专利名称：一种焊丝和其应用于铝及铝合金与钢焊接的方法
技术领域：
本发明涉及一种铝及铝合金与钢异种材料焊接的技术领域。
背景技术：
铝及铝合金因密度小、比强度高，具有良好的导电性、导热性和耐腐 蚀性以及在低温下保持良好力学性能等特点，在航空航天、汽车、交通运 输、国防等工业部门得到了广泛的应用。而钢是一种应用最广的材料，在 制造业中始终处于主导地位，特别是一些新型的钢种，比如耐热钢、高强 钢等，具有优良的塑韧性、冷热加工性能和耐腐蚀性能，大量应用于石油、 化工、宇航及核工程等重要焊接结构中。为了充分利用材料的固有优势、 节省材料、减轻重量，铝与钢异种金属连接结构具有独特的优势和良好的 经济效益，铝与钢的连接成了人们所关心的问题。铝与钢焊接的主要问题 是两者之间的固溶度很低、热物理性能差异大，两者之间极易反应生成脆 性的金属间化合物，严重恶化了接头的力学性能，这已成为焊接领域的研 究热点和难点问题。
近年来，许多学者对铝与钢的连接进行了详细的研究，几乎涉及到焊 接领域的各种方法，电弧熔钎焊接操作简单方便，对焊件尺寸形状适应性 高，是一种在异种材料连接中具有广阔应用前景的方法，在铝与钢焊接中 受到了越来越广泛的重视和研究。铝与钢电弧熔钎焊接要获得性能优良的 接头，必须保证在接头上不产生脆性金属间化合物。目前，国内外焊接研 究人员主要采用三种方法来避免金属间化合物的产生。
(1)钢表面镀金属层目前通常的做法是在钢表面镀一层过渡金属，并 且此金属与铝要有很好的结合性。常采用的工艺措施是在钢表面镀上与铝
匹配的第三种金属，如Zn、 Ag等，厚度为30 40pm,作为过渡层，使铝一 侧为熔焊，钢一侧为钎焊。
苏联焊接工作者认为在焊接铝与钢工件之前，在钢上镀铝过渡层是极 为重要的工序，分别采用了浸镀、真空镀、真空表面渗铝等工艺方法。他们分析认为镀层与钢的结合质量，如镀层的厚度、铝在钢上的冷凝温度与 钢的结合牢固程度等，对接头的性能有着极为重要的影响。钢的温度不仅 影响过渡区的形成，而且影响镀铝层结晶过程。 一般要求镀层在几十微米
(20pm)为好，在装配时不起皮。美国三角工业公司专利报道，在焊接铝 与不锈钢件时，钢上离子镀或真空表面渗银镀层效果也很理想。不锈钢表 面上的银保证了熔化的铝润湿不锈钢表面，银形成的扩散界面层牢固地粘 住不锈钢和重新凝固的铝合金，两部分金属被焊在一起。
国内李亚江等人总结分析了铝与钢焊接时镀层效果，分析认为铝及铝 合金与碳钢氩弧熔钎焊时，在碳钢表面镀层厚度为3 5pm的Zn、 Sn、 Ag 可以获得较好的接头。但镀Cu、 Ni、 Al等中间层，焊后接头强度不高。试 验表明，为避免中间脆性金属间化合物的形成，采用浸渍法镀上100 120^im厚的Zn层，获得的铝与钢接头强度较高，且镀Zn层越厚，接头强 度越高。铝及铝合金与不锈钢电弧熔一钎焊接时，镀Ni层焊接性比较差， 镀Zn层易被烧损；Ni-Cu-Ag复合镀层上易形成裂纹，Ni-Cu-Sn复合镀层 效果较好，Ni-Zn复合镀层效果更佳。
铝与钢镀层连接工艺主要的缺点是，工艺复杂，并且薄薄的过渡层在 随后的焊接过程中不稳定，要求技术水平很高，尤其是对大型构件施涂困 难，以及接头中存在强度分散性很大(60 200N/mm2)。
(2)钢表面堆焊过渡层印度的焊接工作者D.R.G.埃恰等人利用熔焊 工艺在钢板上堆焊适当的过渡层，然后选用铝硅焊丝进行铝与钢电弧焊连 接，并且对接头的显微组织的形状和分布进行了分析。D.R.G.埃恰等人研究 结果发现在不锈钢板上堆焊铝青铜(A旧z8)、铝镍青铜(AlBzNi5)和铝锰青铜 (AlMnBz)过渡层，堆焊层宽约15mm，表面加工成2.0mm的均匀厚度，都 可以得到满意的铝-12%硅焊缝。试验证实铝青铜最适合于用作钢板上堆焊 过渡层的填充金属材料，而铝-12%硅合金焊丝最适合把堆焊过青铜的钢板 焊在铝合金上去。通过多次试验表明，在用铝-12%硅合金焊丝把堆悍过青 铜的钢板焊到铝合金基体板上之前，先在堆焊过的青铜上在堆焊一层铝 -12%硅合金是有利的。
铝与钢堆焊过渡层连接的主要缺点是，工艺较为复杂，堆焊层机械加工困难、表面处理工艺繁琐，接头缺陷多、强度低，且在焊件修复和补焊 中难以应用。
(3)铝与钢之间加入金属中间层为了解决铝与钢熔化焊中的金属间
化合物问题，Marya M和Liu S提出可以通过在铝与钢两种金属之间夹金属 中间层来减少金属间化合物的生成。加入的中间层主要是Cu、 Ni箔片，或 者是Cu与Ni的复合中间层，也有加入Ag作为中间层的。但事实证明这种方 法的焊接效果并不理想，中间层难以避免脆性金属间化合物的生成，且接 头缺陷多，残余应力高，接头强度低。
由此可见，无论是镀层、堆焊层，还是加入中间层，采用电弧熔钎焊 接方法都难以保证获得优质的铝与钢异种金属接头，难以在实际生产中得 到应用。
发明内容
本发明的目的在于抑制铝及铝合金与钢异种材料电弧熔钎焊接中脆性 金属间化合物的产生，避免了铝及铝合金与钢异种材料电弧熔钎焊接中采 用镀层、堆焊层或加入中间层方法所产生的问题，提供了一种无镀层电弧 熔钎焊接铝钢异种材料的新方法。
为了解决上述技术问题本发明是通过以下技术方案实现的研制专用 焊丝来代替镀层或中间层，采取特殊焊接工艺条件及坡口形式进行铝及铝
合金与钢的电弧熔钎焊接。该专用焊丝是以Al-Si焊料为基，熔合有Cu、 Mn、 Zn合金元素和B、 Zr、稀土(La)微量元素的一种组合物。该组合物以 质量百分数计，含有Si: 6.0% 8.0%; Cu: 2.0% 4.0%; Mn: 1.0% 2.0%; Zn: 0.3% 0.8%; Zr: 0.05% 0.15%; B: 0.1% 0.3%; La: 0.05% 0.15%，余量为AL。
本发明涉及制造专用焊丝的方法，所述方法包括如下步骤
(a) 备料以电解铝块、电解铜块、结晶硅块、纯锰粒、纯锌粒、硼 粉、纯镧稀土为原料；
(b) 称量采用精确到0.0001g的电子天平，根据配比分别称量各种 元素量，装在密封袋中，所述配比以质量百分数计，含有
Si: 6.0% 8.0%;Cu: 2.0% 4.0%;
Mn: 1.0% 2.0%; Zn: 0.3% 0.8%; Zr: 0.05% 0.15%;
B: 0.1% 0.3%; La: 0.05% 0.15%;
其它为Al。
(C)熔炼采用中或高频感应炉，在氩气保护环境下，进行熔炼，先
将金属材料A1、 Cu、 Zr、 La进行熔炼，并在熔炼过程中加入Si、 B非金属 材料，最后加入易挥发的Zn、 Mn金属元素，制成铝基坯料；
(d) 成分分析对坯料采用能谱定量分析各元素成分，确定坯料的实 际成分，与设计焊丝成分组配进行对比，确定各种元素的挥发量；对不合 格坯料计算损失元素量，进行回炉重新熔炼，直到符合设定的组配比例；
(e) 拉丝对符合设定成分组配的坯料进行拉丝，根据使用要求的不 同制作不同规格的焊丝。
本发明还涉及焊接铝及铝合金与钢的工艺方法，所述方法包括如下步
骤
(a) 提供铝及铝合金件与钢件，将钢件固定在有冷却装置的卡具上， 铝及铝合金件与钢件对接间隙为1.0 2.0mm;
(b) 铝及铝合金件为两边都开坡口，呈K形坡口，两边坡口角度均为 50±5°，钢件侧开30土5。的坡口和1.0 2.0mm的钝边;
(c) 采用小规范脉冲交流TIG焊接方法进行单面焊接双面成形，钨极 端部成半球形，焊枪偏铝侧，同时焊丝不断送入，所述焊丝为以A1-Si焊料 为基，熔合有Cu、 Mn、 Zn合金元素和B、 Zr、稀土(La)微量元素的一种专 用焊丝。
所述的铝及铝合金件与钢件厚度小于5.0mm。 所述的铝合金为除2X X X系列以外的铝合金。
所述的钢为碳钢、结构钢、不锈钢。
与现有技术相比，本发明的优点是使用以上成分组配的特种焊丝，具有高抗裂性，抑制金属间化物生成，细化焊缝组织，改善接头性能的作 用；在常温条件下，将该种焊丝应用在上面的焊接工艺及对接坡口形式中， 可成功实现铝与钢异种材料电弧熔钎焊无镀层高效优质连接，而且操作简 单、焊接成本低、焊接过程稳定可靠。
焊丝中的Si元素能够抑制Al-Fe脆性金属间化合物的生成，铝硅焊丝 抗热裂性好、流动性好，Si元素能够降低焊丝熔点，增强液态焊丝在钢表 面润湿性和铺展性，且提高接头强度。合金元素Cu、 Mn、 Zn既与Fe元素 有亲和性，又与Al元素有一定的互溶性。Cu元素能够降低焊丝熔点，提 高焊丝强度；Mn元素能提高Al-Fe金属间化合物的塑性，尤其是与Cr相 复合合金化效果更为显著；Zn元素能够改善液态焊丝在钢表面的润湿性， 提高接头结合强度。
微量元素B、 Zr和稀土(La)元素对改善铝钢接头性能意义重大。B和 Zr是增加Al-Fe金属间化合物塑性的最有效的元素；B元素能够以间隙固 溶方式存在于Al-Fe金属间化合物中，增强Al-Fe共价健电子密度使塑性提 高，同时能够细化晶粒，强化晶界，以此提高接头性能；Zr元素与B相结 合对提高Al-Fe金属间化合物的塑性效果最为显著，Zr元素能形成Zr的 硼化物、碳化物，细化晶粒和保持纤维状的晶粒组织。稀土元素具有异质 形核细化晶粒的作用，La是表面活性元素，在铝合金中的溶解度很小，形 成化合物，增强异质形核。
普通的单面焊接过程中，只在焊接面开坡口，这样在焊接过程中接头 底部坡口处铝合金母材的熔化主要是依靠上部焊丝熔化后热传导的热量， 通过热传导使坡口处母材熔化后，上面有熔化的焊丝材料覆盖，这样下部 熔化材料中气孔难以逸出表面，最后在接头存在较多气孔缺陷。本发明中 两侧都开坡口，呈K形，上部坡口有利于焊丝的送进和焊接过程的稳定性， 下部开坡口，当铝合金母材熔化后向下流动，同时焊丝熔化后也存在向下 流动现象，通过这样的流动使气孔容易逸出，通过本发明的特殊坡口形式 使接头中的气孔缺陷大大减少，并且保证接头背面获得好的成形。
图1铝及铝合金及钢电弧熔钎焊接工艺示意图。图2接头形式及坡口形状示意图。 图3特种焊丝的制作工艺流程图
具体实施例方式
本发明提供一种独特的、在焊接铝及铝合金及钢异种材料，尤其是铝
及铝合金和钢无镀层电弧熔钎焊接时用的焊丝。该种焊丝以Al-Si焊料为 基，熔合有Cu、 Mn、 Zn合金元素和B、 Zr、稀土(La)微量元素的一种组合 物。此种焊丝的制造方法，步骤如下
(a) 备料以电解铝块、电解铜块、结晶硅块、纯锰粒、纯锌粒、硼 粉、纯镧稀土为原料；
(b) 称量采用精确到0.0001g的电子天平，根据配比分别称量各种 元素量，装在密封袋中，所述配比以质量百分数计，含有
Si: 6.0% 8.0%; Cu: 2.0% 4.0%; Mn: 1.0% 2.0%; Zn: 0,3% 0.8%; Zr: 0.05% 0.15%;
B: 0.1% 0.3%;
La: 0.05% 0.15%;
其它为Al。
(C)熔炼采用中或高频感应炉，在氩气保护环境下，进行熔炼，先
将金属材料A1、 Cu、 Zr、 La进行熔炼，并在熔炼过程中加入Si、 B非金属 材料，最后加入易挥发的Zn、 Mn金属元素，制成铝基坯料；
(d) 成分分析对坯料采用能谱定量分析各元素成分，确定坯料的实 际成分，与设计焊丝成分组配进行对比，确定各种元素的挥发量；对不合 格坯料计算损失元素量，进行回炉重新熔炼，直到符合设定的组配比例；
(e) 拉丝对符合设定成分组配的坯料进行拉丝，根据使用要求的不 同制作不同规格的焊丝。
本发明还提供一种将该焊丝应用在铝及铝合金和钢无镀层电弧熔钎焊 接的工艺方法。下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述
图1是铝及铝合金及钢电弧熔钎焊接工艺示意图。由图1所示厚度小
于5.0mm的铝及铝合金件5与钢件4，其中铝合金是除2X X X系列以外的 铝合金，钢是指碳钢、结构钢、不锈钢，两种异种材料无镀层电弧熔钎焊 接，采用小规范脉冲交流TIG焊接方法进行单面焊接，焊缝达到单面焊双 面成形要求。钨极2端部用砂轮磨制成锥形，然后把锥角磨去，最后磨制 成近半球形。焊接过程中，焊枪喷嘴1偏铝件5侧，以保证对钢件4的低 热输入，同时焊丝3不断送入，保证电弧罩在焊丝3上，减少电弧对钢件4 侧的热输入量。
图2是接头形式及坡口形状示意图。由图2所示，铝及铝合金件5与 钢件4对接间隙在1.0 2.0mm左右；钢件4侧开30士5。的坡口和1.0 2.0mm的钝边，将钢件4固定在带循环冷却水的铜卡具上；铝及铝合金件5 侧两边都开坡口，呈K形坡口，两边坡口角度均为50±5。，单面焊双面成 形。
实施例1:
材料为3.0mm厚的铝合金5A06与不锈钢1Crl8Ni9Ti对接试件，焊机 为CLOOS GLW 300 I-H-P-R型TIG焊机，采用特种焊丝及特殊焊接工艺进 行TIG熔钎焊接，得到的铝合金与不锈钢异种材料接头抗拉强度达到 180MPa，是镀层工艺下电弧熔钎焊接接头强度的2倍，接头无气孔缺陷。
实施例2:
针对2.0mm厚热轧铝合金6A02和碳钢Q235薄板，铝与钢对接间隙在 1.0左右；碳钢板侧开30。的坡口和l.Omm的钝边，将钢板固定在带循环冷 却水的紫铜卡具上；铝合金侧两边开K形坡口，坡口角度均为50。，单面焊 双面成形，采用LORCH V24型TIG焊机，焊枪偏铝合金侧l.Omm，采用 特种焊丝进行焊接。接头抗拉强度达到llOMPa，接头断裂于铝合金6A02 热影响区，焊缝无气孔缺陷。
本发明成功解决了电弧熔钎焊铝合金与不锈钢异种材料的瓶颈问题， 相对真空钎焊、扩散焊等固相连接方法，本方法焊接效果接近同等水平， 而且操作简单、焊接成本低、焊接过程稳定可靠。
权利要求
1、一种焊丝包括以Al-Si焊料为基，加入Cu、Mn、Zn合金元素和B、Zr、稀土La微量元素研制成的适用于铝及铝合金与钢异种材料电弧熔钎焊接的专用焊丝。
2、 权利要求l所述的焊丝，其特征在于成分组配以质量百分数计，含有Si: 6.0% 8.0%; Cu: 2.0% 4.0%;Mn: 1.0% 2.0%; Zn: 0.3% 0.8%; Zr: 0.05% 0.15%; B: 0.1% 0.3%; La: 0.05% 0.15%; 其它为Al。
3、 一种制造焊丝的方法，所述方法包括如下步骤(a) 备料以电解铝块、电解铜块、结晶硅块、纯锰粒、纯锌粒、硼 粉、纯镧稀土为原料；(b) 称量采用精确到0.0001g的电子天平，根据配比分别称量各种 元素量，装在密封袋中，所述成分配比以质量百分数计，含有Si: 6.0% 8.0%; Cu: 2.0% 4.0%; Mn: 1.0% 2.0%; Zn: 0.3% 0.8%; Zr: 0.05% 0.15%; B: 0.1% 0.3%; La: 0.05% 0.15%;其它为Al;(C)熔炼采用中或高频感应炉，在氩气保护环境下，进行熔炼，先将金属材料A1、 Cu、 Zr、 La进行熔炼，并在熔炼过程中加入Si、 B非金属 材料，最后加入易挥发的Zn、 Mn金属元素，制成铝基坯料；(d) 成分分析对坯料采用能谱定量分析各元素成分，确定坯料的实 际成分，与设计焊丝成分组配进行对比，确定各种元素的挥发量；对不合 格坯料计算损失元素量，进行回炉重新熔炼，直到符合设定的组配比例；(e) 拉丝对符合设定成分组配的坯料进行拉丝，根据使用要求的不 同制作不同规格的焊丝。
4、 一种焊接铝及铝合金与钢的方法，所述方法包括如下步骤(a) 提供铝及铝合金件(5)与钢件(4)，将钢件(4)固定在有冷却 装置的卡具上，铝及铝合金件(5)与钢件(4)对接间隙为1.0 2.0mm;(b) 铝及铝合金件(5)为两边都开坡口，呈K形坡口，两边坡口角 度均为50±5°，钢件侧开30±5°的坡口和1.0 2.0mm的钝边。(c) 采用小规范脉冲交流TIG焊接方法进行单面焊接双面成形，钩极 (2)端部成半球形，焊枪喷嘴(1)偏铝及铝合金件(5)侧，同时焊丝(3)不断送入，所述焊丝(3)为以A1-Si焊料为基，熔合有Cu、 Mn、 Zn合金 元素和B、 Zr、稀土(La)微量元素的一种专用焊丝。
5、 权利要求4所述的方法，其特征为步骤(a)提供铝及铝合金件(5) 与钢件(4)厚度小于5.0mm。
6、 权利要求5所述的方法，其特征为所述铝合金为除2XXX系列以 外的铝合金。
7、 权利要求5所述的方法，其特征为所述钢为碳钢、结构钢、不锈钢。
全文摘要
本发明公开了一种焊丝和其应用于铝及铝合金与钢焊接的方法，所述焊丝3为以Al-Si焊料为基，加入Cu、Mn、Zn合金元素和B、Zr、稀土(La)微量元素研制成的一种专用焊丝。所述方法包括如下步骤铝及铝合金件5为两边都开坡口，呈K形坡口，两边坡口角度均为50±5°，钢件4侧开30±5°的坡口和1.0～2.0mm的钝边；将钢件4固定在有冷却装置的卡具上，铝及铝合金件4与钢件5对接间隙为1.0～2.0mm；采用小规范脉冲交流TIG焊接方法进行单面焊接双面成形，钨极2端部成半球形，焊枪喷嘴1偏铝侧，同时焊丝3不断送入。该发明可以成功实现铝与钢异种材料电弧熔钎焊无镀层高效优质连接，而且操作简单、焊接成本低、焊接过程稳定可靠。
文档编号B23K35/28GK101284339SQ200810063869
公开日2008年10月15日 申请日期2008年1月18日 优先权日2008年1月18日
发明者宋建岭, 杨春利, 林三宝, 范成磊 申请人:哈尔滨工业大学