一种复合粉末辅助铝合金和钢激光焊方法

本发明涉及异种金属激光焊接，尤其涉及一种复合粉末辅助铝合金和钢激光焊方法。

背景技术：

1、近年来，由于能源问题和环境污染问题日益严重，绿色经济发展越来越受到全球各个国家的广泛认同。尤其在汽车工业领域，节能减排成为了当前首要的发展目标，而汽车轻量化就成为了实现这一目标的重要方法之一。有研究表明，每辆汽车耗油量75%与整车质量密切相关，汽车整体重量每减少10%，耗油量减少约8%，二氧化碳等气体排放降低4%，汽车的使用寿命还能延长。铝合金具有无磁性、低温韧性、密度小，易加工成形、良好的耐腐蚀性且比强度高等优点，被广泛用于汽车零部件的制造中；传统钢材料由于其强度大，价格低廉，塑性、韧性高并且性能可靠等特点，常被用于汽车底盘零件的制造。因此，实现铝/钢异质材料优质高效的连接，用铝/钢一体化结构件代替单一的钢材料结构件，不仅能促进汽车轻量化发展，还能实现节能减排的目的，具有良好的经济效益和广阔的发展前景。

2、随着激光焊接技术的兴起发展，其在铝钢异种金属焊接领域也逐渐得到应用。激光焊接具有能量密度高、热输入量小、焊接效率高等特点，对于铝合金部件制造而言，激光焊接技术的优势在于焊接速度高、焊件变形小、制造柔性和自动化程度高。但是由于铝钢的熔点、密度、热导率和线膨胀系数等物理性能差异较大，导致铝钢激光焊时界面处极易生成fe-al脆性相，严重脆化焊接接头。焊接过程不稳定，容易出现飞溅、未焊透、裂纹等缺陷。其次，铝合金母材对激光的反射率较高，焊接过程中激光能量利用率较低。因此，要想实现铝钢异种材料的高效连接，只调整激光工艺参数还远远不够，需要发明一种稳定的辅助焊接工艺来解决这些问题。

3、查阅现有的相关技术文献可知，在铝钢之间填充粉末来辅助激光焊接能够改善焊缝成形，增大母材对激光的吸收率，调控界面fe-al金属间化合物相的生成，从而提高接头的力学性能。有研究表明，用纯cu片作中间夹层（周惦武,田伟,彭利等.镀锌钢/铝添加中间夹层cu、pb的激光搭接焊研究）能够改善焊缝表面金属烧损现象，减少焊接裂纹和未焊透等缺陷，但由于界面会生成cu-al脆性相，导致接头强度提升不明显。而在铝钢之间预置si粉（王涛，周惦武，彭艳，等.铝钢异种合金预置si粉的光纤激光焊接）可以改善熔池的流动性，si元素可以与fe、al反应生成延性al0.5fe3si0.5新相，抑制fe-al脆性相的生成，但焊缝区晶粒尺寸无明显变化。申请号为cn202210531975.1的中国专利介绍了一种在铝钢激光焊中间层添加alsi粉末的方法，该方法可以抑制fe-al脆性相的产生，降低金属间化合物厚度，提高接头的抗拉强度。添加al+ceo2粉末（房晓玉. ceo2添加量对6061-t6铝合金焊缝组织和性能的影响）可以抑制熔池从液态向固态的转化过程中氢气孔的产生，减少了焊缝的气孔率，并且能细化焊缝组织晶粒。

4、申请号为cn201510401274.6的中国专利介绍了一种铝钢熔钎焊用药芯焊丝的制备方法，内部药芯由铝硅合金粉、锡粉、钛粉、镍粉、锌粉、银粉、稀土、氟铝酸盐组成，其中稀土元素可以起到细化晶粒的作用。

5、本发明所要解决的技术问题是克服现有铝钢中间层粉末添加技术中出现的焊缝存在裂纹和气孔、脆性相的生成长大、晶粒尺寸变化等问题，提供了一种在铝钢搭接面上添加由alsicu粉和稀土氧化物ceo2粉混合制备得到的复合粉末作为中间层进行激光焊接的方法，这种复合粉末的配方合理，每种元素对焊缝缺陷或组织形貌均能发挥一定改善作用，从而提高接头的力学性能，且复合粉末的制作方法简单。其中alsicu粉能够抑制钢中的fe元素向焊缝扩散，调控界面反应，抑制脆性相的生成，减小imc厚度；此外，alsicu粉对激光的吸收率大于铝合金，使得更多的激光能量被铝合金吸收，焊缝熔深增大；而ceo2粉能够起到细化晶粒的作用，并改善熔池对流，抑制微裂纹和气孔的产生，提高接头的硬度和耐磨耐蚀性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合粉末辅助铝合金和钢激光焊方法，用以解决焊缝成形相关问题，提高铝合金/钢焊接接头的力学性能，实现铝钢异种材料的高效连接，最终达到促进铝/钢一体化结构件在汽车领域的广泛应用这一目的，推动汽车车身轻量化发展。

2、为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为：

3、本发明公开了一种复合粉末辅助铝合金和钢激光焊方法，包括如下步骤，

4、（1）按照设定的质量比在alsicu粉中添加一定量的ceo2粉，将两种粉末用丙酮混合，从而制得中间层复合粉末；

5、（2）对两块待焊接基材进行预处理；

6、（3）将制备得到的中间层复合粉末均匀涂覆在对应的待焊接基材的搭接面；

7、（4）采用激光焊接的方式对两块所述待焊接基材进行焊接处理。

8、所述步骤（2）中，两块待焊接基材分别为低碳钢和铝合金。

9、所述步骤（3）中，涂覆厚度为0-100µm，待丙酮挥发后再进行焊接试验。

10、所述中间层复合粉末正alsicu粉的质量比为90%-100%，ceo2粉质量比为0%-10%。

11、所述步骤（2）中的预处理采用机械清理与化学清理的方式去除铝合金表面氧化膜与杂质，焊前先用细砂纸打磨待焊部位（正反两面），然后用质量分数为5%的naoh溶液浸泡2min，再用质量分数为30%的hno3溶液浸泡1min，最后用流水清洗30s，吹干待用。低碳钢板采用机械清理方式处理，先采用400#和800#砂纸打磨待焊部位，再用丙酮浸泡去除表面油污，流水冲洗，吹干待用。

12、所述低碳钢搭接于铝合金的上方形成搭接面，搭接面的长度为16mm，焊接处位于两者搭接面的正中间。

13、所述步骤（4）中激光焊接的参数包括激光功率为700-1000w，焊接速度为0.03-0.09m/s，离焦量为(-2)-(+4)mm，保护气体为氩气，采取侧吹的方式, 气流量为20l/min；激光头沿垂直激光行进方向偏离2-10°。

14、本发明的有益效果在于：

15、（1）添加复合粉末后焊接过程稳定，焊缝表面光滑饱满，成形美观，热影响区小，无飞溅、裂纹等缺陷产生，焊接效率明显提高，焊缝内部组织晶粒细化，imc厚度减小，接头的力学性能改善显著；添加alsicu+ceo2复合粉末时焊接过程稳定，焊缝成形美观，表面饱满光滑、热影响区小，无可见焊接缺陷产生。ceo2的加入，有效改善了焊缝顶部的组织，使焊缝晶粒细化，抑制了微裂纹和气孔的产生，接头的抗拉剪力得到提高。

16、（2）粉末的制备工艺简单，焊接效率得到提高。

技术特征：

1.一种复合粉末辅助铝合金和钢激光焊方法，其特征在于：包括如下步骤，

2.根据权利要求1所述的一种复合粉末辅助铝合金和钢激光焊方法，其特征在于：所述步骤（2）中，两块待焊接基材分别为低碳钢和铝合金。

3.根据权利要求1所述的一种复合粉末辅助铝合金和钢激光焊方法，其特征在于：所述步骤（3）中，涂覆厚度为0-100µm，待丙酮挥发后再进行焊接试验。

4.根据权利要求1所述的一种复合粉末辅助铝合金和钢激光焊方法，其特征在于：所述中间层复合粉末正alsicu粉的质量比为90%-100%，ceo2粉质量比为0%-10%。

5.根据权利要求2所述的一种复合粉末辅助铝合金和钢激光焊方法，其特征在于：所述步骤（2）中的预处理采用机械清理与化学清理的方式去除铝合金表面氧化膜与杂质，焊前先用细砂纸打磨待焊部位（正反两面），然后用质量分数为5%的naoh溶液浸泡2min，再用质量分数为30%的hno3溶液浸泡1min，最后用流水清洗30s，吹干待用。低碳钢板采用机械清理方式处理，先采用400#和800#砂纸打磨待焊部位，再用丙酮浸泡去除表面油污，流水冲洗，吹干待用。

6.根据权利要求5所述的一种复合粉末辅助铝合金和钢激光焊方法，其特征在于：所述低碳钢搭接于铝合金的上方形成搭接面，搭接面的长度为16mm，焊接处位于两者搭接面的正中间。

7.根据权利要求1所述的一种复合粉末辅助铝合金和钢激光焊方法，其特征在于：所述步骤（4）中激光焊接的参数包括激光功率为700-1000w，焊接速度为0.03-0.09m/s，离焦量为(-2)-(+4)mm，保护气体为氩气，采取侧吹的方式, 气流量为20l/min；激光头沿垂直激光行进方向偏离2-10°。

技术总结
本发明涉及异种金属激光焊接技术领域，尤其涉及一种复合粉末辅助铝合金和钢激光焊方法，包括如下步骤，按照设定的质量比在AlSiCu粉中添加一定量的CeO<subgt;2</subgt;粉，将两种粉末用丙酮混合，从而制得中间层复合粉末；对两块待焊接基材进行预处理；将制备得到的中间层复合粉末均匀涂覆在对应的待焊接基材的搭接面；采用激光焊接的方式对两块所述待焊接基材进行焊接处理。本发明添加AlSiCu+CeO2复合粉末时焊接过程稳定，焊缝成形美观，表面饱满光滑、热影响区小，无可见焊接缺陷产生。CeO2的加入，有效改善了焊缝顶部的组织，使焊缝晶粒细化，抑制了微裂纹和气孔的产生，接头的抗拉剪力得到提高。

技术研发人员：雷敏,郑庆泽,李玉龙,周奎,张超华,田晓羽
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16