專利名稱：鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法
技術領域：
本發明屬于在鋁合金基體上焊接鋼螺柱的焊接技術，特別是一種鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法。
背景技術：
在汽車工業、船體船艙、石油化工、原子能、橋梁及其他領域中均有應用鋼螺柱與鋁母材的焊接。螺柱焊是將金屬螺柱或其他類似的緊固件焊至工件的方法。對于鋼螺柱焊接到鋼母材上，傳統的電弧螺柱焊接工藝方法已經非常的成熟。鑒于鋼鋁異種金屬材料焊接的固有特點，將鋼螺柱焊接到鋁母材上不適宜采用電弧螺柱焊的方法。鋼鋁異種金屬的焊接作為焊接領域的一個難點問題雖然已經發展到一個成熟階段，但是有效的焊接方法卻將熔焊排除在了焊接方法之外，即便如此焊接成型好，焊縫強度大的焊接件的重現率仍然較低。將鋼螺柱焊接至鋁母材作為一種特殊的鋼鋁異種金屬的焊接形式，采用感應加熱釬焊的方法進行焊接，焊接存在的主要問題有1.如何有效的去除鋁母材表面的氧化膜并且防止其二次生成，由于鋁合金屬于很活潑的金屬，即使焊前經過化學清洗，表面也會生成一層致密的氧化膜。在焊接過程中，氧化膜不能得到及時破碎，熔池凝固后氧化膜在螺柱與母材之間形成阻隔，嚴重影響接頭強度。另外，在焊接過程中容易產生二次氧化，在接頭中產生氧化夾雜、氣孔等缺陷；2.如何使融化的釬料能夠很好地浸潤鋼螺柱的表面，這能夠使得釬料與螺柱更大面積的冶金結合；3.如何將鋼鋁在焊接過程生成的金屬間化合物層的厚度控制在一個小范圍內，實踐證明當金屬間化合物層的厚度在十微米以下的時候，接頭的力學性能是可觀的。目前將鋼螺柱焊至鋁母材的主要方法TIG/ MIG電弧釬焊由于設備原因導致某些形狀的焊接件焊接難于實施并且焊縫的質量也較差。

發明內容
本發明的目的在于提供一種使鋼螺柱與鋁母材焊縫美觀、結合強度高的鋁鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法。實現本發明目的的技術解決方案為一種鋁_鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法，包括以下步驟步驟1，將鋼螺柱加工成平底無螺帽式樣；步驟2，對鋁板、鋼螺柱表面及焊絲狀釬料分別進行化學清洗；步驟3，將鋁板、鋼螺柱表面及焊絲狀釬料分別用酒精清洗，并用電吹風冷風吹干；步驟4，將焊絲狀釬料纏繞在鋼螺柱的一端，并作為焊接端；步驟5，將鋁板水平放置，將鋼螺柱垂直放置在鋁板上并對其通過壓力裝置施加垂直向下的壓力；步驟6，將感應加熱線圈套在鋼螺柱焊接端，并對其加熱，加熱至焊絲狀釬料完全熔化后，繼續加熱，完成焊接。
本發明與現有技術相比，其顯著優點(1)能夠獲得更好的焊縫質量；(2)操作簡單，效率明顯提高；(3)可實現中小直徑的鋼螺柱與鋁母材的焊接，對板厚適用范圍廣，實現鋼螺柱與鋁母材間無氧化夾雜、未焊透、未熔合等缺陷的優質焊接接頭。下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。


圖1是鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法的流程圖。圖2是鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法的示意圖。圖3是鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法的焊接試樣4是鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法的金相試樣5是鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法的焊縫金相6是焊縫金相2中標號所代表的器件為1一焊絲狀釬劑；2—感應線圈；3—壓力裝置； 4—鋼螺柱；5—鋁母材。
具體實施例方式結合圖1、圖2，本發明鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法，包括以下步驟步驟1，將鋼螺柱4加工成平底無螺帽式樣。步驟2，對鋁板5、鋼螺柱4表面及焊絲狀釬料1分別進行化學清洗。其中焊絲狀釬料1是釬料與釬劑以藥芯焊絲的形式存在，外層結構實為釬料，釬料包覆的里層為釬劑， 釬料為4047鋁合金，鋁合金成分質量百分比為11% 13%的Si，0.8%的Fe，0.3%的Cu， 0. 2%的Ζη，0. 15%的胞，0. 1 %的Mg，其余為Al，釬劑為氟化物共晶熔鹽K3A1F6_K3A1F4。采用的氟化物釬劑K3AlF6-K3AlF4當中含有的氟離子擔當了去膜劑的作用，能夠有效地破碎、 除去鋁板母材5的表面氧化膜，使得熔化的釬料能夠潤濕新鮮的母材表面，并且氟化物釬劑K3AlF6-K3AlF4不溶于水，不吸潮，對焊接部位不會產生腐蝕的影響；化學清洗的步驟為先用丙酮擦拭鋁板5，除去加工殘留的機油，在濃度為8% 11%的NaOH溶液對鋁板5表面浸蝕，浸蝕的時間為8 12min ；對焊絲狀釬料1浸蝕的時間為4 6min，上述浸蝕的溫度為40 60°C ；用硝酸和氫氟酸的混合液對清洗后的鋁板 5和焊絲狀釬料1分別再進行清洗中和，硝酸溶液的濃度為58 64%，氫氟酸溶液濃度為 46 55%，硝酸溶液與氫氟酸溶液的體積比為(23 1) (25 1)，用硝酸和氫氟酸的混合液清洗鋁板5的時間為5 7min，清洗焊絲狀釬料1的時間為3 4min。將鋼螺柱4焊接端在砂紙上打磨除銹，并用丙酮擦拭除油。步驟3，將鋁板5、鋼螺柱4表面及焊絲狀釬料1分別用酒精清洗，并用電吹風冷風吹干。步驟4，將長度為25cm 30cm的焊絲狀釬料1纏繞在鋼螺柱4的一端，并作為焊接端。步驟5，將鋁板5水平放置，將鋼螺柱4垂直放置在鋁板5上并對其通過壓力裝置 3施加垂直向下的壓力。步驟6，調節感應發生器，使電源輸出阻抗大約等于線圈的輸入阻抗，實現最適合的能量轉換，將感應加熱線圈2套在鋼螺柱4焊接端，并對其加熱，焊接參數為感應電流 700 850A，加熱至焊絲狀釬料1完全熔化后，繼續加熱5 10s，總焊接時間控制在135 150s，完成焊接。焊接過程中，當溫度到達590°C 600°C時，氟化物釬劑K3AlF6-K3AlF4變成流體并具有活性，分解了殘余的鋁板5的表面氧化物；焊接結束后，將裝置置于空氣中自然冷卻，實現鋼螺柱和鋁板接頭的有效結合；本發明中采用的感應加熱使得只有焊絲狀釬料熔化，鋼鋁母材均不熔化，因此接頭處發生反應時，只有固態的鐵原子向熔融成液態的鋁中擴散，而鋁原子很難向固態的鐵中擴散，從而能夠控制鋁鐵金屬間化合物的形成。本發明將鋼螺柱加工成平底無螺帽式樣，使得鋼螺柱4與鋁板5之間能夠緊密接觸，形成微小的間隙，從而增大釬焊毛細填縫，并且在焊接過程中，由于加熱迅速，能夠防止鋁板氧化，抑制鋼鋁金屬間化合物的生長。感應加熱線圈2加熱鋼螺柱4底端，使鋼螺柱4 溫度迅速升高，將熱量傳遞給鋁板5和纏繞在鋼螺柱4上的焊絲狀釬料1，使釬料熔化，通過毛細作用，熔融的釬料滲透到鋼螺柱4與鋁板5的間隙中，冷卻凝固后形成焊接接頭。下面結合實施例對本發明做進一步詳細描述。實施例1結合圖1禾Π圖2，以直徑為15mm，高為55mm的Q235鋼螺柱，80mmX80mmX 12mm 的6061鋁板為例。首先在焊前對鋁母材5表面和焊絲狀釬料1進行化學清洗，具體的清洗工藝為先用丙酮擦拭鋁母材5，除去加工殘留的機油，再用濃度為8%的NaOH溶液，對鋁母材5表面浸蝕的時間為8min，對焊絲狀釬料1浸蝕的時間為4min，上述浸蝕的溫度為 400C ；再用硝酸和氫氟酸的混合液進行清洗中和，硝酸溶液的濃度為58%，氫氟酸溶液濃度為46%，硝酸溶液與氫氟酸溶液的體積比為23 1，用硝酸和氫氟酸的混合液清洗鋁母材5 的時間為5min，清洗焊絲狀釬料1的時間為3min ；將鋼螺柱4待焊底端在砂紙上打磨除銹， 并用丙酮擦拭除油；最后將鋁板5、鋼螺柱4母材表面用酒精清洗，電吹風冷風吹干，取25cm 焊絲狀釬料1纏繞在鋼螺柱4底端，再將鋼螺柱4放在鋁板母材5的表面，用高頻感應加熱線圈2加熱鋼螺柱4的焊接端，在感應加熱過程中，通過加壓裝置3對鋼螺柱4實施一個豎直向下的15N的壓力，控制鋼螺柱4與鋁板5之間的裝配間隙，使得熔融釬料的毛細滲透作用發揮得更好，調節感應電流800A，加熱135s，完成焊接。圖3為鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法試樣的宏觀照片，從圖中可以看出焊縫成形良好，焊接過程中釬料全部熔化，鋪展情況較好，由于釬料熔化后繼續加熱了一段時間，保證了釬料在鋁鋼母材之間的充分滲透。圖4為鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法金相試樣，為釬焊焊縫的剖面照片，鋁鋼母材之間形成一條完整的焊縫，焊縫中沒有出現夾雜、氣孔等缺陷。圖5為鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法的焊縫金相圖，釬焊完畢后，整個接頭形成一條較為致密的連接，釬縫組織由Fe-Al金屬間化合物、Al-Si共晶相、α -Al固溶體三個區域組成。由于鋁冷卻速度較快，金屬間化合物沿垂直于鋁基體的方向生成出一些胞狀晶，生成的金屬間化合物厚度大致為ΙΟμπι;力學性能測試表明接頭的抗剪強度最大達 65.32MPa。實施例2結合圖1禾Π圖2，以直徑為20mm，高為55mm的Q235鋼螺柱，80mmX 80mmX 12mm的 6061鋁板為例。首先在焊前對鋁母材5表面和焊絲狀釬料1進行化學清洗，具體的清洗工藝為先用丙酮擦拭鋁母材5，除去加工殘留的機油，再用濃度為11%的NaOH溶液，對鋁母材5表面浸蝕的時間為12min，對焊絲狀釬料1浸蝕的時間為6min，上述浸蝕的溫度為 600C ；再用硝酸和氫氟酸的混合液進行清洗中和，硝酸溶液的濃度為64%，氫氟酸溶液濃度為55%，硝酸溶液與氫氟酸溶液的體積比為25 1，用硝酸和氫氟酸的混合液清洗鋁母材 5的時間為7min，清洗焊絲狀釬料1的時間為4min ；將鋼螺柱4待焊底端在砂紙上打磨除銹，并用丙酮擦拭除油；最后將鋁板5、鋼螺柱4母材表面用酒精清洗，電吹風冷風吹干，取 30cm焊絲狀釬料1纏繞在鋼螺柱4底端，再將鋼螺柱4放在鋁板母材5的表面，用高頻感應加熱線圈2加熱鋼螺柱4的焊接端，在感應加熱過程中，通過加壓裝置3對鋼螺柱4實施一個豎直向下的20N的壓力，控制鋼螺柱4與鋁板5之間的裝配間隙，使得熔融釬料的毛細滲透作用發揮得更好，調節感應電流850A，加熱145s，完成焊接。圖6為焊縫金相圖，金屬間化合物厚度為12 μ m,接頭的抗剪強度達67. 7MPa。實施例3結合圖1禾Π圖2，以直徑為20mm，高為55mm的Q235鋼螺柱，80mmX 80mmX 12mm的 6061鋁板為例。首先在焊前對鋁母材5表面和焊絲狀釬料1進行化學清洗，具體的清洗工藝為先用丙酮擦拭鋁母材5，除去加工殘留的機油，再用濃度為9%的NaOH溶液，對鋁母材5表面浸蝕的時間為lOmin，對焊絲狀釬料1浸蝕的時間為5min，上述浸蝕的溫度為 520C ；再用硝酸和氫氟酸的混合液進行清洗中和，硝酸溶液的濃度為60%，氫氟酸溶液濃度為50%，硝酸溶液與氫氟酸溶液的體積比為24 1，用硝酸和氫氟酸的混合液清洗鋁母材5 的時間為6min，清洗焊絲狀釬料1的時間為3min ；將鋼螺柱4待焊底端在砂紙上打磨除銹， 并用丙酮擦拭除油；最后將鋁板5、鋼螺柱4母材表面用酒精清洗，電吹風冷風吹干，取27cm 焊絲狀釬料1纏繞在鋼螺柱4底端，再將鋼螺柱4放在鋁板母材5的表面，用高頻感應加熱線圈2加熱鋼螺柱4的焊接端，在感應加熱過程中，通過加壓裝置3對鋼螺柱4實施一個豎直向下的17N的壓力，控制鋼螺柱4與鋁板5之間的裝配間隙，使得熔融釬料的毛細滲透作用發揮得更好，調節感應電流830A，加熱140s，完成焊接。經電子顯微鏡檢測，金屬間化合物厚度為10 μ m，力學性能測試接頭的抗剪強度達66. 24MPa。
權利要求
1.一種鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法，其特征在于包括以下步驟步驟1，將鋼螺柱(4)加工成平底無螺帽式樣；步驟2，對鋁板(5)、鋼螺柱(4)表面及焊絲狀釬料(1)分別進行化學清洗；步驟3，將鋁板(5)、鋼螺柱(4)表面及焊絲狀釬料(1)分別用酒精清洗，并用電吹風冷風吹干；步驟4，將焊絲狀釬料01纏繞在鋼螺柱(4)的一端，并作為焊接端；步驟5，將鋁板(5)水平放置，將鋼螺柱(4)垂直放置在鋁板(5)上并對其通過壓力裝置⑶施加垂直向下的壓力；步驟6，將感應加熱線圈(2)套在鋼螺柱(4)焊接端，并對其加熱，加熱至焊絲狀釬料 (1)完全熔化后，繼續加熱，完成焊接。
2.根據權利要求1所述的鋁_鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法，其特征在于步驟2中， 焊絲狀釬料(1)是釬料與釬劑以藥芯焊絲的形式存在，外層結構實為釬料，釬料包覆的里層為釬劑，釬料為4047鋁合金，鋁合金成分質量百分比為11% 13%的Si，0.8%的 Fe，0. 3 %的Cu，0. 2 %的Zn，0. 15 %的Mn，0. 1 %的Mg，其余為Al，釬劑為氟化物共晶熔鹽 K3AlF6-K3AlF4。
3.根據權利要求1所述的鋁_鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法，其特征在于步驟2中，用丙酮擦拭鋁板(5)，除去加工殘留的機油，在濃度為8 % 11 %的NaOH溶液對鋁板5表面浸蝕，浸蝕的時間為8 12min ；對焊絲狀釬料(1)浸蝕的時間為4 6min，上述浸蝕的溫度為40 60°C ；用硝酸和氫氟酸的混合液對清洗后的鋁板(5)和焊絲狀釬料(1)分別再進行清洗中和，硝酸溶液的濃度為58 64%，氫氟酸溶液濃度為46 55%，硝酸溶液與氫氟酸溶液的體積比為(23 1) (25 1)，用硝酸和氫氟酸的混合液清洗鋁板(5)的時間為 5 7min，清洗焊絲狀釬料(1)的時間為3 4min。
4.根據權利要求1所述的鋁_鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法，其特征在于步驟2中，將鋼螺柱(4)焊接端在砂紙上打磨除銹，并用丙酮擦拭除油。
5.根據權利要求1所述的鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法，其特征在于步驟4中，焊絲狀釬料(1)的長度為25cm 30cm。
6.根據權利要求1所述的鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法，其特征在于步驟6中，焊接參數為感應電流700 850A，加熱至焊絲狀釬料(1)完全熔化后，繼續加熱5 10s，總焊接時間控制在135 150s。
全文摘要
本發明公開了一種鋁-鋼螺柱感應加熱螺柱釬焊方法，包括以下步驟將鋼螺柱加工成平底無螺帽式樣；對鋁板、鋼螺柱母材表面及焊絲狀釬料進行化學清洗；將鋁板、鋼螺柱母材表面及焊絲狀釬料用酒精清洗，吹干；取焊絲狀釬料纏繞在鋼螺柱底端，焊絲狀釬料為藥芯焊絲的形式，外層結構實為釬料，釬料包覆的里層為釬劑；將鋁板水平放置，將繞有鋼螺柱垂直放置在鋁板上并對其施加垂直向下的壓力；將感應加熱線圈套在鋼螺柱焊接端，并對其加熱，完成焊接。本發明可實現中小直徑的鋼螺柱與鋁母材的焊接，對板厚適用范圍廣。
文檔編號B23K1/20GK102513631SQ201110367049
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者張德庫, 王克鴻, 胡旭, 葛佳棋 申請人:南京理工大學