜，使其表面尽可能光洁和无任何杂质，并且清洁干燥；

（2）在铝板与低碳钢板待焊接触界面之间放置准晶铝硅铜中间合金箔片，将添加准晶铝硅铜中间合金的工件置于扩散焊设备的真空室中；

（3）进行真空扩散连接，工艺参数为：

加热过程：升温速率为5℃～15℃/min，当温度升至280℃和360℃时各保温5min～8min。

连接温度控制在420℃～490℃，在连接温度下的保温时间15min～25min，压力0.3MPa～0.9MPa，真空度为1.33×10^-3Pa～1.33×10^-2Pa；

冷却过程：真空室以降温速率为10℃～20℃/min进行冷却；

扩散焊接完成后工件随炉冷却，冷却至80℃以下，取出铝与低碳钢的扩散连接工件。

上述步骤（1）中低碳钢板表面的清理方法是，用砂纸将钢板表面的锈蚀打磨干净，使其露出金属光泽；或是将待焊钢板表面置于酸洗液中浸泡15min～20min，然后以清水将待焊表面洗净。所述酸洗液是指常规稀硫酸或稀盐酸或其以1∶2比例相混合的混合溶液。