一種鋁-鋼放熱焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋁-鋼放熱焊接方法。通過將待焊鋁塊和鋼塊截面打磨干凈，在鋁塊和鋼塊待焊截面的縫隙間緊貼鋁塊放置一塊預(yù)先打磨好的鋼片；將石墨坩堝底部通孔對準(zhǔn)縫隙中心，將自蔓延焊劑放入石墨坩堝中，點(diǎn)燃自蔓延焊劑表面的引火粉，自蔓延焊劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的熔液從石墨坩堝底部的小孔流入鋁塊和鋼塊間的縫隙，鋼片受熱熔化，冷卻至室溫后即完成鋁-鋼的焊接。采用的自蔓延焊劑由含有質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為22~28%的Al粉、62~68%的Fe2O3粉、4~7%的Si粉和3~6%的造渣劑組成。本發(fā)明操作簡單、設(shè)備簡易、反應(yīng)穩(wěn)定、安全可靠、原料廣泛、成本低廉，所得的接頭夾渣少，鋁鋼結(jié)合方式為冶金結(jié)合，質(zhì)量好，極具工業(yè)推廣價值。
【專利說明】一種鋁-鋼放熱焊接方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于材料加工及制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種鋁-鋼放熱焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0003]鋁作為一種銀白色的輕金屬，具有優(yōu)異的延展性，同時也是地殼中含量最多的金屬元素，因而在航空、建筑、汽車等領(lǐng)域具有重要的發(fā)展前景。鋼以其低廉的價格和可靠的性能，成為使用最多的材料之一，在建筑業(yè)、制造業(yè)和人們的生活中都是不可或缺的成分。結(jié)合鋁和鋼的優(yōu)異性能以及應(yīng)用前景，鋁鋼異種材料之間的焊接自然就成為一大熱點(diǎn)。但是由于鋁和鋼的性能迥異，熔點(diǎn)相差很大，因此在實(shí)際的焊接當(dāng)中面臨著很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
[0004]目前，在鋁鋼焊接中，傳統(tǒng)的使用最多的方法是摩擦焊、爆炸焊以及釬焊。在這些焊接方法中，不可避免的面臨著焊接的工藝比較復(fù)雜，焊接成本相對較高，能源消耗比重較大的問題。如專利92113206.9所述的一種氧-乙炔焊接鋁鋼的方法，雖然焊接速度快，操作相對簡單，但是能源的消耗比較大。如專利200610152657.5提供一種鋁鋼異種金屬的爆炸焊接方法，雖然可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量大面積的鋁鋼焊接，但是生產(chǎn)工藝相對比較復(fù)雜。如專利201010108154.4提供一種藥芯焊絲氣體保護(hù)焊的鋁鋼焊接方法，雖然得到的焊接接頭強(qiáng)度高,但整體上焊接的成本還是相對較高。
[0005]其實(shí)，傳統(tǒng)的鋁鋼焊接方式除了需要克服以上幾個缺陷之外，還需要考慮所得到的焊接接頭的結(jié)合性問題。由于鋁和鋼的熱物理性能迥異，固溶度較低，在形成合金的同時容易形成金屬間化合物，這就導(dǎo)致了鋁鋼焊接接頭的性能下降問題，而且所形成的焊接接頭是機(jī)械結(jié)合還是冶金結(jié)合這一問題上沒有給以有力的實(shí)驗說明。因此，為了提高鋁鋼焊接街頭的強(qiáng)度，必須改善焊接工藝，專利200910072270.2中使用在鋼表面預(yù)置一層鋁的做法確實(shí)降低了界面化合物的生成量，在一定程度上提高了焊接的質(zhì)量，但是該方法的焊接方式使用MIG焊接，在成本上并沒有給以控制。專利201310367501.9中，利用熱浸鋁的方式在鋼表面覆蓋一層鋁，實(shí)現(xiàn)鋁鋼自蔓延焊接的冶金結(jié)合，但是該方法使用的配方中SnO2和Cu2O的經(jīng)濟(jì)性不高，成本上沒有給以控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服傳統(tǒng)鋁鋼焊接方法的種種缺陷，提供一種設(shè)備簡單、操作簡便、成本低廉且實(shí)現(xiàn)鋁-鋼焊接接頭冶金結(jié)合的鋁鋼焊接方法。
[0007]—種鋁-鋼放熱焊接方法，包括以下步驟:
將待焊鋁塊和鋼塊截面打磨干凈，在鋁塊和鋼塊待焊截面的縫隙間緊貼鋁塊放置一塊預(yù)先打磨好的鋼片；將石墨坩堝底部通孔對準(zhǔn)縫隙中心，將焊劑放入石墨坩堝中，點(diǎn)燃焊劑表面的引火粉，焊劑發(fā)生自蔓延反應(yīng)產(chǎn)生的熔液從石墨坩堝底部的小孔流入鋁塊和鋼塊間的縫隙，鋼片受熱熔化，冷卻至室溫后即完成鋁-鋼的焊接。[0008]所述的招塊和鋼塊下面有石墨底座；招塊和鋼塊與石墨樹禍之間有含通孔的石墨墊塊；石墨坩堝底部通孔用金屬片擋住。
[0009]所述的鋼片，其厚度為3 mm。
[0010]所述的焊劑包括如下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分:22?28%的Al粉、62?68%的Fe2O3粉、4?7%的Si粉和3?6%的造渣劑。
[0011]所述的Al粉，其細(xì)度為200目。
[0012]所述的引火粉為火藥或鎂粉。
[0013]所述的造渣劑為CaF2、NaF或KF。
[0014]本發(fā)明采用鋁和氧化鐵的自蔓延高溫合成反應(yīng)，該反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量并且生成大量的鐵液，鐵液流入到焊接槽中，實(shí)現(xiàn)鋁-鋼的焊接，圖1為本發(fā)明所使用的裝置示意圖。反應(yīng)中使用的Fe2O3較之SnO2和Cu2O是一種廉價且高效的鋁熱焊劑。焊接結(jié)構(gòu)中，在鋁表面預(yù)置倒三角形薄鋼塊，作用主要是保護(hù)鋁的焊接表面，由于鋁和氧化鐵的自蔓延高溫合成反應(yīng)的溫度高達(dá)兩千多度，接近鋁的沸點(diǎn)，如此高溫度的鐵液直接與鋁塊相接觸，導(dǎo)致鋁塊的脆化傾向嚴(yán)重而且容易引起鋁塊的直接燒毀，使得鋁和鋼不能正常結(jié)合，在鋁表面預(yù)置薄鋼塊吸收了鐵液的部分熱量，使得鋁表面的溫度不至于過高，降低了鋁塊的脆化傾向，提高了鋁與鋼的結(jié)合性；倒三角形狀設(shè)計符合鐵液至上而下流到焊接槽中溫度逐漸遞減的熱力學(xué)分布規(guī)律。加入Si粉的目的是增加鐵液的流動性，實(shí)現(xiàn)渣液的良好分離；加入的CaF2、NaF或KF的作用主要是與反應(yīng)生成的Al2O3形成疏松多孔且低密度的渣，在反應(yīng)過程中吸收部分熱量，使反應(yīng)過程趨于穩(wěn)定與平緩；緊貼鋁塊放置一塊厚度為3_的倒三角形鋼塊。
[0015]本發(fā)明通過在鋁表面預(yù)置薄鋼塊，使用自蔓延高溫合成技術(shù)對鋁鋼進(jìn)行焊接，利用反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，熔化填充金屬，填充金屬流入填充槽中，使鋁和鋼實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，將鋁鋼異種金屬焊接在一起。反應(yīng)中使用的Fe2O3經(jīng)濟(jì)廉價，成本上得到了控制。本發(fā)明實(shí)驗設(shè)備簡單，成本低廉，所得鋁-鋼焊接接頭為冶金結(jié)合接頭。
[0016]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
1.本發(fā)明設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單。鋁塊一側(cè)放置一厚度為3mm的倒三角形鋼塊，吸收了部分熱量，減少了鋁的脆化和燒損；倒三角形形狀設(shè)計符合鐵液流下溫度逐漸下降的熱力學(xué)規(guī)律。
[0017]2.本發(fā)明操作簡單，設(shè)備簡易。操作簡單，所需步驟為稱取粉末、混合粉末、填裝粉末、點(diǎn)火反應(yīng)。設(shè)備簡易，所需設(shè)備主要是填裝物料的石墨模具，無需其他大型設(shè)備。
[0018]3.本發(fā)明反應(yīng)穩(wěn)定，安全可靠。反應(yīng)中加入了 CaF2使得整個反應(yīng)過程趨于平穩(wěn)，不會過于劇烈。加入Si使得反應(yīng)生成的鐵液流動性很好，不會停滯在渣中。
[0019]4.本發(fā)明原料廣泛，成本低廉。反應(yīng)所需的Al、Fe203、S1、CaF2都是實(shí)驗室比較常見的原料，而且也非常容易獲得，同時成本也相當(dāng)?shù)土?br> [0020]5.本發(fā)明焊接接頭夾渣少，冶金結(jié)合，質(zhì)量好。反應(yīng)中加入的造渣劑，使得渣液很好的分離，提高了焊接接頭的質(zhì)量，并且實(shí)現(xiàn)了鋁鋼界面的冶金結(jié)合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的裝置示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的鋁鋼焊接接頭處的掃描電鏡圖。[0023]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的鋁鋼焊接接頭處的能譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。如無特殊說明，下述實(shí)施例中使用的化學(xué)品均為分析純試劑。
[0025]實(shí)施例1
將截面面積相同的待焊鋁塊和鋼塊截面打磨干凈，在鋁塊和鋼塊待焊接截面間緊貼鋁塊處放置預(yù)先打磨好的大小適中的鋼片，鋼片的截面形狀為倒三角形，厚度為3 mm ;將鋁塊和鋼塊按照圖1所示放置于石墨坩堝之下，且縫隙中心對準(zhǔn)石墨坩堝底部的通孔；鋁塊和鋼塊下面有石墨底座，招塊和鋼塊與石墨樹禍之間有含通孔的石墨塾塊，石墨樹禍底部通孔用金屬片擋住。將質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為22%的Al粉(細(xì)度為200目)、68%的Fe2O3粉、7%的Si粉和3%的CaF2粉裝于混粉器中，混合均勻形成焊劑，然后將焊劑放入石墨坩堝中，稍稍壓實(shí)焊劑后，在焊劑表面撒上一層火藥，用點(diǎn)火器點(diǎn)燃鎂條引燃火藥，焊劑發(fā)生自蔓延反應(yīng)產(chǎn)生的熔液通過坩堝底部的小孔直接流入鋁塊和鋼塊間的縫隙，將鋼片熔化，冷卻至室溫后即完成鋁-鋼的焊接。將焊好的鋁-鋼接頭制樣后，進(jìn)行接頭處的掃描電鏡分析和能譜測試，掃描電鏡分析結(jié)果如圖2所示，從圖2可以看出，焊接接頭處母材和焊縫的結(jié)合性優(yōu)良，沒有明顯的裂紋，焊縫處的夾渣相對較少。能譜測試結(jié)果如圖3所示，由EDX相對積分強(qiáng)度的變化可以看出，母材與焊縫金屬之間實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。
[0026]實(shí)施例2
將截面面積相同的待焊鋁塊和鋼塊截面打磨干凈，在鋁塊和鋼塊待焊接截面間緊貼鋁塊處放置預(yù)先打磨好的大小適中的鋼片，鋼片的截面形狀為倒三角形，厚度為3 mm ;將鋁塊和鋼塊按照圖1所示放置于石墨坩堝之下，且縫隙中心對準(zhǔn)石墨坩堝底部的通孔；鋁塊和鋼塊下面有石墨底座，招塊和鋼塊與石墨樹禍之間有含通孔的石墨塾塊，石墨樹禍底部通孔用金屬片擋住。將質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為24%的Al粉(細(xì)度為200目)、66%的Fe2O3粉、6%的Si粉和4%的NaF粉裝于混粉器中，混合均勻形成焊劑，然后將焊劑放入石墨坩堝中，稍稍壓實(shí)焊劑后，在焊劑表面撒上一層鎂粉，用點(diǎn)火器點(diǎn)燃鎂條引燃鎂粉，焊劑發(fā)生自蔓延反應(yīng)產(chǎn)生的熔液通過坩堝底部的小孔直接流入鋁塊和鋼塊間的縫隙，將鋼片，冷卻至室溫后即完成鋁-鋼的焊接。
[0027]實(shí)施例3
將截面面積相同的待焊鋁塊和鋼塊截面打磨干凈，在鋁塊和鋼塊待焊接截面間緊貼鋁塊處放置預(yù)先打磨好的大小適中的鋼片，鋼片的截面形狀為倒三角形，厚度為3 mm ;將鋁塊和鋼塊按照圖1所示放置于石墨坩堝之下，且縫隙中心對準(zhǔn)石墨坩堝底部的通孔；鋁塊和鋼塊下面有石墨底座，招塊和鋼塊與石墨樹禍之間有含通孔的石墨塾塊，石墨樹禍底部通孔用金屬片擋住。將質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為26%的Al粉(細(xì)度為200目)、64%的Fe2O3粉、5%的Si粉和5%的KF粉裝于混粉器中，混合均勻形成焊劑，然后將焊劑放入石墨坩堝中，稍稍壓實(shí)焊劑后，在焊劑表面撒上一層火藥，用點(diǎn)火器點(diǎn)燃鎂條引燃火藥，焊劑發(fā)生自蔓延反應(yīng)產(chǎn)生的熔液通過坩堝底部的小孔直接流入鋁塊和鋼塊間的縫隙，將鋼片熔化，冷卻至室溫后即完成鋁-鋼的焊接。
[0028]實(shí)施例4 將截面面積相同的待焊鋁塊和鋼塊截面打磨干凈，在鋁塊和鋼塊待焊接截面間緊貼鋁塊處放置預(yù)先打磨好的大小適中的鋼片，鋼片的截面形狀為倒三角形，厚度為3 mm ;將鋁塊和鋼塊按照圖1所示放置于石墨坩堝之下，且縫隙中心對準(zhǔn)石墨坩堝底部的通孔；鋁塊和鋼塊下面有石墨底座，招塊和鋼塊與石墨樹禍之間有含通孔的石墨塾塊，石墨樹禍底部通孔用金屬片擋住。將質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為28%的Al粉(細(xì)度為200目)、62%的Fe2O3粉、4%的Si粉和6%的NaF粉裝于混粉器中，混合均勻形成焊劑，然后將焊劑放入石墨坩堝中，稍稍壓實(shí)焊劑后，在焊劑表面撒上一層火藥，用點(diǎn)火器點(diǎn)燃鎂條引燃火藥，焊劑發(fā)生自蔓延反應(yīng)產(chǎn)生的熔液通過坩堝底部的小孔直接流入鋁塊和鋼塊間的縫隙，將鋼片熔化，冷卻至室溫后即完成鋁-鋼的焊接。
[0029]以上對本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明比并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁-鋼放熱焊接方法，其特征在于，包括以下步驟: 將待焊鋁塊和鋼塊截面打磨干凈，在鋁塊和鋼塊待焊截面的縫隙間緊貼鋁塊放置一塊預(yù)先打磨好的鋼片；將石墨坩堝底部通孔對準(zhǔn)縫隙中心，將焊劑放入石墨坩堝中，點(diǎn)燃焊劑表面的引火粉，焊劑發(fā)生自蔓延反應(yīng)產(chǎn)生的熔液從石墨坩堝底部的小孔流入鋁塊和鋼塊間的縫隙，鋼片受熱熔化，冷卻至室溫后即完成鋁-鋼的焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁-鋼放熱焊接方法，其特征在于，鋁塊和鋼塊下面有石墨底座；鋁塊和鋼塊與石墨坩堝之間有含通孔的石墨墊塊；石墨坩堝底部通孔用金屬片擋住。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁-鋼放熱焊接方法，其特征在于，所述的鋼片，其厚度為3mmD
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁-鋼放熱焊接方法，其特征在于，所述的焊劑包括如下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分:22?28%的Al粉、62?68%的Fe2O3粉、4?7%的Si粉和3?6%的造渣劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁-鋼放熱焊接方法，其特征在于，所述的Al粉，其細(xì)度為200目；所述的引火粉為火藥或鎂粉；所述的造渣劑為CaF2、NaF或KF。
【文檔編號】B23K23/00GK103639589SQ201310707568
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】張國棟, 邱智華, 張暉 申請人:武漢大學(xué)