[发明专利]过渡层辅助的高强钢-铝合金异种金属等离子弧焊接方法

说明书

本发明涉及一种过渡层辅助的高强钢‑铝合金异种金属等离子弧焊接方法，属于材料焊（连）接技术领域。工艺步骤为：试板表面处理→高强钢‑过渡层‑铝合金接触面预紧力调节→穿孔型等离子弧热源在高强钢‑过渡层接触面施焊，实现高强钢‑铝合金异种金属的连接。本发明针对高强钢‑铝合金异种金属焊接接头的脆性问题，采用能量集中的穿孔型等离子弧作为焊接热源，选用铜作为过渡层，在单热源一次施焊的情况下形成包含钢‑铜熔化连接和铜‑铝瞬时液相扩散连接的复合接头。复合接头中存在的部分未熔化的铜过渡层可有效阻止铁、铝元素的混合及冶金反应，从而避免脆性Fe‑Al金属间化合物的形成，降低接头脆性，改善其力学性能。

技术领域

本发明涉及航空航天、交通运输、机械制造等技术领域，特别涉及材料焊（连）接技术领域，尤指一种过渡层辅助的高强钢-铝合金异种金属等离子弧焊接方法。本发明针对高强钢-铝合金异种金属焊接接头的脆性问题，采用能量集中的穿孔型等离子弧作为焊接热源，选用铜作为过渡层，在单热源一次施焊的情况下形成包含钢-铜熔化连接和铜-铝瞬时液相扩散连接的复合接头。复合接头中存在的部分未熔化的铜过渡层可有效阻止铁、铝元素的混合及冶金反应，从而避免脆性Fe-Al金属间化合物的形成，降低接头脆性，改善其力学性能。

背景技术

铝及铝合金是目前应用最广的一种轻金属，具有密度小、比强度高、耐蚀性好等优点，高强钢具有高的抗拉强度、良好的韧性及较高的比强度和屈强比。增加铝合金与高强钢的用量可实现工业领域轻量化的目标，两者的可靠连接在航空航天、交通运输、机械制造等技术领域的关键构件中起到极为重要的作用，但由于铝和钢在物理、化学性质及晶体结构上存在显著的差异且Fe和Al之间的固溶度极低，导致在熔化焊过程中钢-铝焊接接头极易形成大量脆性的Fe-Al金属间化合物，严重恶化了焊接性及接头的力学性能。因此，采用熔化焊技术直接进行高强钢-铝合金异种金属焊接时难以制备出力学性能优异的接头。

目前，通过控制焊接线能量的方式可实现高强钢-铝合金的熔-钎焊连接，焊接过程中铝合金与填充焊丝受热熔化，液态金属铺展至固态钢表面，在钢和铝界面处形成连续的界面层，界面层厚度控制在10μm以下（CN 107824950 B），在一定程度上提高了钢-铝接头力学性能，但是接头中界面层的成分仍为脆性的Fe-Al金属间化合物，存在脆性断裂的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过渡层辅助的高强钢-铝合金异种金属等离子弧焊接方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明针对接头的脆性问题，采用能量集中的穿孔型等离子弧作为焊接热源，选用铜作为过渡层，在单热源一次施焊的情况下形成包含钢-铜熔化连接和铜-铝瞬时液相扩散连接的复合接头。复合接头中存在的部分未熔化的铜过渡层可有效阻止铁、铝元素的混合及冶金反应，从而避免脆性Fe-Al金属间化合物的形成，降低接头脆性，改善其力学性能。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

过渡层辅助的高强钢-铝合金异种金属等离子弧焊接方法，采用能分别与钢、铝实现连接的金属材料作为过渡层，在高强钢-过渡层界面上采用等离子弧焊施加单热源，使高强钢-过渡层界面上形成熔化焊焊缝；同时，由于等离子弧的加热效果，热量经由过渡层传导到过渡层-铝合金的界面上，形成瞬时液相扩散焊焊缝。

等离子弧热源为穿孔型，为使等离子弧的弧柱直径进一步缩小、能量密度进一步增加，选取的钨极直径为1.6mm，压缩喷嘴孔径为1.5-2.0mm；过渡层的材料为纯铜，其厚度为1.5-2.5mm；高强钢-铝合金母材厚度范围为3-5mm。

所述的过渡层辅助的高强钢-铝合金异种金属等离子弧焊接方法，包括如下步骤：

a）焊前准备：分别将高强钢、铝合金试板、铜过渡层进行精细的机械打磨，经碱洗和酸洗后备用；

b）接头形式：接头形式为I形坡口对接，组焊装夹时保证高强钢-铜过渡层-铝合金接触面存在10N-30N的预紧力；