一種高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及冶金、材料、機(jī)械及汽車、軌道客車等行走機(jī)械【技術(shù)領(lǐng)域】的一種高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接方法。該方法針對高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬焊接性問題，基于鋼-鋁異種金屬電阻點焊過程的熱、電、力耦合特點和點焊參數(shù)對鋁合金熔核直徑、鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度、接頭拉剪力及點焊缺陷等的影響規(guī)律，采用正交設(shè)計試驗方法優(yōu)化電阻點焊參數(shù)，一定程度上增大鋁合金熔核直徑、限制鋼/鋁界面金屬間化合物生長，防止點焊噴濺及接頭裂紋、縮孔、未熔合等缺陷，從而提高高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬電阻點焊接頭的力學(xué)性能及點焊質(zhì)量。具體工藝步驟為：焊件表面處理→采用F型電極和優(yōu)化的點焊參數(shù)→高強(qiáng)鋼-鋁合金點焊連接。
【專利說明】一種高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及冶金、材料、機(jī)械及汽車、軌道客車等行走機(jī)械【技術(shù)領(lǐng)域】的一種高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接方法，屬于異種材料連接【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源緊缺和環(huán)境污染問題日益加劇，作為制造業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)的汽車、軌道客車等行走機(jī)械工業(yè)正面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。輕量化、節(jié)能、環(huán)保和安全已成為當(dāng)今汽車、軌道客車等發(fā)展的必然趨勢。目前，國內(nèi)外汽車、軌道客車輕量化的實現(xiàn)途徑和關(guān)鍵技術(shù)主要包括三個方面:一是輕量化材料的應(yīng)用；二是結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計與優(yōu)化；三是新型制造工藝技術(shù)的使用。高強(qiáng)鋼和鋁合金是主要的輕量化材料，其次是鎂合金、復(fù)合材料及塑料等。因此，在設(shè)計和制造中增加高強(qiáng)鋼、鋁合金等輕量化材料的應(yīng)用量是實現(xiàn)汽車和軌道客車輕量化的有效途徑。隨之而來的鋼-鋁異種金屬的焊接便成為亟待解決的問題。由于鋼和鋁的物理性質(zhì)(熔點、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)等)存在明顯的差異，且焊接區(qū)極易形成脆硬的金屬間化合物，導(dǎo)致鋼-鋁異種金屬的焊接性極差，嚴(yán)重惡化焊接接頭的力學(xué)性能，無法實現(xiàn)可靠的連接。這已成為制約汽車、軌道客車輕量化的技術(shù)瓶頸之一。電阻點焊是汽車、軌道客車制造中應(yīng)用最為廣泛的焊接技術(shù)之一。在高強(qiáng)鋼-鋁合金點焊過程中，鋁熔化形成熔核而鋼保持固態(tài)，本質(zhì)上屬于熔-釬焊的范疇，存在的主要問題是:(I)在鋼/鋁界面形成脆硬的金屬間化合物層(Fe2Al5、Fe4Al13),明顯降低接頭的力學(xué)性能；(2)鋁合金熔核和鋼/鋁界面易形成裂紋、縮孔及未熔合等缺陷，不僅降低接頭力學(xué)性能而且影響點焊質(zhì)量。采用電極板(鋼/鋁/鋼)或中間層(鋼/中間層/鋁)輔助鋼-鋁電阻點焊，雖可一定程度上改善接頭的力學(xué)性能，但工藝較為復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，且不易實現(xiàn)焊接生產(chǎn)的自動化。優(yōu)化電阻點焊參數(shù)(焊接電流、焊接時間、電極壓力等)是一定程度上解決上述問題最直接有效的方法。因此，通過優(yōu)化點焊參數(shù)提高接頭力學(xué)性能和改善點焊質(zhì)量是可行的，研發(fā)的高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬電阻點焊連接技術(shù)具有重要的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接方法，該方法基于高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬電阻點焊過程的熱、電、力耦合特點和點焊參數(shù)(焊接電流、焊接時間、電極壓力等)對鋁合金熔核直徑、鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度、接頭拉剪力及點焊缺陷等的影響規(guī)律，采用正交設(shè)計試驗方法優(yōu)化電阻點焊參數(shù)，一定程度上增大熔核直徑、限制界面金屬間化合物生長，防止點焊噴濺及接頭裂紋、縮孔、未熔合等缺陷，從而提高高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬電阻點焊接頭的力學(xué)性能及點焊質(zhì)量。
[0004]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0005]一種高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接方法，按以下工藝步驟進(jìn)行:
[0006]a)焊前準(zhǔn)備:首先將高強(qiáng)鋼、鋁合金板表面用1200#的SiC砂紙打磨去除氧化膜，然后用丙酮清洗，鍍鋅鋼板表面可不打磨直接用丙酮清洗。[0007]b)連接方法:高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接采用電阻點焊方法，使用F型電極(DINIS05821-F16X20),電極材料為 Cu-Cr 合金(DIN IS05821A2/2)。
[0008]c)點焊參數(shù):采用優(yōu)化的電阻點焊參數(shù):焊接電流9-10kA、焊接時間200-250ms、電極壓力2.0-2.5kN，通過增大熔核直徑(> 5.5_)、限制鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度(< 8 μ m)、防止點焊噴濺及接頭缺陷等技術(shù)途徑，提高鋁合金-高強(qiáng)鋼異種材料電阻點焊接頭的力學(xué)性能及點焊質(zhì)量。
[0009]研究結(jié)果表明，鋁合金熔核直徑和鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度是影響點焊接頭力學(xué)性能的主要因素；增加焊接電流或焊接時間有利于增大熔核直徑和提高點焊接頭的拉剪力，但過大的焊接電流或過長的焊接時間導(dǎo)致鋼/鋁鋼界面金屬間化合物層厚度明顯增加，接頭力學(xué)性能明顯降低，且易產(chǎn)生點焊噴濺及接頭裂紋、縮孔缺陷；電極壓力過小易產(chǎn)生點焊噴濺及接頭未熔合缺陷，隨著電極壓力增大，熔核直徑、界面金屬間化合物層厚度及點焊接頭拉剪力有增加的趨勢；采用正交設(shè)計試驗方法優(yōu)化電阻點焊參數(shù)，可一定程度上增大熔核直徑、限制界面金屬間化合物生長，防止點焊噴濺及接頭缺陷，提高高強(qiáng)鋼-鋁合金點焊接頭的力學(xué)性能及點焊質(zhì)量。
[0010]采用本發(fā)明的方法(優(yōu)化焊接參數(shù))進(jìn)行高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬電阻點焊連接，點焊接頭達(dá)到的性能指標(biāo)為:
[0011](I)鋁合金-高強(qiáng)鋼異種金屬電阻點焊接頭拉剪力3000-3500N，接頭具有紐扣斷裂特征；
[0012](2)鋁合金熔核直徑> 5.5mm，鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度< 8μπι;
[0013](3)點焊接頭無噴濺、裂紋、縮孔及未熔合缺陷。
[0014]本發(fā)明具有以下主要優(yōu)點:
[0015](I)基于電阻點焊參數(shù)對鋁合金熔核直徑、鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度、接頭拉剪力及點焊缺陷等的影響規(guī)律，采用正交設(shè)計試驗方法優(yōu)化電阻點焊參數(shù)，提高高強(qiáng)鋼-鋁合金點焊接頭的力學(xué)性能及點焊質(zhì)量，優(yōu)化的點焊參數(shù)工藝帶適當(dāng)易于接頭性能及質(zhì)量控制；
[0016](2)高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬電阻點焊連接，采用常用的標(biāo)準(zhǔn)電極，無需加電極板或中間層輔助焊接，點焊工藝簡便，有利于提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)焊接生產(chǎn)自動化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是鋁合金-高強(qiáng)鋼異種金屬電阻點焊接頭的組織結(jié)構(gòu)特點。
[0018]圖2是鋁/鋼界面金屬間化合物層及化合物層裂紋。
[0019]圖1中:A-高強(qiáng)鋼，B-鋁合金，C-鋁合金熔核。
[0020]圖2中:A-高強(qiáng)鋼，C-鋁合金熔核，D-鋼/鋁界面金屬間化合物層，E-化合物層裂紋。
【具體實施方式】
[0021]下面舉例詳細(xì)說明本發(fā)明的具體內(nèi)容及實施方式。
[0022]所述的一種高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接方法包括:16Μη高強(qiáng)鋼與6082-Τ6鋁合金異種金屬電阻點焊連接，H220YD鍍鋅高強(qiáng)鋼與6082-T6鋁合金異種金屬電阻點焊連接，H220YD鍍鋅高強(qiáng)鋼與6008-T66鋁合金異種金屬電阻點焊連接。
[0023]實施例1、采用本發(fā)明的方法進(jìn)行16Mn高強(qiáng)鋼與6082-T6鋁合金異種金屬電阻點焊連接，高強(qiáng)鋼和鋁合金的板厚均為1.0mm。焊前，將高強(qiáng)鋼、鋁合金板表面用1200#的SiC砂紙打磨去除氧化膜，然后用丙酮清洗；點焊使用F型電極(DIN IS05821-F16X20),電極材料為Cu-Cr合金(DIN IS05821A2/2);點焊參數(shù):焊接電流9kA、焊接時間230ms、電極壓力2.3kN ;點焊接頭拉剪力3200N (具有紐扣斷裂特征)，鋁合金熔核直徑5.6mm，鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度5.5 μ m，點焊接頭無噴濺、裂紋、縮孔及未熔合等缺陷。
[0024]實施例2、采用本發(fā)明的方法進(jìn)行H220YD鍍鋅高強(qiáng)鋼與6082-T6鋁合金異種金屬電阻點焊連接，高強(qiáng)鋼板厚1.0mm，鋁合金板厚1.5mm。焊前，將鋁合金板表面用1200#的SiC砂紙打磨去除氧化膜，然后用丙酮清洗，鍍鋅鋼板表面用丙酮清洗；點焊使用F型電極(DINIS05821-F16X20),電極材料為Cu-Cr合金(DIN IS05821A2/2);點焊參數(shù):焊接電流10kA、焊接時間240ms、電極壓力2.5kN ;點焊接頭拉剪力3500N (具有紐扣斷裂特征)，鋁合金熔核直徑6.0mm，鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度6.2μπι ;點焊接頭無噴濺、裂紋、縮孔及未熔合等缺陷。
[0025]實施例3、采用本發(fā)明的方法進(jìn)行H220YD鍍鋅高強(qiáng)鋼與6008-Τ66鋁合金異種金屬電阻點焊連接，高強(qiáng)鋼板厚1.0_，鋁合金板厚1.5mm。焊前，將鋁合金板表面用1200#的SiC砂紙打磨去除氧化膜，然后用丙酮清洗，鍍鋅鋼板表面用丙酮清洗；點焊使用F型電極(DINIS05821-F16X20),電極材料為Cu-Cr合金(DIN IS05821A2/2);點焊參數(shù):焊接電流
9.0kA、焊接時間250ms、電極壓力2.5kN ;點焊接頭拉剪力3350N (具有紐扣斷裂特征)，鋁合金熔核直徑5.7mm,鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度5.8 μ m，點焊接頭無噴濺、裂紋、縮孔及未熔合等缺陷。
【權(quán)利要求】
1.一種高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接方法，其特征在于，按以下工藝步驟進(jìn)行: a)焊前準(zhǔn)備:首先將高強(qiáng)鋼和鋁合金板表面用1200#的SiC砂紙打磨去除氧化膜，然后用丙酮清洗，鍍鋅鋼板表面可不打磨直接用丙酮清洗； b)連接方法:高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接采用電阻點焊方法，使用F型電極DINIS05821-F16X20,電極材料為 Cu-Cr 合金 DIN IS05821A2/2 ； c)點焊參數(shù):采用優(yōu)化的電阻點焊參數(shù):焊接電流9-10kA、焊接時間200-250ms、電極壓力2.0-2.5kN，通過增大熔核直徑(> 5.5mm)、限制鋼/鋁界面金屬間化合物層厚度< 8 μ m、防止點焊噴濺及接頭缺陷等技術(shù)途徑，提高鋁合金-高強(qiáng)鋼異種材料電阻點焊接頭的力學(xué)性能及點焊質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接方法，其特征在于，高強(qiáng)鋼-鋁合金連接包括:16Mn高強(qiáng)鋼與6082-T6鋁合金異種金屬電阻點焊連接，H220YD鍍鋅高強(qiáng)鋼與6082-T6鋁合金異種金屬電阻點焊連接，H220YD鍍鋅高強(qiáng)鋼與6008-T66鋁合金異種金屬電阻點焊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接方法，其特征在于，所述16Mn高強(qiáng)鋼與6082-T6鋁合金異種金屬電阻點焊，高強(qiáng)鋼和鋁合金的板厚均為1.0mm,用電阻點焊熱源熔化鋁合金形成熔核實現(xiàn)16Mn高強(qiáng)鋼與6082-T6鋁合金異種金屬的連接，電阻點焊參數(shù):焊接電流9kA ;焊接時間230ms ;電極壓力2.3kN。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接方法，其特征在于，所述H220YD鍍鋅高強(qiáng)鋼與6082-T6鋁合金異種金屬電阻點焊，高強(qiáng)鋼板厚1.0mm，鋁合金板厚1.5mm,用電阻點焊熱源熔化鋁合金形成熔核實現(xiàn)H220YD鍍鋅高強(qiáng)鋼與6082-T6鋁合金異種金屬的連接，電阻點焊參數(shù):焊接電流IOkA ;焊接時間240ms ;電極壓力2.5kN。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬連接方法，其特征在于，所述H220YD鍍鋅高強(qiáng)鋼與6008-T66鋁合金異種金屬電阻點焊，高強(qiáng)鋼板厚1.0mm，鋁合金板厚.1.5mm,用電阻點焊熱源熔化鋁合金形成熔核實現(xiàn)H220YD鍍鋅高強(qiáng)鋼與6008-T66鋁合金異種金屬的連接，電阻點焊參數(shù):焊接電流9kA ;焊接時間250ms ;電極壓力2.5kN。
【文檔編號】B23K11/11GK103753005SQ201310485849
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】孫大千, 谷曉燕, 李洪梅 申請人:吉林大學(xué)