[发明专利]一种钢-铝异种材料等离子弧焊接方法

说明书

本发明涉及一种钢‑铝异种材料等离子弧焊接方法，用于冶金、材料、机械、汽车、轨道客车及军工等领域，属于材料焊(连)接技术领域。本发明针对钢‑铝异种材料焊接存在的主要问题，通过优化钢、铝工件焊接坡口角度，改善焊缝成形和接头的力学性能；在钢坡口面制备纯铜涂层，降低界面金属间化合物层的脆硬性，提高接头的力学性能；优化等离子弧加热位置、焊枪倾角、焊接参数等焊接工艺参数，改善钢与铝的结合性能，促进形成连续的钢/铝界面层，并控制界面金属间化合物层厚度＜10μm，提高钢‑铝接头的力学性能。本发明的工艺步骤为：焊接坡口加工→在钢的坡口面制备纯铜涂层→采用优化的焊接工艺参数→进行钢‑铝异种材料等离子弧焊接。

技术领域

本发明涉及冶金、材料、机械、汽车、轨道客车及军工等技术领域的一种钢-铝异种材料等离子弧焊接方法，属于材料焊(连)接技术领域。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题的不断加剧，作为制造业支柱产业的汽车、轨道客车等工业正面临着越来越严峻的挑战。轻量化、节能、环保和安全已成为汽车、轨道客车发展的必然趋势。目前，国内外汽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(超高强钢)是主要的汽车、轨道客车轻量化材料，其次是铝合金、镁合金、复合材料及高分子材料等。因此，在设计和制造中增加高强钢(超高强钢)、铝合金等轻质材料的应用量是实现汽车、轨道客车轻量化的有效途径。随之而来的钢-铝异种材料的焊(连)接成为亟待解决的问题。由于钢和铝的物理、化学及冶金性能存在显著的差异，且焊接区极易形成脆硬的金属间化合物，导致钢-铝异质材料的焊(连)接性极差，严重恶化接头的使用性能和焊(连)接质量。这已成为制约汽车、轨道客车轻量化技术发展的关键技术问题之一。迄今为止，在汽车乃至整个制造业中钢-铝异种材料的连接主要采用铆接、螺栓、轧制、粘接等机械连接技术，不仅工艺复杂、生产效率低、外观质量差，而且钢和铝未实现牢固的冶金结合。焊接是实现异种材料冶金结合的连接技术，被广泛应用于各工业领域。面对能源危机和环境污染问题的严峻挑战及轻量化技术的迫切需求，钢-铝异质材料的焊(连)接已成为该领域研究的热点和前沿课题。电弧焊方法是汽车、轨道客车制造中广泛使用的焊接技术。采用电弧焊方法焊接钢-铝异种材料存在的主要问题是：(1)焊接过程中，不充分的钢/铝界面反应形成不连续的界面层，降低钢-铝接头的力学性能；钢/铝界面反应形成过量的金属间化合物(金属间化合物层厚度＞10μm)，由于其脆硬性及易产生界面裂纹，明显恶化接头的力学性能；(2)由于钢和铝的熔点存在显著的差异，焊接过程中铝母材熔化而钢母材不熔化，液态铝在固态钢表面的润湿、铺展性明显影响钢和铝的结合性能及接头的力学性能；(3)电弧焊过程的不稳定性，影响钢/铝界面反应，不仅降低钢-铝接头的力学性能，而且导致接头性能及焊接质量不稳定(例如：高强钢-铝合金异种材料MIG焊接头的抗拉强度约90-140MPa)。与TIG、MIG焊相比，等离子弧焊具有电弧能量集中、电弧稳定性好、电弧挺直性好等优点，但迄今为止尚未见钢-铝异种材料等离子弧焊接系统的研究报道。研究结果证明，通过纯铜涂层辅助和优化焊接工艺参数形成的钢-铝异种材料等离子弧焊接方法，有利于一定程度上解决钢-铝异质材料焊接的上述主要问题。该技术在冶金、材料、机械、汽车、轨道客车及军工等领域具有重要的实用价值和广阔的应用前景。

技术内容

本发明的目的是提供一种钢-铝异种材料等离子弧焊接方法，该方法针对钢-铝异种材料焊接存在的主要问题，利用等离子弧焊电弧能量集中、温度高、稳定性及挺度好等优点，提高焊接过程、接头性能及焊接质量的稳定性；通过优化钢、铝工件焊接坡口角度，改善焊缝成形和接头的力学性能；在钢坡口面制备纯铜涂层，降低界面金属间化合物层的脆硬性，提高接头的力学性能；优化焊接工艺参数(等离子弧加热位置、焊枪倾角、焊接参数等)，改善钢和铝的结合性能，促进形成连续的钢/铝界面层，并控制界面金属间化合物层厚度＜10μm，提高钢-铝接头的力学性能。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种钢-铝异种材料等离子弧焊接方法，按以下工艺步骤进行：