本發明涉及電弧焊接金屬領域，特別涉及一種采用CMT技術制備鋼鋁異種金屬搭接接頭的方法。

背景技術：

在能源缺乏和環境惡化日益嚴重的中國，如何減少運輸工具的自身重量，提高其運載能力的同時減少化石能源的消耗，降低對環境的影響成為了汽車工業和航空工業關注的重點。以鋁合金為代表的輕金屬具有比強度高，耐腐蝕性好，自身密度低等優點，可部分替代鋼鐵來制備結構部件。但是在服役條件比較惡劣，需要承受較重且變化較大的動載荷，需要在溫度較高或較低條件下工作的零部件依然需要由鋼鐵來制備，以保證其在使用過程中的安全性和可靠性，因此鋁合金與鋼鐵的連接技術已成為目前研究的熱點。鋼在鋁中的固溶度幾乎為零，在鋼鋁界面處產生多種硬而脆的金屬間化合物；鋼與鋁的熱導率、線膨脹系數，熔點的巨大差距導致接頭焊后變形嚴重，存有殘余應力甚至熱裂紋；而且在鋼鋁焊縫內容易形成的氣孔和夾雜物。這些因素嚴重制約著鋼鋁接頭的力學性能，是目前鋼鋁連接中的難點。

目前鋼鋁異種金屬焊接的方法主要包括摩擦焊、激光焊和電弧焊。

摩擦焊得到的接頭力學性能較好，但是接頭的尺寸和形狀會受到限制。激光焊和電弧焊應用范圍廣，但是這兩種焊接的熱輸入量較大，會使鋼鋁界面產生一層較厚的脆性金屬間化合物，影響接頭力學性能。

采用冷金屬過渡焊接技術(CMT技術)制備鋼鋁搭接接頭可以有效降低焊接過程中的熱輸入量。

CMT技術的特點是當短路電流產生，數字化控制的CMT焊接系統會自動監控短路過渡的過程，反饋給送絲機，送絲機作出回應，迅速回抽焊絲，從而使得焊絲與熔滴分離，即冷金屬過渡模式。在冷金屬熔滴過渡時，電源將電流降至非常低，幾乎為零；電弧自身輸入熱量的過程同樣很短，短路發生，電弧熄滅，熱輸入量迅速地減少。整個焊接過程即在冷熱交替中循環往復。這種低熱輸入的焊接模式可減小了鋼鋁界面處金屬間化合物層的厚度；同時在焊接過程中使焊槍保持特定的姿態，能避免了根部裂紋的出現幾率。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種采用CMT技術制備鋼鋁異種金屬搭接接頭的方法，降低了焊縫與鋼板界面處脆性金屬間化合物層的厚度，同時抑制了鋼鋁搭接接頭根部熱裂紋的產生，制備出力學性能優異的鋼鋁異種金屬搭接接頭；而且，使熔滴過渡改變為冷金屬過渡，減小焊接過程中熱輸入量的同時減少金屬的飛濺，非常適合鋁合金板與鍍鋅鋼板的焊接。

為達到上述目的，本發明的技術方案是：

一種采用CMT技術制備鋼鋁異種金屬搭接接頭的方法，將鋁合金板以搭接的方式置于鍍鋅鋼板上，搭接量在5～20mm之間，并用夾具固定；使用CMT焊機，焊槍向鋁合金板一側傾斜，與垂直方向成1°～45°角，焊槍向前進方向傾斜5°～30°；焊槍距離鍍鋅鋼板的垂直距離為10～20mm，焊接速度在0.4～1.0m/min。

優選的，使用福尼斯Frounius公司生產的CMT焊機。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1、CMT技術在冷金屬熔滴過渡時，電源將電流降至非常低，幾乎為零，熱輸入量也幾乎為零，此時焊絲即停止前進并自動地回抽。在這種方式中，電弧自身輸入熱量的過程很短，短路發生，電弧即熄滅，熱輸入量迅速地減少。

現有的MIG焊接方法焊接鋼鋁異種金屬的特點是熱輸入量較大，在鋼鋁界面生成的脆性金屬間化合物Al₃Fe，Al₅Fe₂的厚度較大，對比圖如圖3、圖4所示。這是由于鋼鋁界面處的金屬間化合物的生長速度受鋼鋁原子在熔池中的擴散系數影響，而擴散系數是溫度的增函數，取決于熔池的溫度和焊接過程中的熱輸入量，金屬間化合物Al₃Fe，Al₅Fe₂形成示意圖如圖5所示。

2、采用電弧焊制備鋼鋁異種金屬搭接接頭過程中，由于鋼鋁的線性膨脹系數和熱導率等熱力學參數存在較大差異，在焊縫和鋼板的界面處，尤其是焊縫根部截面處存在應力集中，容易產生熱裂紋。焊槍的角度對于抑制接頭根部裂紋的產生非常重要。

當焊槍向鋁板方向傾斜一定角度，使焊縫根部區域受熱增加，冷卻速度減慢，熔融金屬有較多時間流動以填充此區域形成的微裂紋，并避免這些微裂紋的聚集和長大。不同姿態焊槍制備鋼鋁搭接接頭橫截面如圖6、圖7所示。

3、焊接速度對制備鋁異種金屬搭接接頭中焊縫成形至關重要。在焊接過程中，熔融的鋁合金焊絲滴落在鍍鋅鋼板表面，在重力作用向鋪展開來，將鋼板和搭接在鋼板表面的鋁合金板連接起來形成焊縫。

當焊接速度較快時，熔融鋁合金很快冷卻，其在鋼板表面的鋪展受到限制，無法形成平直均一的焊縫。如圖8所示。

而當焊接速度較慢，熱輸入量增加，導致金屬間化合物層的厚度隨之增加。如圖9所示。

4、焊槍距離鋼板的距離同樣影響界面處金屬間化合物層的厚度。焊槍高度過低，電弧的熱量過多的施加在鋼板上，加速了金屬間化合物的生長；焊槍高度較高，則惰性氣體對熔融鋁合金的保護減弱，容易形成鋁合金氧化物。

附圖說明

圖1為本發明CMT技術制備鋼鋁異種金屬搭接接頭示意圖。

圖2為本發明CMT技術制備鋼鋁異種金屬搭接接頭示意圖。

圖3為MIG制備鋼鋁異種金屬搭接接頭界面處金屬間化合物層厚度的示意圖。

圖4為本發明CMT制備鋼鋁異種金屬搭接接頭界面處金屬間化合物層厚度的示意圖。

圖5為本發明金屬間化合物形成示意圖。

圖6為本發明焊槍向鋁板傾斜制備的鋼鋁搭接接頭橫截面。

圖7為垂直設置焊槍制備的鋼鋁搭接接頭橫截面。

圖8為焊接速度過快時制備的鋼鋁搭接接頭宏觀視圖。

圖9為焊接速度適中時制備的鋼鋁搭接接頭宏觀視圖。

圖10為本發明CMT技術制備鋼鋁搭接接頭的室溫拉伸試驗斷裂位置。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。

參見圖1、圖2，本發明采用CMT技術制備鋼鋁異種金屬搭接接頭的方法，在焊接過程中鍍鋅鋼板1固定在工作臺上，將鋁合金板2以搭接的方式置于鍍鋅鋼板1上，搭接量L在5～20mm之間，并用夾具固定；使用CMT焊機，焊槍3向鋁合金板2一側傾斜，與垂直方向成β＝1°～45°，焊槍向前進方向傾斜α＝5°～30°；焊槍3距離鍍鋅鋼板1的垂直距離為10～20mm，焊接速度在0.4～1.0m/min。

設置焊接電流、焊接電壓、保護氣流量等參數，在此之后以焊接速度在0.4～1.0m/min開始焊接，具體焊接參數表見表1。

采用本發明工藝制備的鋼鋁搭接接頭強度較高，拉伸試驗都斷裂在母材上，如圖10所示。

表1

備注：焊槍距鍍鋅鋼板距離L，mm；焊槍向鋁合金板側傾斜角度β，°；焊接速度V，m/min。