一种基于外加磁场辅助异种材料的激光-电弧复合焊方法与流程

1.本发明属于异种材料焊接技术领域，具体涉及一种基于外加磁场辅助异种材料的激光-电弧复合焊方法。


背景技术：

2.汽车制造轻量化是目前汽车行业的研究热点。为达到节能减排的目的，使用轻质材料铝代替钢可以在满足结构强度要求的前提下大大降低结构的重量。因此，铝/钢焊接接头的质量、效率以及其可靠性显得至关重要。
3.铝合金和钢在物理和化学性能存在很大的差异，比如热膨胀系数、热导率及热容量均相差较大，这样，在将铝合金和钢进行焊接时，容易在接头处产生较大的热应力。同时钢和铝之间在焊接过程中容易产生脆性的金属间化合物，进而会降低接头的力学性能。因此，铝/钢的连接问题一直是国内外研究的一个难题，在一定程度上限制了铝/钢结构件的进一步应用。铝的熔点较低(610℃左右)，而钢的熔点较高(1535℃左右)，在采用普通的熔化焊连接方法时，当铝合金已经开始熔化，钢往往还保持在固态状态，且接头中会产生大量硬而脆的金属间化合物，导致铝/钢普通熔化焊接头力学性能很低。目前铝/钢的焊接方法主要包括压力焊、钎焊以及熔钎焊等。然而，压力焊和钎焊在焊件形状结构以及焊接效率方面会受到一定程度的限制。而熔钎焊方法利用二种合金熔点差异很大的特点，在焊接过程中使低熔点合金先熔化形成熔焊形式接头，同时，使高熔点金属保持固态，通过低熔点液相润湿高熔点固态母材，形成钎焊形式接头，因此，熔钎焊相当于兼顾了熔焊和钎焊两种特征，实现异种材料的有效连接。
4.相比于铝/钢电弧熔钎焊和激光熔钎焊，激光-电弧(激光-mig电弧)复合熔钎焊综合了电弧和激光的优势，不但可采用填充材料改善焊缝组织，且激光-电弧复合热源焊接效率高，热输入小，热应力小，焊接变形小。尤其在铝/钢异种材料的焊接过程中，热输入的减少对界面化合物量的减少及控制起到了积极作用，在一定程度上可提高焊缝力学性能。然而，对于如何有效的控制界面化合物，研究者们进行了各种各样的尝试。比如通过促进熔融金属在镀锌钢侧润湿铺展，提高铺展宽度，可提高接头抗剪载荷。现有技术中的一些提高熔融金属的铺展及流动的技术手段，往往需要对激光头进行改造，其成本较高，不便于大面积推广应用，无法促进铝/钢结构的工业化利用。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于外加磁场辅助异种材料的激光-电弧复合焊方法，该方法步骤简单，实施成本低，可有效提高焊缝力学性能和成形的形态。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种基于外加磁场辅助异种材料的激光-电弧复合焊方法，包括如下步骤：
7.步骤一：先将铝合金和钢的待焊区进行清洗处理，再将铝合金板放在钢板上面，并
搭接一定的宽度，形成待焊工件；
8.步骤二：采用激光-mig电弧复合热源对待焊工件进行焊接；
9.在焊接的过程中，采用激光热源在前，电弧热源在后的方式进行焊接，且光丝的间距为2～4mm；同时，使激光与垂直于铝合板所在面的夹角为0～10
°
，离焦量为0～2mm，激光功率为1～3kw；采用直径1.2mm的铝基焊丝作为填充金属，并使电弧焊枪与铝合板的夹角为40～60
°
，电流为100～250a；焊接速度为0.5～3m/min，并采用氩气作为保护气体，保护气体的气流速度为10～25l/min；同时，使激光热源与电弧热源在搭接处向铝合金侧偏移0～2mm，并施加磁场强度为10～100mt的交变横向磁场。
10.在步骤一中清洗处理的方法如下：
11.先使用砂纸对铝合金板需要焊接的部位进行打磨，将铝板表面的氧化膜去除；再用棉花球蘸取有机溶剂擦拭经过打磨的铝合金板和钢板，将铝合金板和钢板表面的杂质去除；最后对经过擦拭的铝合金板和钢板进行快速吹干处理，然后放于干燥处待焊。
12.进一步，为了提高焊缝的力学性能和成形形态，在步骤一中搭接的宽度为10mm。
13.作为一种优选，在步骤一中，所述铝合金为7075高强铝合金；钢材为dc51d镀锌钢。
14.进一步，为了提高清洁效果，在步骤一中，所述有机溶剂为丙酮。
15.作为一种优选，在步骤一中，所述铝合金板的厚度为2.7mm，长度为150mm，宽度为100mm；所述钢板厚度为2.0mm，长度为150mm，宽度为100mm。
16.在步骤二中，光丝间距为3mm；激光与垂直于铝合板所在面的夹角为10
°
，离焦量为0mm，激光功率为2kw；电弧焊枪与铝合板的夹角为60
°
，电流为100a；焊接速度为1m/min，保护气体的气流速度为15l/min；激光热源与电弧热源在搭接处向铝合金侧偏移0mm，施加交变横向磁场的磁场强度为20mt或50mt。
17.本发明中，采用了激光-mig电弧复合熔钎焊的方法，有效的减少了焊接的热输入，因而热应力较小，焊接变形小，有利于提高焊缝的力学性能。采用铝基焊丝作为填充焊丝，可以起到改善焊缝组织的作用。由于电弧在交变横向磁场作用下可对熔融金属起到搅拌的作用，并能扩大熔融金属向两侧的流动量，进而可以使已经融化的液态金属向保持固态的母材流动铺展，因此，基于外加磁场的辅助，配合调整激光-电弧工艺参数，可有效降低焊缝气孔等缺陷，并能提高熔融金属(铝合金)在钢侧的润湿性，进而有效提高了接头的载荷，并可得到成形良好，性能优良的焊缝。这样，通过激光-电弧复合熔钎焊技术，并在焊接过程中保持焊接速度为匀速，再辅助施加磁场强度恒定的交变横向磁场，能使焊接组织中的针状组织被打断，实现细长针状组织向细小棒状组织转变，以形成在铝合金和钢板搭接面形成锯齿状连接的焊接结构，从而能实现铝/钢之间的有效连接，得到成形及性能良好的铝/钢异种材料激光-电弧复合熔钎焊接头，有利于促进铝/钢结构的工业化利用。
附图说明
18.图1是本发明中激光-电弧复合焊接方法示意图一；
19.图2是本发明中激光-电弧复合焊接方法示意图二。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明作进一步的描述：
21.如图1和图2所示，本发明提供了一种基于外加磁场辅助异种材料的激光-电弧复合焊方法，包括如下步骤：
22.步骤一：先将铝合金和钢的待焊区进行清洗处理，再将铝合金板放在钢板上面，并搭接一定的宽度，形成待焊工件；
23.作为一种优选，所述铝合金为7075高强铝合金；钢材为dc51d镀锌钢。所述铝合金板的厚度为2.7mm，长度为150mm，宽度为100mm；所述钢板厚度为2.0mm，长度为150mm，宽度为100mm。
24.为了能有效确保清洁效果，清洗处理的方法如下：
25.先使用砂纸对铝合金板需要焊接的部位进行打磨，将铝板表面的氧化膜去除；再用棉花球蘸取有机溶剂擦拭经过打磨的铝合金板和钢板，将铝合金板和钢板表面的杂质(油污等)去除；最后对经过擦拭的铝合金板和钢板进行快速吹干处理，然后放于干燥处待焊。作为一种优选，为了提高清洁效果，所述有机溶剂为丙酮。
26.作为一种优选，为了提高焊缝的力学性能和成形形态，搭接的宽度为10mm。
27.步骤二：采用激光-mig电弧复合热源对待焊工件进行焊接；
28.在焊接的过程中，采用激光热源在前，电弧热源在后的方式进行焊接，且光丝的间距为2～4mm；同时，使激光与垂直于铝合板所在面的夹角为0～10
°
，离焦量为0～2mm，激光功率为1～3kw；采用直径1.2mm的铝基焊丝(al-5si)作为填充金属，并使电弧焊枪与铝合板的夹角为40～60
°
，电流为100～250a；焊接速度为0.5～3m/min，并采用氩气作为保护气体，保护气体的气流速度为10～25l/min；同时，使激光热源与电弧热源在搭接处向铝合金侧偏移0～2mm，并施加磁场强度为10～100mt的交变横向磁场。
29.实施例1：
30.将经过焊前清洗预处理的7075高强铝合金和dc51d镀锌钢按照图1所示进行装配组成搭接接头。
31.采用激光热源在前，电弧热源在后的方式进行焊接；光丝间距为3mm；激光与垂直于铝合板所在面的夹角为10
°
，离焦量为0mm，激光功率为2kw；焊丝为1.2mm的al-si5铝基焊丝；电弧焊枪与铝合板的夹角为60
°
，电流为100a；焊接速度为1m/min，保护气体为纯氩气，保护气体的气流速度为15l/min；激光热源与电弧热源在搭接处向铝合金侧偏移0mm，施加交变横向磁场的磁场强度为20mt。
32.在本实施例中，得到的焊缝连续均匀，焊缝搭接接头成形美观，润湿性好，无气孔。焊后对该焊缝进行了拉剪试验，测得其抗剪强度达到138mpa，显著优于常规焊接方法所获得的焊缝质量及抗剪强度。
33.实施例2：
34.将经过焊前清洗预处理的7075高强铝合金和dc51d镀锌钢按照图1所示进行装配组成搭接接头。
35.采用激光热源在前，电弧热源在后的方式进行焊接；光丝间距为3mm；激光与垂直于铝合板所在面的夹角为10
°
，离焦量为0mm，激光功率为2kw；焊丝为1.2mm的al-si5铝基焊丝；电弧焊枪与铝合板的夹角为60
°
，电流为100a；焊接速度为1m/min，保护气体为纯氩气，保护气体的气流速度为15l/min；激光热源与电弧热源在搭接处向铝合金侧偏移0mm，施加交变横向磁场的磁场强度为50mt。
36.在本实施例中，得到的焊缝连续均匀，焊缝搭接接头成形美观，润湿性好，无气孔。焊后对该焊缝进行了拉剪试验，测得其抗剪强度达到147mpa，显著优于常规焊接方法所获得的焊缝质量及抗剪强度。
37.本发明中，采用了激光-mig电弧复合熔钎焊的方法，有效的减少了焊接的热输入，因而热应力较小，焊接变形小，有利于提高焊缝的力学性能。采用铝基焊丝作为填充焊丝，可以起到改善焊缝组织的作用。由于电弧在交变横向磁场作用下可对熔融金属起到搅拌的作用，并能扩大熔融金属向两侧的流动量，进而可以使已经融化的液态金属向保持固态的母材流动铺展，因此，基于外加磁场的辅助，配合调整激光-电弧工艺参数，可有效降低焊缝气孔等缺陷，并能提高熔融金属(铝合金)在钢侧的润湿性，进而有效提高了接头的载荷，并可得到成形良好，性能优良的焊缝。这样，通过激光-电弧复合熔钎焊技术，并在焊接过程中保持焊接速度为匀速，再辅助施加磁场强度恒定的交变横向磁场，能使焊接组织中的针状组织被打断，实现细长针状组织向细小棒状组织转变，以形成在铝合金和钢板搭接面形成锯齿状连接的焊接结构，从而能实现铝/钢之间的有效连接，得到成形及性能良好的铝/钢异种材料激光-电弧复合熔钎焊接头，有利于促进铝/钢结构的工业化利用。