铝板和钢板电磁脉冲焊接方法及步骤

　　

　　本发明涉及应用焊接技术领域，具体涉及铝板和钢板电磁脉冲焊接方法。

　　背景技术：

　　为了降低能耗，实现“绿色制造”，轻量化设计是最直接最有效的手段，因此，铝及铝合金等轻质、耐蚀性好的材料成为传统钢材的替代品，铝/钢复合结构在航空航天、船舶制造、铁路等领域应用的越来越多，特别是汽车领域铝合金代替钢成为产品设计的重点，然而，由于铝合金与钢的熔点相差很大，采用钎焊或熔焊的方法，铝合金熔化时，钢仍处于固态，继续增加能量至钢熔化后，铝合金密度小于钢，液态铝合金浮于钢液上，无法得到成分均匀的焊缝；还由于铝合金与钢的热导率、膨胀系数、比热等都存在较大的差异，造成焊接过程非对称温度场和较大的接头残余应力；铝/钢焊接最主要的问题是生成金属间化合物，由于二者的固溶度较小，且该体系的反应驱动力很高，富铝的铝-铁金属间化合物在较短的时间内，通过液态铝-液态钢直接反应、液态铝-固态钢界面反应或固态铝-固态钢界面扩散即可生成金属间化合物（fe2al3、feal2、feal3），当达到一定厚度时，脆性金属间化合物在很小的应力下就会开裂，直接决定接头安全使用。所以，选择适合铝/钢异种金属高强度焊接方法成为焊接领域研究的热点。

　　目前，学者们采用钎焊、熔钎焊、固相焊等方法用于铝/钢的焊接。采用炉中钎焊、超声钎焊铝/钢时，通过控制反应温度、时间及钎料成分等有效地控制界面反应物，但是，铝/钢钎料一直没有突破进展，依然使用铝硅钎料或锌基钎料，钎焊接头脆性较大；有些学者利用激光熔钎焊、电弧熔钎焊方法提高铝/钢接头强度，若同时保证熔焊和钎焊两部分接头的有效连接，需要相对较大的热输入，造成金属间化合物长大，也不能保证接头成分均匀性；固相焊过程中母材都保持固相状态，界面温度较低，很大程度上减缓脆性金属间化合物生成，然而，真空扩散焊、摩擦焊、搅拌摩擦焊等固相焊方法受到焊件形状、尺寸的限制，使其不能完全解决铝/钢的焊接问题。

　　众所周知，电磁脉冲焊接是利用电磁感应圈从脉冲发生器产生短暂而强大的电流，使一个工件高速冲击另一工件后瞬间完成的焊接，属于固态免加热、无需冷却、无需助焊剂及无需辅材消耗的过程，可根据工件形状、尺寸改变线圈结构而完成焊接的一种高效、环保新工艺。电磁脉冲焊接涉及电磁学、材料学、弹塑性力学、动力学等多学科交叉，成形系统复杂。

　　虽然目前已有文献对铝钢电磁脉冲焊接性能进行研究，例如：郭明发表的硕士论文《基于ls-dyna的铝板电磁脉冲焊接过程的模拟》；迟露鑫等发表的《铝/不锈钢电磁脉冲焊接界面组织性能分析》，后者对电磁脉冲焊接工艺参数进行了优化，但是仍然存在铝/钢焊接接头强度低，界面金属间化合物多，特别是焊接接头存在块状钢等问题。所以怎样提高铝/钢电磁脉冲焊接性能，减少界面金属间化合物的产生，减少块状钢夹杂在焊接接头是亟待需要解决的技术问题，否则将严重限制铝/钢复合结构在制造业中的应用。

　　技术实现要素：

　　针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供能有效阻碍铝铁金属间化合物的产生，减少钢块夹杂在焊接接头内，从而提高铝/钢电磁脉冲焊接强度的铝板和钢板电磁脉冲焊接方法。

　　本发明的技术方案是这样实现的：

　　铝板和钢板电磁脉冲焊接方法，在铝板的待焊接面上均匀涂覆氧化锆，然后将铝板和钢板的待焊接面正对，最后使用电磁脉冲焊接铝板和钢板。

　　进一步地，铝板和钢板电磁脉冲焊接方法具体包括以下步骤：

　　（1）在铝板的待焊接面上均匀涂覆氧化锆溶液，然后在室温条件下干燥备用；

　　（2）以步骤（1）中的铝板为复板，钢板为基板，在焊接夹具工装上组装铝板和钢板，铝板和钢板之间保持一定的搭接长度和搭接间隙；所述铝板和钢板搭接所形成的平面为待焊接面；铝板下方设有线圈，钢板上方设有压板；

　　（3）接通电容器对线圈放电，线圈中通入周期极短的时变高强度电流，使铝板在电磁力下快速撞击钢板实现铝板和钢板电磁脉冲焊接。

　　进一步地，步骤（1）中氧化锆溶液为氧化锆粉末溶解于无水乙醇形成的溶液，其浓度为30~40%，涂覆氧化锆溶液的量与待焊接面面积的比值为1~2ml：60~80mm2。

　　进一步地，步骤（1）中，准确量取一定量的氧化锆溶液于喷壶内，然后将所有氧化锆溶液喷涂在待焊接面上。

　　更进一步地，喷涂时，喷壶的喷嘴距离铝板10～20mm。

　　进一步地，步骤（2）中，所述铝板和钢板之间的搭接长度为15～20mm，搭接间隙为1.8～2.2mm。

　　进一步地，步骤（3）中，所述电磁脉冲的焊接电流为700～750ka，电压为15～17kv，频率为16～18khz。

　　进一步地，所述铝板的待焊接面需先去除油污，并用丙酮擦洗干燥后再进行涂覆氧化锆溶液。这样可以去除铝板待焊接面上的油污，同时用丙酮清洗，在室温条件下自然干燥，避免铝板上有油污影响氧化锆溶液的涂覆，进而影响电磁脉冲焊接。

　　与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

　　1、本发明在铝板的待焊接面上涂覆氧化锆溶液，氧化锆的熔点约为2700℃，化学性质稳定，具有高温结构，耐压强度可达1200～1400mpa，更重要的是其导电性好，具有负的电阻温度系数，在电磁脉冲焊接过程中不仅不受冲击压力的影响，而且能有效避免铝板和钢板接触，从而阻碍al-fe系金属间化合物的生成，同时氧化锆也不与铝板和钢板发生反应，从而能有效提高焊接接头的性能，减少金属间化合物的生产，减少块状钢夹杂在焊接接头内。

　　2、采用喷涂的方式是控制含量最简单高效的方法，氧化锆喷涂过多，焊接性能变差，喷涂量不足，又会引起阻碍金属间化合物效果变差，而将氧化锆浓度控制在30~40%，在喷涂氧化锆溶液时，能有效控制喷涂的量，同时也能保证喷涂的均匀性。另外，根据电磁脉冲焊接特点，铝板撞击钢板时，两板材表面形成金属射流，而氧化锆溶液是喷涂在铝板表面，干燥后的氧化锆在电磁脉冲焊接高压作用下，部分被射流卷入界面，进而起到阻碍金属间化合物生成的作用。

　　3、本发明采用在铝板上涂覆氧化锆溶液，铝板相对钢板是软材料，撞击过程钢板被撕裂，击碎，嵌入铝板，氧化锆随着被带入，可以通过控制电磁脉冲焊接的电流，控制氧化锆带入量，从而提高铝板和钢板的焊接性能。

　　4、本发明采用无水乙醇作为溶剂来配置氧化锆溶液，铝板表面喷涂氧化锆溶液后，铝板能够快速变干，避免铝板表面有水而无法焊接，同时可以缩短铝板干燥时间，提高工作效率。

　　附图说明

　　图1-铝板和钢板的焊接示意图。

　　图2-撞击示意图。

　　图3-实施例1中喷涂氧化锆溶液后的铝板晾干后的效果图。

　　图4-实施例1焊件宏观焊接图。

　　图5-实施例1超声c扫描图。

　　图6-实施例1焊接接头界面的sem图。

　　图7-实施例1焊接界面元素分布图。

　　图8-实施例1焊接界面元素分布曲线图。

　　图9-实施例2拉伸实验结果效果图。

　　具体实施方式

　　下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

　　本发明在电磁脉冲焊接夹具工装上安装铝板和钢板的焊接示意图如图1所示，其中铝板为复板，钢板为基板，在铝板和钢板的待焊接面之间存在缝隙，该缝隙为搭接间隙，重叠部分的宽度为搭接长度，搭接长度决定了焊缝长度，从而影响搭接间隙内磁场分布和铝板冲击钢板时优先变形位置，冲击速度和冲击角度。两垫板为电木材料，通过电木材料控制铝板和钢板搭接间隙和搭接长度。铝板的下方设有线圈，便于接通电容器对线圈放电，线圈中通入周期极短的时变高强度电流，使铝板在电磁力下快速撞击钢板实现铝板和钢板电磁脉冲焊接；钢板上方设有压板。该电磁脉冲焊接夹具工装为目前常用的夹具工装，本发明不做限定。

　　电磁脉冲焊接是一种高速冲击碰撞实现焊接，高速冲击过程，在界面形成金属间化合物，本发明通过调节铝板和钢板的搭接长度和搭接间隙，电磁脉冲焊接过程中，复板铝板冲击基板钢板时的撞击示意图如图2所示，复板以速度v在基点a冲击基板，涂覆氧化锆的复板表面在冲击作用下，形成与ab面成一定角度的氧化锆与复板金属混合射流，在钢板ac面上形成氧化锆与基板金属混合射流，严格控制氧化锆在ab、ac面上的含量，能够有效阻止铝/钢金属间化合物的产生，同时射流带走部分冲击能量，减少钢界面“块”状物，减少金属间化合物的厚度。

　　本发明可根据铝板和钢板的尺寸，选择不同规格型号的电磁脉冲焊接线圈。同时，通过电磁脉冲线圈对复板和基板搭接区域进行磁脉冲放电高速碰撞实现焊接过程，具体为，先将复板待焊接面置于板材类电磁脉冲焊接线圈上方，且涂覆有氧化锆一侧向上，再放置基板、夹具，并对放电电压、频率设置为制定数值，然后通过电路放电，感应磁场力加速复板撞击基板，对两工件搭接区域进行焊接。

　　实施例1

　　铝板和不锈钢钢板的尺寸均为20mm×100mm×2mm，电磁脉冲焊接的具体步骤如下：

　　（1）用砂纸打磨掉铝板上表面油污，丙酮擦洗后晾干，在铝板上表面涂覆氧化锆溶液，在铝板上笔标记出喷涂氧化锆的具体位置，用无水乙醇将氧化锆粉末配置成氧化锆溶液，浓度为40%，用5ml滴管吸满氧化锆溶液，再倒入10ml的喷壶，选择距离水平放置复板10～20mm处，在复板上表面标记处用喷壶均匀喷涂一层氧化锆溶液（5ml溶液刚好用完），然后再在室温条件下干燥，喷涂氧化锆溶液后的铝板晾干后的效果图如图3所示，白色部分为涂覆的氧化锆，长度×宽度为20mm×20mm，即为两块板材搭接长度、宽度，黑色为铝板试样。

　　（2）将待焊接的铝板和钢板以铝板为复板，钢板为基板的要求放置在焊接夹具工装上；

　　（3）采用电木材料调整铝板与钢板之间板搭接间隙为1.8~2.2mm，搭接长度15mm，进行铝板/钢板的电磁脉冲搭接焊接；

　　（4）设置电磁脉冲充电电压17kv，电流为750ka，频率为18khz，进行充放电，线圈中通入周期极短的时变高强度电流，使铝板在电磁力下快速撞击钢板实现焊接，焊件宏观接头图如图4所示，其中图中左边的为铝板，右边的为钢板，焊接接头处铝板和钢板均完好无缺陷。

　　将本实例得到的电磁脉冲焊接接头进行超声c扫描，结果如图5所示，焊缝呈现椭圆状，无夹杂、疏松、气孔等缺陷，焊接接头焊合率在96%以上；取接头界面进行sem观察，如图6所示，复板冲击基板嵌入形成小波状界面，“块”状钢板消失，界面存在一定的扩散区域，铝侧表面的氧化锆阻止fe扩散含量，同理，钢侧表面的氧化锆阻止铝元素扩散含量，使得接头界面金属间化合物厚度明显减小；将本实施例得到焊接界面进行元素分布分析，焊接界面元素分布图和曲线图分别如图7、图8所示，由图7可清楚地看到元素扩散规律，钢板上氧化锆分布和含量均多于铝侧，说明铝侧表面氧化锆阻止了铝元素扩散到钢侧，使得少量的fe元素扩散到铝板，由图8可以看出在扩散界面上，铝元素快速减少，铁元素扩散曲线快速增加，且在两曲线焦点的左右两侧未发现明显的台阶，化合物明显减少，这表明采用复板表面涂覆一层不参与反应的氧化锆粉末能够有效减小界面扩散区域，减少金属间化合物和“块”状钢片，实现高强度的焊接方法。

　　实施例2

　　铝板和不锈钢钢板的尺寸均为20mm×100mm×2mm，电磁脉冲焊接的具体步骤如下：

　　（1）用砂纸打磨掉铝板上表面油污，丙酮擦洗后晾干，进行铝板上表面涂覆氧化锆粉末，在铝板上笔标记出喷涂氧化锆的具体位置，用无水乙醇将氧化锆配置成氧化锆溶液，其浓度为30%，用10ml滴管吸满氧化锆溶液，再倒入10ml的喷壶，选择距离水平放置复板10～20mm处，在复板上表面标记处用喷壶均匀喷涂一层氧化锆溶液（10ml溶液刚好用完），然后再在室温条件下晾干。

　　（2）将待焊接的铝板和钢板以铝板为复板，钢板为基板的要求放置在焊接夹具工装上；

　　（3）采用电木材料调整铝板与钢板之间板搭接间隙为1.8～2.2mm，搭接长度20mm，进行铝板/钢板的电磁脉冲搭接焊接；

　　（4）设置电磁脉冲充电电压17kv，电流为700ka，频率为18khz，进行充放电，线圈中通入周期极短的时变高强度电流，使铝板在电磁力下快速撞击钢板实现焊接焊件。

　　将本实例得到的电磁脉冲焊接接头进行超声c扫描，结果表明，接头的平均合格率在95%以上，取接头界面进行sem观察并对界面元素分布进行分析，界面存在一定的扩散区域，金属间化合物厚度明显减小，这表明采用复板表面涂覆一层不参与反应的氧化锆粉末能够有效减小界面扩散区域，减少金属间化合物和“块”状钢片，实现高强度的焊接方法。

　　拉伸实验

　　重复实施例2步骤电磁焊接铝板和钢板形成4个焊接样品，其中焊接样品1和2在焊接前中未喷涂氧化锆溶液，另外焊接样品3和4在焊接前喷涂了氧化锆溶液。然后对样品1、2、3和4进行拉伸实验

　　并对实验样品进行拉伸实验验证，拉伸试样的尺寸参考gb/t26957—2011和aws_d17-3-2010的要求进行，制定标准拉伸试样及与试样相同厚度的垫板（宽度与试样装卡侧相同，长度为30mm），在拉伸试验机上装卡时用垫板补偿搭接偏移量，实验结果如图9所示，其中样品1和2是未添加氧化锆的焊接试样进行拉伸实验，断裂位置在焊缝，而样品3和4是涂覆氧化锆的焊接试样力学性能结果，断裂位置在铝材，说明焊缝接头强度高于母材，涂覆氧化锆减少扩散界面特征，减少金属间化合物含量，力学性能提高。

　　实施例3

　　铝板和不锈钢钢板的尺寸均为20mm×100mm×2mm，电磁脉冲焊接的具体步骤如下：

　　（1）用砂纸打磨掉铝板上表面油污，丙酮擦洗后晾干，进行铝板上表面涂覆氧化锆粉末，在铝板上笔标记出喷涂氧化锆的具体位置，用无水乙醇将氧化锆配置成氧化锆溶液，其浓度为35%，准确量取8ml氧化锆溶液，再倒入10ml的喷壶，选择距离水平放置复板10～20mm处，在复板上表面标记处用喷壶均匀喷涂一层氧化锆溶液（8ml溶液刚好用完），然后再在室温中晾干。

　　（2）将待焊接的铝板和钢板以铝板为复板，钢板为基板的要求放置在焊接夹具工装上；

　　（3）采用电木材料调整铝板与钢板之间板搭接间隙为1.8～2.2mm，搭接长度18mm，进行铝板/钢板的电磁脉冲搭接焊接；

　　（4）设置电磁脉冲充电电压17kv，电流为750ka，频率为18khz，进行充放电，线圈中通入周期极短的时变高强度电流，使铝板在电磁力下快速撞击钢板实现焊接焊件。

　　将本实例得到的电磁脉冲焊接接头进行超声c扫描，结果表明，接头的平均合格率在96%以上，取接头界面进行sem观察，界面存在一定的扩散区域，金属间化合物厚度明显减小，这表明采用复板表面涂覆一层不参与反应的氧化锆粉末能够有效减小界面扩散区域，减少金属间化合物和“块”状钢片，实现高强度的焊接方法。

　　实施例4

　　铝板和不锈钢钢板的尺寸均为20mm×100mm×2mm，电磁脉冲焊接的具体步骤如下：

　　（1）用砂纸打磨掉铝板上表面油污，丙酮擦洗后晾干，进行铝板上表面涂覆氧化锆粉末，在铝板上笔标记出喷涂氧化锆的具体位置，用无水乙醇将氧化锆配置成氧化锆溶液，其浓度为30%，用5ml滴管吸满氧化锆溶液，再倒入10ml的喷壶，选择距离水平放置复板10～20mm处，在复板上表面标记处用喷壶均匀喷涂一层氧化锆溶液（5ml溶液刚好用完），然后再在室温中晾干。

　　（2）将待焊接的铝板和钢板以铝板为复板，钢板为基板的要求放置在焊接夹具工装上；

　　（3）采用电木材料调整铝板与钢板之间板搭接间隙为1.8～2.2mm，搭接长度15mm，进行铝板/钢板的电磁脉冲搭接焊接；

　　（4）设置电磁脉冲充电电压16kv，电流为700ka，频率为15khz，进行充放电，线圈中通入周期极短的时变高强度电流，使铝板在电磁力下快速撞击钢板实现焊接焊件。

　　将本实例得到的电磁脉冲焊接接头进行超声c扫描，结果表明，接头的平均合格率在94%以上，取接头界面进行sem观察，界面存在一定的扩散区域，金属间化合物厚度明显减小，这表明采用复板表面涂覆一层不参与反应的氧化锆粉末能够有效减小界面扩散区域，减少金属间化合物和“块”状钢片，实现高强度的焊接方法。

　　实施例5

　　铝板和不锈钢钢板的尺寸均为20mm×100mm×2mm，电磁脉冲焊接的具体步骤如下：

　　（1）用砂纸打磨掉铝板上表面油污，丙酮擦洗后晾干，进行铝板上表面涂覆氧化锆粉末，在铝板上笔标记出喷涂氧化锆的具体位置，用无水乙醇将氧化锆配置成氧化锆溶液，其浓度为40%，准确量取6ml氧化锆溶液，再倒入10ml的喷壶，选择距离水平放置复板10～20mm处，在复板上表面标记处用喷壶均匀喷涂一层氧化锆溶液（6ml溶液刚好用完），然后再在室温中晾干。

　　（2）将待焊接的铝板和钢板以铝板为复板，钢板为基板的要求放置在焊接夹具工装上；

　　（3）采用电木材料调整铝板与钢板之间板搭接间隙为1.8～2.2mm，搭接长度20mm，进行铝板/钢板的电磁脉冲搭接焊接；

　　（4）设置电磁脉冲充电电压17kv，电流为750ka，频率为16khz，进行充放电，线圈中通入周期极短的时变高强度电流，使铝板在电磁力下快速撞击钢板实现焊接焊件。

　　将本实例得到的电磁脉冲焊接接头进行超声c扫描，结果表明，接头的平均合格率在95%以上，取接头界面进行sem观察，界面存在一定的扩散区域，金属间化合物厚度明显减小，这表明采用复板表面涂覆一层不参与反应的氧化锆粉末能够有效减小界面扩散区域，减少金属间化合物和“块”状钢片，实现高强度的焊接方法。

　　实施例6

　　铝板和不锈钢钢板的尺寸均为20mm×100mm×2mm，电磁脉冲焊接的具体步骤如下：

　　（1）用砂纸打磨掉铝板上表面油污，丙酮擦洗后晾干，进行铝板上表面涂覆氧化锆粉末，在铝板上笔标记出喷涂氧化锆的具体位置，用无水乙醇将氧化锆配置成氧化锆溶液，其浓度为32%，准确量取7ml氧化锆溶液，再倒入10ml的喷壶，选择距离水平放置复板10～20mm处，在复板上表面标记处用喷壶均匀喷涂一层氧化锆溶液（7ml溶液刚好用完），然后再在室温中晾干。

　　（2）将待焊接的铝板和钢板以铝板为复板，钢板为基板的要求放置在焊接夹具工装上；

　　（3）采用电木材料调整铝板与钢板之间板搭接间隙为1.8～2.2mm，搭接长度15mm，进行铝板/钢板的电磁脉冲搭接焊接；

　　（4）设置电磁脉冲充电电压15kv，电流为750ka，频率为17khz，进行充放电，线圈中通入周期极短的时变高强度电流，使铝板在电磁力下快速撞击钢板实现焊接焊件。

　　将本实例得到的电磁脉冲焊接接头进行超声c扫描，结果表明，接头的平均合格率在94%以上，取接头界面进行sem观察，界面存在一定的扩散区域，金属间化合物厚度明显减小，这表明采用复板表面涂覆一层不参与反应的氧化锆粉末能够有效减小界面扩散区域，减少金属间化合物和“块”状钢片，实现高强度的焊接方法。

　　本发明选择在铝板上喷涂少量氧化锆溶液，达到有效阻碍了金属间化合物生成，提高了铝/钢焊接强度，整个过程操作简单、方便实用，实现了轻量化设计和绿色生产，解决了铝/钢焊接强度低的问题，在汽车零部件生产中具有广泛的应用前景。

　　最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

　　技术特征：

　　技术总结

　　本发明属于应用焊接技术领域，具体公开了铝板和钢板电磁脉冲焊接方法，在铝板的待焊接面上均匀涂覆氧化锆，然后将铝板和钢板的待焊接面正对，最后使用电磁脉冲焊接铝板和钢板。该方法能有效阻碍铝铁金属间化合物的产生，减少钢块夹杂在焊接接头内，从而提高铝/钢电磁脉冲焊接强度。

　　技术研发人员：迟露鑫;甘贵生;杨栋华;王新鑫;秦小龙

　　受保护的技术使用者：重庆理工大学

　　技术研发日：2019.01.28

　　技术公布日：2019.04.12