CN111050987A - 用于焊接不同种类材料的焊丝及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于焊接不同种类材料的焊丝及其制造方法，所述焊丝使得能够降低焊剂填充因子并且抑制填充不均匀的发生。导电性焊芯材料和金属外皮材料包括铝或铝合金。通过将焊剂糊状物涂布到导电性焊芯材料的表面上来形成具有涂层的涂覆导电性焊芯材料，或者通过将焊剂糊状物涂覆到金属外皮材料的内表面上来形成具有涂层的涂覆金属外皮材料。之后，形成管状金属外皮材料，并且将导电性焊芯布置在管状金属外皮材料内部以形成用于焊丝拉伸的焊丝。通过在焊丝周向的整个焊丝上形成涂层，即使在焊剂填充因子低时，也可以在将涂层中的溶剂去除之后，将焊剂以在长度方向和周向上的分布方式设置在整个焊丝上。

Description

用于焊接不同种类材料的焊丝及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于将Fe系材料和Al系材料的不同种类材料彼此焊接的焊丝，并且涉及其制造方法。
背景技术
日本专利号5689492(专利文献1)公开了一种用于将铝材料或铝合金材料与钢材料彼此接合的用于接合不同种类材料的填充材料(用于焊接不同种类材料的焊丝)，所述填充材料提高接合强度、抑制在接合部中的裂纹并且进一步使得不太可能在焊丝拉伸期间产生断裂。在根据相关技术的用于焊接不同种类材料的焊丝中，皮材含有至少1.0质量％至6.0质量％的Si、0.01质量％至0.30质量％的Ti和0.01质量％至0.30质量％的Zr，其余部分由作为不可避免的杂质的铝和铝合金组成，并且相对于焊丝的总质量，管状金属外皮以2.0质量％至20.0质量％的填充率填充有粉末形式的焊剂。
日本专利号4256886(专利文献2)公开了一种用于接合不同材料如钢材料和铝合金材料的药芯焊丝(flux-cored wire)，所述药芯焊丝使用具有氟化物组合物的焊剂，所述氟化物组合物含有相对于药芯焊丝总质量为0.1质量％至15质量％的AlF3并且不含氯化物，并且所述药芯焊丝填充有相对于药芯焊丝总质量为0.3质量％至20质量％的焊剂。通过用粉末形式的焊剂填充管状金属外皮来制造药芯焊丝。文献的第[0066]段含有以下措辞：“在所有药芯焊丝中的焊剂的量相对于药芯焊丝的总重量为1质量％以下的情况中加入金属粉末。使用与外皮一样、具有与A4047相对应的组成的铝合金粉末(粒度：150μm)作为金属粉末。以相对于药芯焊丝的总重量为20质量％的量加入金属粉末。”该文献描述了一种用于减少焊剂量的情况的焊剂加入方法，其中向焊剂中加入金属粉末以增加焊剂的表观量，从而实现用焊剂进行填充。
最近需要以低电流将Fe系材料和Al系材料彼此接合。已经发现，为了实现这样的需求，通过在防止Al系材料的过度渗透的同时以钎焊状态接合Fe系材料来得到优选的焊接结果(非专利文献1)。
此外，日本专利号4263879(专利文献3)公开了一种用于焊接的焊丝，其中焊剂设置在管状金属外皮和导电性焊芯之间，用于焊接的焊丝具有6.5％至30％、优选15.5％至19.5％的焊剂填充率。日本专利号5444293(专利文献4)公开了一种制造用于焊接的焊丝的方法。在这些常规技术中，导电性焊芯的丝径小于管状金属外皮的内径，并且与在专利文献1和2中描述的常规技术中一样，管状金属外皮填充有粉末形式的焊剂。
相关技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利号5689492
专利文献2：日本专利号4256886
专利文献3：日本专利号4263879
专利文献4：日本专利号5444293
非专利文献
非专利文献1：技术论文：新日铁技报(Nippon Steel Technical Report)第393期(2012年)，“用于汽车车身中钢板和铝合金板的不同种类金属接合技术(Dissimilar MetalJoining Technologies for Steel Sheet and Aluminum Alloy Sheet in Auto Body)”，新日铁住金铁钢研究所联合研究中心(Joint Research Center,Steel ResearchLaboratories,Nippon Steel&Sumitomo Metal Corporation)。
发明概述
技术问题
根据相关技术的用于焊接用焊丝的焊剂用于使电弧稳定并且保护熔池不受大气影响。因此，需要用相当大量的焊剂填充金属外皮，从而实现焊剂的此类目标。然而，专利文献1没有公开关于焊剂填充率和渗透之间关系的任何内容。这基于以下事实：专利文献1仅公开了在其中相对于焊丝总质量的焊剂填充率为5质量％的实例中可以获得效果，而文献1没有公开在权利要求中指定的焊剂填充率的整个范围(2％至20％)内可以获得效果。
如还在专利文献2中描述的，当以低电流进行焊接时，在常规焊接中使用的焊剂的量优选是小的，从而在防止Al系材料的过度渗透的同时以钎焊状态接合Fe系材料。尤其是，在使用激光的高速焊接中，如果焊剂的量过大，则有时在焊接之后残留未熔化的焊剂。因此，从这个观点来看，也需要减少焊剂的量。专利文献2表明，如果焊剂的量相对于药芯焊丝的总重量为1质量％以下，则可以通过加入金属粉末增加焊剂的表观量来用焊剂填充金属外皮。然而，当本发明的发明人实际进行验证试验时，发现即使当用约5质量％(高于1质量％)的焊剂填充管状金属外皮时也需要通过将金属粉末加入至粉末形式的焊剂中来增加焊剂的表观量，从而抑制焊剂的不均匀填充的出现。
如在专利文献3和4中描述的常规技术中那样，发明人试图通过在管状金属外皮和导电性焊芯之间设置焊剂来降低焊剂填充率。然而，即使使用这样的常规技术，当将焊剂填充率降低时，焊剂有时也局部地设置于管状金属外皮和导电性焊芯之间，并且不能在焊丝的整个周向上不存在明显不均匀分布的情况下提供焊剂。这是因为，与本发明相比，在专利文献3和4中描述的常规技术中的焊剂填充率被认为较高。
本发明的一个目的是提供一种制造用于焊接不同种类材料的焊丝的方法，其使得能够在降低焊剂填充率的同时抑制焊剂的不均匀填充的出现。
本发明的另一个目的是提供一种用于焊接不同种类材料的焊丝，其使得Fe系材料和Al系材料能够以低电流彼此接合并且需要少量的用于填充的焊剂。
问题的解决方案
本发明提供了一种制造用于将Fe系材料和Al系材料的不同种类材料彼此焊接的焊丝的方法，所述焊丝包括导电性焊芯，所述导电性焊芯由铝或铝合金制成并且设置在由铝或铝合金制成的管状金属外皮中，并且所述焊丝包括焊剂，所述焊剂设置在金属外皮和导电性焊芯之间并且至少具有将氧化膜从待焊接材料的表面移除的功能。相对于焊丝的总质量，焊丝具有4.9质量％以下的焊剂填充率。
在根据本发明的第一制造方法中，通过将焊剂糊状物涂布至用于形成导电性焊芯的导电性焊芯材料的表面，形成包括涂层的涂覆导电性焊芯材料，所述焊剂糊状物通过将焊剂的材料和溶剂彼此捏合而得到。接下来，通过在涂覆导电性焊芯材料外部形成用于形成管状金属外皮的管状金属外皮材料以使得涂覆导电性焊芯材料位于管状皮材中央，形成用于拉伸的焊丝。之后，进行拉伸作业，直到用于拉伸的焊丝具有预定的外径。
另一发面，在根据本发明的第二制造方法中，通过将焊剂糊状物涂布至金属外皮材料的内表面，形成包括涂层的涂覆金属外皮材料，所述焊剂糊状物通过将焊剂的材料和溶剂彼此捏合而得到，所述金属外皮材料的内表面具有垂直于其纵向截取的弓形横截面形状。接下来，通过在用于形成导电性焊芯的导电性焊芯材料设置在涂覆金属外皮材料内部的情况下成形涂覆金属外皮材料，在导电性焊芯材料外部形成管状金属外皮材料，从而形成用于拉伸的焊丝。之后，进行拉伸作业，直到用于拉伸的焊丝具有预定的外径。
在根据本发明的制造方法中，通过将焊剂糊状物涂布至导电性焊芯材料的表面来形成包括涂层的涂覆导电性焊芯材料，或者通过将焊剂糊状物涂布至金属外皮材料的内表面来形成包括涂层的涂覆金属外皮材料，之后形成管状金属外皮材料以形成用于拉伸的焊丝。作为以这种方式在焊丝的周向上形成涂层的结果，即使焊剂填充率低，也可以在将涂层中的溶剂移除之后将焊剂设置为在焊丝的纵向和周向上分布。
对于根据本发明的制造方法，在任一种情况下，即使焊剂填充率低，也可以制造其中焊剂不是明显局部不均匀的用于焊接不同种类材料的焊丝。
优选地，在将涂层干燥至使得残留一部分溶剂的程度之后形成管状金属外皮材料。以这种方式，涂层的厚度不是明显不均匀的。
根据本发明的用于将Fe系材料和Al系材料彼此焊接的用于焊接不同种类材料的焊丝包括导电性焊芯，所述导电性焊芯由铝或铝合金制成并且设置在由铝或铝合金制成的管状金属外皮中。焊丝还包括焊剂，所述焊剂设置在金属外皮和导电性焊芯之间并且至少具有将氧化膜从待焊接材料的表面移除的功能。相对于用于焊接不同种类材料的焊丝的总质量，焊丝具有4.9质量％以下的低焊剂填充率。在本发明中，在金属外皮和导电性焊芯之间的焊剂作为干燥涂层提供。
如在本文中使用的术语“干燥涂层”是指“通过将涂层干燥而形成的焊剂粉末，所述涂层通过涂布焊剂糊状物而形成，所述焊剂糊状物通过将焊剂的材料和溶剂彼此捏合而得到，所述焊剂粉末设置在已经设置了涂层的部分”。如果焊剂以干燥涂层的形式提供，则可以设置少量焊剂，而在焊丝的周向上没有明显的不均匀。
对于根据本发明的用于焊接不同种类材料的焊丝，即使减少焊剂的量，也可以在焊接期间向焊接部稳定地提供焊剂。结果，对于根据本发明的用于焊接不同种类材料的焊丝，甚至在低电流范围内也可以使电弧稳定化，因此可以在防止Al系材料的过度渗透的同时以钎焊状态接合Fe系材料。
根据焊剂的量确定涂层的厚度。如果焊剂填充率为0.2质量％至4.9质量％，则涂层具有200μm以下的最大厚度。
用于焊接不同种类材料的焊丝的外径优选为约1.0mm至2.0mm，与可以与目前在市场上使用的焊接机一起使用的焊丝的外径一样。
如果焊丝用于MIG焊接，则Fe系材料为碳素钢或不锈钢，并且Al系材料为铝合金，导电性焊芯优选由固相线温度低于金属外皮的固相线温度的铝或铝合金制成。这是因为，当使用固相线温度低于金属外皮的固相线温度的导电性焊芯时，利用其中不产生细长液柱(如当使用惰性保护气体焊接固体焊丝时看到的那些)的熔滴过渡得到了稳定的电弧。
如果根据本发明的用于焊接不同种类材料的焊丝用于MIG焊接，优选地，用于焊接不同种类材料的焊丝具有1.0mm至1.6mm的外径，并且相对于用于焊接不同种类材料的焊丝的总质量，焊丝具有0.2质量％至1.8质量％的焊剂填充率。如果焊剂填充率在该范围内，则在MIG焊接中甚至在低电流范围内也可以使电弧稳定化，因此可以在防止Al系材料的过度渗透的同时以钎焊状态接合Fe系材料。
如果焊丝用于MIG焊接，并且如果相对于用于焊接不同种类材料的焊丝的总质量，焊丝具有1.0质量％至1.8质量％的焊剂填充率，则进一步提高电弧稳定性，相应地减少溅射，并且形成良好的焊道。
如果根据本发明的用于焊接不同种类材料的焊丝用于激光焊接，优选地，用于焊接不同种类材料的焊丝具有1.0mm至2.0mm的外径，并且相对于用于焊接不同种类材料的焊丝的总质量，焊丝具有1.0质量％至4.9质量％的焊剂填充率。如果焊剂填充率在该范围内，则在激光焊接中不残留未熔化的焊剂，熔融状态稳定，形成良好的焊道，并且可以在防止Al系材料的过度渗透的同时以钎焊状态将Fe系材料与Al系材料接合。
如果焊丝用于激光焊接，并且如果相对于用于焊接不同种类材料的焊丝的总质量，焊丝具有1.3质量％至4.4质量％的焊剂填充率，则熔融状态进一步稳定，进一步提高一致性，并且形成良好的焊道。
出于移除氧化膜的目的，焊剂有时含有作为主要组分的KAlF系金属氟化物，和加入其中的一种或多种金属氟化物如CsAlF4、CsF、KF、NaF、LiF、CeF和AlF3。焊剂还可以含有进一步加入其中的Al、Si、Cu、Zn和Mn的金属粉末中的一种或多种。焊剂可以不含加入其中的一种或多种金属氟化物如CsAlF4、CsF、KF、NaF、LiF、CeF和AlF3。
附图简述
图1A示意性地示出了一种被配置成制造用于拉伸的焊丝的装置，并且图1B是该装置的一部分的放大横截面图。
图2A是示出用于焊接不同种类材料的焊丝的横截面的一个实例的照片，所述焊丝通过拉伸用于拉伸的焊丝而制造，所述用于拉伸的焊丝使用图1A中的装置制造，并且图2B是示出用于焊接不同种类材料的焊丝的横截面的一个实例的照片，所述焊丝使用根据专利文献4中描述的相关技术的制造方法通过拉伸用于拉伸的焊丝而制造，所述用于拉伸的焊丝通过用粉末焊剂填充在金属外皮和导电性焊芯之间的空间而制造。
图3A示意性地示出了一种不同的被配置成制造用于拉伸的焊丝的装置，并且图3B是该装置的一部分的放大横截面图。
图4示出了根据本发明实施方案的用于焊接不同种类材料的焊丝的模拟横截面图。
图5示出了表1，其示出了根据实施例和比较例的焊丝的结构、金属外皮和导电性焊芯的类型、固相线温差、焊剂填充率、焊剂供应方法和所含焊剂的类型。
图6示出了表2，其示出了对根据实施例和比较例的用于焊接不同种类材料的焊丝进行的评价试验的评价结果。
图7A至7C示出了在拉伸试验中使用的试样的接头形状。
实施方案描述
[制造方法的描述]
以下将详细描述根据本发明实施方案的制造用于焊接不同种类材料的焊丝的方法和通过该方法制造的用于焊接不同种类材料的焊丝。图1A示意性地一种被配置成实施根据本发明的第一制造方法的制造装置的一部分，并且图1B是示意性地示出被图1A中的圆形标记围绕的部分B的放大横截面图。
将描述一种制造包括焊剂的干燥涂层的用于焊接不同种类材料的焊丝的方法(根据本发明实施方案的第一方法)。首先，通过一次成形辊装置102将由铝或铝合金制成并且从金属板进料盘管(未示出)进料的细长金属外皮材料101成形为在宽度方向上具有弓形横截面。通过导辊202和203向涂覆装置204提供由铝或铝合金制成并且从丝线进料盘管(未示出)进料的导电性焊芯材料201。如在图1B中所示，在涂覆装置204中，将焊剂糊状物涂布至通过一对毡F1和F2之间的导电性焊芯材料201。焊剂糊状物是粉末焊剂材料和溶剂[例如乙醇(C2H5OH)]的液体混合物。将焊剂糊状物从涂布器205提供至毡F1和F2。将焊剂糊状物涂布至已经通过毡F1和F2之间通过的导电性焊芯材料201的整个外周表面以形成涂层C。在包括涂层C的涂覆导电性焊芯材料206到达导辊207之前，通过干燥装置(未示出)将涂层C干燥至使得在涂层C的一部分中残留溶剂的程度(即使得焊剂不脱落的程度)。在这种状态下，涂层不从导电性焊芯材料201脱落。在本发明的实施方案中，使用涂布器205形成涂覆导电性焊芯材料206。然而，可以通过将导电性焊芯材料201浸入在其中储存焊剂糊状物的浸渍槽中并且使导电性焊芯材料201通过浸渍槽来形成涂层。
接下来，将涂覆导电性焊芯材料206***至被弓形的金属外皮材料103围绕的区域中以将涂覆导电性焊芯材料206和金属外皮材料103彼此合并。如果最终焊丝直径为作为标准尺寸的1.2mm，则金属外皮材料101和导电性焊芯材料201的材料和尺寸选择为使得导电性焊芯的横截面积与在焊丝拉伸过程后得到的焊丝的横截面积的比例为10％至40％。接下来，通过二次成形辊装置301将金属外皮材料103成形以减小在金属外皮材料103的接缝处的空隙的尺寸，从而形成用于拉伸的焊丝208，其中涂覆导电性焊芯材料206的外周被管状金属外皮材料围绕。之后，对用于拉伸的焊丝208进行使用已知焊丝拉伸装置执行的焊丝拉伸。当进行焊丝拉伸时，在涂层中几乎没有溶剂残留，并且已经将涂层转变为干燥涂层。在拉伸作业中，焊丝的横截面积逐步减小至预定的焊丝直径，对在干燥涂层中的焊剂粉末加压以使其致密化，之后将焊丝干燥以使其完成。以上制造过程可适当地分割。
图2A是示出用于焊接不同种类材料的焊丝的横截面的一个实例的照片，所述焊丝通过拉伸用于拉伸的焊丝而制造，所述用于拉伸的焊丝使用图1A中的装置制造。图2B是示出用于焊接不同种类材料的焊丝的横截面的一个实例的照片，所述焊丝使用根据专利文献4中描述的相关技术的制造方法通过拉伸用于拉伸的焊丝而制造，所述用于拉伸的焊丝通过用粉末焊剂填充金属外皮和导电性焊芯之间的空间而制造。在图2A和2B二者中，相对于焊丝的总质量，焊剂填充率为约4.7质量％。在图2A中示出的根据本发明实施方案制造的用于焊接不同种类材料的焊丝1包括由干燥涂层构成并且设置在金属外皮3和导电性焊芯5之间的焊剂层7。在图2B中，与图2A中的组件相似的部分被赋予带有撇号的在图2A中使用的符号。如由图2B中的使用根据相关技术的方法制造的焊丝的横截面看到的，当焊剂填充率低时，设置在管状金属外皮3’和导电性焊芯5’之间的焊剂层7’的量存在局部不均匀。当与在图2A中示出并且通过根据本发明实施方案的方法制造的焊丝中一样以干燥涂层的形式提供焊剂层7时，相比之下，可以设置少量焊剂，而在焊丝的周向上没有明显的不均匀。
图3A示意性地示出了一种被配置成实施根据本发明的第二制造方法的制造装置的一部分，并且图3B是示意性地示出被图3A中的圆形标记围绕的部分B的放大横截面图。在图3A和3B中，与在图1A和1B中示出的那些相同的构件由与在图1A和1B中使用的那些相同的附图标记表示。在图3A中的制造装置中，与图1A中的制造装置相比，通过将焊剂糊状物涂布至金属外皮材料103的内表面，形成包括涂层C的涂覆金属外皮材料104，所述焊剂糊状物通过将焊剂材料和溶剂捏合而得到，所述金属外皮材料103的内表面具有垂直于其纵向截取的弓形横截面形状。接下来，在用于形成导电性焊芯的导电性焊芯材料201设置在涂覆金属外皮材料104内部的情况下通过二次成形辊装置301成形涂覆金属外皮材料104，在导电性焊芯材料的外部形成管状金属外皮材料，从而形成用于拉伸的焊丝208。此外，在第二制造方法中，在涂层C进入二次成形辊装置301之前，通过干燥装置(未示出)将涂层C干燥至使得在涂层C的一部分中残留溶剂的程度，即使得焊剂不从金属外皮材料的内表面脱落的程度。此外，当使用第二制造方法时，与第一制造方法一样，焊剂层7以干燥涂层的形式提供，因此可以设置少量焊剂，而在焊丝的周向上没有明显的不均匀。
[根据本发明实施方案的用于焊接不同种类材料的焊丝]
通过以上所述的制造方法制造的根据本发明实施方案的用于焊接不同种类材料的焊丝是用于将Fe系材料和Al系材料彼此焊接的用于焊接不同种类材料的焊丝。在根据本发明实施方案的用于焊接不同种类材料的焊丝1中，如在图4所示的模拟横截面(在与焊丝的纵向垂直的方向上截取的横截面)中所示，由铝或铝合金制成的导电性焊芯5设置在由铝或铝合金制成的管状金属外皮3中，并且含有作为熔融金属合金元素的金属粉末的焊剂层7或不含这样的金属粉末的金属氟化物焊剂层7以干燥涂层的形式设置在金属外皮3和导电性焊芯5之间，焊剂层7至少具有将氧化膜从待焊接材料的表面移除的功能。根据本发明实施方案的用于焊接不同种类材料的焊丝1具有1.0至2.0mm的外径。该尺寸是与现有焊接机一起使用的用于焊接的焊丝的典型焊丝直径。相对于用于焊接不同种类材料的焊丝1的总质量，焊剂填充率为0.2质量％至4.9质量％。
如果与在根据专利文献1中描述的相关技术的用于焊接的焊丝中一样，少量用于根据本发明实施方案的焊丝1的具有细粒子和低流动性的焊剂7如金属氟化物焊剂被包围在金属外皮中，则不能在焊丝的纵向和周向上没有明显不均匀分布的情况下提供少量的焊剂。相比之下，在本发明的实施方案中，少量焊剂以干燥涂层的形式设置在焊丝1内部，因此焊剂层7设置在管状金属外皮3和导电性焊芯5之间，而在纵向和周向上没有明显的不均匀分布。
(焊剂的类型)
为了接合铝或铝合金，需要移除在基材表面上的铝氧化膜，因为这样的膜阻碍熔融金属的流动和铺展。因此，使用焊剂将在基材表面上的氧化膜移除。尤其是，碱金属氟化物焊剂起到用熔融碱将基材表面上的铝氧化膜溶解以活化表面并且使表面容易被熔融金属润湿的作用。
根据本发明的实施方案使用的焊剂的实例包括含有一种或多种金属系氟化物如KAlF系金属氟化物、CsAlF4、AlF3、CsF、NaF、KF、LiF和CeF等的焊剂，以及通过将Al、Si、Cu、Zn和Mn中的一种或多种的金属粉末加入至这样的焊剂中得到的物质。
在特别优选的实施方案中，出于提供高润湿性和减少气孔的目的，优选使用含有作为主要组分的KAlF系金属氟化物和一种或多种金属氟化物如AlF3、CsF、LiF、NaF和CeF等的焊剂作为用于MIG焊接的焊剂。另一方面，优选使用含有作为主要组分的KAlF系金属氟化物、作为必需组分的CsAlF4和加入其中的一种或多种金属氟化物如NaF和KF等的焊剂作为用于激光焊接的焊剂。
(实施例和比较例)
以下将描述使用根据本发明的实施例和比较例的用于焊接不同种类材料的焊丝进行的焊接试验的结果。图5中所示的表1示出了根据本发明的实施例1至20的包括干燥涂层作为焊剂层的用于焊接不同种类材料的焊丝的结构、金属外皮和导电性焊芯的类型、固相线温差、焊剂填充率、焊剂供应方法和所含焊剂的类型。表1还示出了其中使用干燥涂层增加焊剂填充率的比较例1、其中装填粉末形式的焊剂而不使用干燥涂层的比较例2、关于药芯焊丝的比较例3至5的结构、金属外皮和导电性焊芯的类型、固相线温差、焊剂填充率、焊剂供应方法和所含焊剂的类型，以用于比较和验证本发明的效果。在以下描述的实施例1至20和比较例1中，通过以下方式改变在金属外皮3和导电性焊芯5之间形成的微小间隙的尺寸从而改变焊剂填充率：将用于焊接不同种类材料的焊丝1的外径设定为1.2mm或1.6mm，改变金属外皮3的内径和导电性焊芯5的外径，和装填作为干燥涂层的焊剂。在比较例3至5中，与在专利文献1和2中描述的焊丝中一样，仅在金属外皮的内部装填粉末形式的焊剂，而不使用导电性焊芯。
在图5中所示的表1中，各个行示出了根据实施例1至20和比较例1至5的用于焊接不同种类材料的焊丝的结构、金属外皮和导电性焊芯的类型、固相线温差、焊剂填充率、焊剂供应方法和所含焊剂的类型。在根据实施例1至19的用于焊接不同种类材料的焊丝中，铝用于金属外皮，并且Al-Si系合金用于导电性焊芯，使得导电性焊芯的固相线温度低于金属外皮的固相线温度。在实施例20中，铝用于金属外皮和导电性焊芯，并且焊剂作为干燥涂层设置在金属外皮和导电性焊芯之间。在实施例19中，镀Cu焊芯用于导电性焊芯，因此不向焊剂加入金属粉末。
用于根据实施例1至20的用于焊接不同种类材料的焊丝的所有焊剂含有一种或多种金属氟化物焊剂如KAlF系金属氟化物、CsAlF4、AlF3、CsF、NaF、KF、LiF和CeF等，向其中加入Al、Si、Cu、Mn和Zn的金属粉末中的一种或多种，或者不向其中加入这样的金属粉末。在根据实施例1至18的用于焊接的焊丝中，含有Si作为导电性焊芯的化学组分，在焊剂中含有Cu、Mn和Zn三种合金元素中的至少一种，并且其余部分由Al和不可避免的杂质组成。
(用于焊接的焊丝的化学组分)
以下将描述在用于焊接的焊丝中含有的化学组分。
Si：当将铝或铝合金和钢材料彼此接合时，Si在钢材料侧的接合界面处形成薄FeSiAl系层，并且抑制Fe和Al的相互扩散。因此，Si有效地抑制由FeAl制成的脆性金属间化合物(IMC)的生成，并且明显有助于提高接合强度。Si还提高润湿性，并且改善焊道的一致性和形状。然而，应当指出，应当含有适当量的Si，因为如果加入的Si的量过小，则不能得到足够的效果；并且如果加入的Si的量过大，则改变了在钢材料侧的接合界面处的FeSiAl系层的形式，从而降低在抑制Fe和Al的相互扩散方面的效果，这导致脆性FeAl系IMC的生长而降低接合强度。
Cu：Cu在基体中形成固溶体，并且有助于提高强度。如果以超过固溶体形成的极限的量加入Cu，则Cu还有助于通过析出强化来提高强度。然而，应当指出，应当含有适当量的Cu，因为如果加入的Cu的量过小，则不能得到足够的效果；并且如果加入的Cu的量过大，则对焊接裂纹的敏感性明显增强，韧性由于CuAl系金属间化合物的增加而降低，并且当将铝或铝合金和钢材料彼此接合时，还促进在钢材料侧的接合界面处的FeAl系金属间化合物的生成。
Mn：Mn在基体中形成固溶体，并且有助于提高强度。然而，应当指出，应当含有适当量的Mn，因为如果加入的Mn的量过大，则强度和韧性由于晶粒的粗化以及粗金属间化合物的生成而降低。
Zn：Zn提高焊道的一致性，并且当将铝或铝合金和钢材料彼此接合时，还有助于抑制在钢材料侧的接合界面处的FeAl系IMC的生成并且提高接合强度。然而，应当含有适当量的Zn，因为如果加入的Zn的量过大，则在焊接金属中的气孔增加，接合强度降低，并且在焊接期间产生的烟气的量增加。
(评价结果)
图6中示出的表2示出了对根据在表1中示出的实施例1至20和比较例1至5的用于焊接不同种类材料的焊丝进行的评价试验的评价结果。在评价试验中，根据接头形状、基材的组合(铝合金和碳素钢或不锈钢的组合)和接合方法的差异，检查在通过一道(one-pass)MIG焊接或激光焊接制作焊芯的情况下在MIG焊接中的电弧稳定性或在激光焊接中的熔融状态、溅射发生状态、制作的试样的焊道形状、在焊接金属部中是否存在裂纹、在拉伸试验中的断裂负荷和在钢材料侧的界面(在碳素钢或不锈钢侧的界面)处的金属间化合物(IMC)层的厚度。使用通过一道焊接制作的扩口焊接接头(flare-weld joint)的试样[图7A]、堆焊接头(stack-weld joint)的试样[图7B]和对焊接头(butt-weld joint)的试样[图7C]作为接头试样。
图7A中的扩口焊接接头的试样是铝合金A6061(JIS H 4000)和电镀锌钢板(JIS G3313,SECCT)的组合或铝合金A6022和合金热浸镀锌钢板(GA270MPa)的组合。铝合金具有1.2或1.5mm的板厚度，并且镀锌钢板具有0.8mm的板厚度。
图7B中的堆焊接头的试样是铝合金A5052、A6061或A7N01(JIS H 4000)和碳素钢板(JIS G 3141，SPCCT和JIS G 3135，SPFC590)的组合或热浸镀锌钢板(GI270MPa)和980MPa级钢板的组合。铝合金具有1.2或2.0mm的板厚度，并且碳素钢板具有0.8或1.0mm的板厚度。
图7C中示出的对焊接头的试样是铝合金A6061(JIS H 4000)和1200MPa级钢板或SUS 304(JIS G 4305)的组合。铝合金具有1.0mm的板厚度，并且1200MPa级钢板和SUS 304具有1.6mm的板厚度。背板为碳素钢板(JIS G 3141，SPCCT)，并且具有1.2mm的板厚度。
(焊接条件)
MIG焊接使用直径为1.2mm的用于焊接不同种类材料的焊丝进行，并且AC脉冲焊接或DC脉冲焊接在65A至122A的电流、12.0V至16.2V的电压和600mm/min至2000mm/min的焊接速率下以向下的姿势进行。另一方面，激光焊接使用直径为1.2mm和1.6mm的用于焊接不同种类材料的焊丝进行，并且使用激光输出为2kW至4kW的光纤激光器并且在500mm/min至1000mm/min的焊接速率下以向下的姿势进行。使用选自以上范围的最佳条件作为实际用于实施例和比较例的试验条件。另外，使用氩作为每种焊接方法中的保护气体。
(在MIG焊接中的电弧稳定性)
为了评价在MIG焊接中的电弧稳定性，检查电弧转移的方式、是否存在电弧长度波动以及电弧的集中性(电弧是否偏向基材之一)。如果不存在电弧长度波动，电弧集中性良好，并且得到具有喷射过渡的稳定电弧，则将电弧稳定性评价为良好(圆形标记○)，并且如果不满足以上标准中的至少一个，则根据偏差程度将电弧稳定性评价为合格(三角形标记Δ)或不合格(叉号标记×)。
(在激光焊接中的熔融状态)
为了评价在激光焊接中的熔融状态，用高速相机观察用于焊接不同种类材料的焊丝在激光照射下的熔融状态。如果金属外皮、导电性焊芯和焊剂正常熔融形成熔池，则将熔融状态评价为良好(圆形标记○)，并且如果任何组分以未熔化状态供应至熔池或者未形成稳定的熔池，则根据偏差程度将熔融状态评价为合格(三角形标记Δ)或不合格(叉号标记×)。
(溅射发生状态)
为了评价溅射发生状态，目视观察在焊接期间的溅射发生状态，并且观察焊接之后溅射物附着至试样表面的状态。如果几乎没有产生或附着溅射物，则将溅射发生状态评价为良好(圆形标记○)，如果产生一些溅射物但是可以移除，则将溅射发生状态评价为合格(三角形标记Δ)，并且如果产生并且附着大量溅射物，则将溅射发生状态评价为不合格(叉号标记×)。
(焊道形状)
为了评价通过MIG焊接或激光焊接制作的接头的焊道形状，目视检查在接头表面上的焊道形状，并且使用放大倍数为约15倍的光学显微镜观察到焊道的截面形状。通过将从接头切下的焊接接头截面嵌入树脂中并且将截面抛光而得到用于使用光学显微镜观察的样品。
优选地，在接头表面上的焊道形状在整个长度上具有均匀的焊道宽度，并且不具有融合不足或过度渗透。对于焊道的截面形状来说，优选地，焊道散布在铝合金基材和碳素钢或不锈钢板的表面上，并且具有大的牙侧角，板通过在碳素钢或不锈钢侧钎焊而彼此接合，并且在铝合金侧不存在过度渗透或咬边(undercut)。如果满足所有这些条件，则将焊道形状评价为非常好(双圆形标记◎)，如果存在融合不足或在其他评价项目中存在明显缺陷，则将焊道形状评价为不合格(叉号标记×)，否则根据偏差程度将焊道形状评价为合格(圆形标记○或三角形标记Δ)。
(焊接金属部中的裂纹)
为了评价在通过MIG焊接或激光焊接制作的接头的焊接金属部中的裂纹，使用放大倍数为约15至400倍的光学显微镜观察焊接接头截面以检查在焊接金属部中是否存在裂纹，并且如果在焊接金属部中不存在裂纹，则将焊接金属部评价为良好(圆形标记○)，并且如果在焊接金属部中存在裂纹，则将焊接金属部评价为不合格(叉号标记×)。
通过将从接头切下的焊接接头截面嵌入树脂中并且将截面抛光而得到用于使用光学显微镜观察的样品，并且在非蚀刻状态下对其进行检查。
(拉伸试验)
在通过MIG焊接或激光焊接制作的接头的拉伸试验中，垂直于焊接方向由图7A至7C中所示的焊接接头获取宽度为20mm的拉伸试样，并且使用Tensilon通用材料测试仪向铝合金基材和碳素钢或不锈钢板施加拉伸负荷以测量断裂负荷。
在扩口焊接接头和堆焊接头的拉伸试验的评价中，因为由扩口焊接接头和堆焊接头获取并且加工的作为拉伸试样的镀锌钢板的截面积为16mm2，参照针对镀锌钢板(JIS G3313SECCT)规定的拉伸强度为270MPa以上，如果断裂负荷超过4320N，则将测量的断裂负荷确定为良好(圆形标记○)，否则确定为不合格(叉号标记×)。
另一方面，在对焊接头的拉伸试验的评价中，因为由对焊接头获取并且加工的作为拉伸试样的铝合金的截面积为20mm2，参照针对铝合金(JIS H 4000A6061P-T4)规定的拉伸强度为205MPa以上，如果测量的断裂负荷超过4100N，则将断裂负荷确定为良好(圆形标记○)，否则确定为不合格(叉号标记×)。
(IMC宽度)
在通过MIG焊接或激光焊接制作的接头的金属间化合物(IMC)的评价中，使用放大倍数为约400倍的光学显微镜观察焊接接头截面，并且在碳素钢或不锈钢板侧的界面的整个长度上测量IMC层的厚度。在铝或铝合金和钢板之间的接头中，在钢板侧的界面处生成的FeAl系IMC层使接合强度明显降低。因此，层的厚度优选被抑制为较小，并且如果最大宽度为4μm以下，则将层的厚度评价为良好(圆形标记○)，而如果最大宽度为5μm以上，则将层的厚度评价为不合格(叉号标记×)。
(试验结果)
(结果：MIG电弧稳定性/激光熔融状态/溅射发生状态)
将基于在图6的表2中示出的试验结果具体描述本发明实施方案的效果。在实施例1至7、9和14至18中，分别将铝和Al-Si合金用于金属外皮和导电性焊芯，这是使得导电性焊芯的固相线温度低于金属外皮的固相线温度的组合。在这些实施例中，在MIG焊接中，甚至在65A至122A的低电流范围内，也抑制了液柱(熔融柱)的不稳定行为，不存在电弧长度波动，电弧集中性良好，并且得到具有喷射过渡的稳定电弧。在实施例20中，将铝用于金属外皮和导电性焊芯，并且在金属外皮和导电性焊芯各自的固相线温度之间不存在差异。因此，在MIG焊接中没有获得效果，并且电弧的集中性稍低。
另一方面，在实施例8、10至13和19中，以满足根据本发明的规定范围的焊剂填充率进行激光焊接。在这些实施例中，金属外皮、导电性焊芯和焊剂正常熔融形成具有高润湿性的良好熔池。
相比之下，在比较例1和2中，焊剂填充率高达5.1质量％，并且不满足根据本发明的规定范围。在比较例1中，因为由干燥涂层形成焊剂层，所以熔融状态稳定，但是生成的溅射物的量大。另一方面，在比较例2中，加入粉末形式的焊剂，因此熔融状态差，生成的溅射物的量增加，并且未形成良好的熔池。
(结果：焊道形状)
将描述焊道形状的评价结果。在实施例1至7、9和14至18中，进行MIG焊接，并且金属外皮和导电性焊芯是使得导电性焊芯的固相线温度低于金属外皮的固相线温度的组合。利用充分调节的焊剂填充率、焊剂供应方法、焊剂的类型和化学组分得到了良好的焊道形状。在这些实施例中，实施例1至5、7、9、14、15、17和18具有在1.0％至1.8％范围内的焊剂填充率，因此实现了提高电弧稳定性并且形成更好焊道的效果。另一方面，在实施例20中，在金属外皮和导电性焊芯之间不存在固相线温差，在MIG焊接中的电弧稳定性稍低，因此焊道宽度稍微不稳定。
另一方面，在实施例8、10至13和19中，进行激光焊接，并且利用充分调节的焊剂填充率、焊剂供应方法、焊剂的类型和化学组分得到了良好的焊道形状。在这些实施例中，实施例11至13和19具有在1.3％至4.4％范围内的焊剂填充率，因此实现了使熔融状态稳定、提高一致性并且形成更好焊道的效果。
相比之下，比较例3至5提供了如在专利文献1和2中描述的那些的其中加入粉末形式的焊剂的药芯焊丝，而不是根据本发明的具有多层截面的焊丝[图2A或图4]。在比较例4和5中，焊剂填充率超出根据本发明的范围。因此，在比较例4和5中，焊剂的效果如此之强，以至于在铝基材侧产生咬边。另一方面，在比较例3中，在扩口接头中，基本上在铝合金侧的整个长度上产生由于过度渗透造成的焊穿(burn-through)，并且焊道形状不合格。
在使用常规方法的比较例3至5中，不能稳定地提供具有细粒子和低流动性的金属系氟化物。然而，在实施例1至20中，以在0.2％至4.9％范围内的焊剂填充率，使用其中已经事先形成焊剂糊状物的焊剂涂层的导电性焊芯或金属外皮，向根据本发明的焊丝提供焊剂，而没有不均匀分布的情况。因此，稳定地得到焊剂的效果，并且得到更好的焊道形状。
(结果：焊接金属部中的裂纹)
将描述焊接金属部中的裂纹的评价结果。在实施例1至20中，焊剂填充率、焊剂供应方法和焊剂的类型在根据本发明的范围内，并且含有适当量的Si、Cu、Mn和Zn，其余部分由Al组成。因此，基体不因为析出物而过度固化，并且在焊接金属中未发现裂纹。
(描述：断裂负荷和IMC宽度)
将描述接头的拉伸试验的结果。在实施例1至13和16至20中，焊剂填充率、焊剂供应方法和焊剂的类型在根据本发明的范围内，并且使用了Al-Si-Cu系化学组合物。因为Si的IMC生成抑制效果，IMC层的厚度被抑制到4μm以下，并且因为Cu的固溶体强化和析出强化而得到足够的断裂负荷。
在实施例14中，焊剂填充率、焊剂供应方法和焊剂的类型在根据本发明的范围内，并且使用了Al-Si-Mn系化学组合物。因为Si的IMC生成抑制效果，IMC层的厚度被抑制到4μm以下，并且因为Mn的固溶体强化和析出强化而得到足够的断裂负荷。
在实施例15中，焊剂填充率、焊剂供应方法和焊剂的类型在根据本发明的范围内，并且使用了Al-Si-Zn系化学组合物。因为Si和Zn的IMC生成抑制效果，IMC层的厚度被抑制到4μm，并且因为Zn的效果而在改善焊道的一致性和渗透形状的情况下得到足够的断裂负荷。
在比较例1和2中，焊剂填充率为5.1质量％，这不满足根据本发明的焊剂填充率的规定范围。因为焊剂的效果过度，所以在激光焊接中，在铝合金侧产生深度渗透和产生焊穿的情况下，无法得到足够的断裂负荷。另外，焊接金属中含有的Fe的量增加，并且在碳素钢板侧的界面处的IMC层的厚度为5μm以上。
在比较例4和5中，焊剂填充率分别为5.9质量％和6.7质量％，加入了粉末形式的焊剂，因此焊剂填充率和焊剂供应方法不满足根据本发明的那些。因为在MIG焊接中，在铝合金侧产生咬边并且在咬边部分处产生断裂，所以不能得到足够的断裂负荷。另外，焊接金属中含有的Fe的量增加，并且在碳素钢和不锈钢板侧的界面处的IMC层的厚度为5μm以上。
在比较例3中，加入了粉末形式的焊剂，并且焊剂供应方法不满足根据本发明的焊剂供应方法。在扩口接头中，在基本上铝合金侧的整个长度上产生由于过度渗透造成的焊穿的情况下，无法得到足够的断裂负荷。
通常，在钎焊中，事先将焊剂涂布至基材的表面，并且熔融的焊剂将在基材表面上的氧化膜移除。之后，熔融的金属在其上流动以在界面处接合。然而，如果使用根据在比较例3至5中描述的相关技术的药芯焊丝(其中焊剂设置在焊丝的中央部处)进行钎焊，则不容易使焊剂熔化，并且不能容易地得到钎焊的原始效果。相比之下，在根据本发明的实施例1至20的具有多层截面的焊丝(其中焊剂设置为接近焊丝表面)的情况下，焊剂在较早的时机开始熔融，并且可以容易地得到钎焊的原始效果。
根据以上内容，已经发现，根据本发明的包括由干燥涂层构成的焊剂层的用于焊接不同种类材料的焊丝实现了制造没有焊接裂纹的良好高强度接头，其在通过MIG或激光焊接将不同种类材料(即Fe系材料和Al系材料)彼此接合时提供了高焊接可加工性和良好的焊道形状。
工业实用性
在根据本发明的方法中，通过将焊剂糊状物涂布至导电性焊芯材料的表面来形成包括涂层的涂覆导电性焊芯材料，或者通过将焊剂糊状物涂布至金属外皮材料的内表面来形成包括涂层的涂覆金属外皮材料，之后形成管状金属外皮材料，并且导电性焊芯设置在金属外皮材料内部以形成用于拉伸的焊丝。作为以这种方式在焊丝的纵向和周向上形成涂层的结果，即使焊剂填充率低，也可以在将涂层中的溶剂移除之后将焊剂设置为在焊丝的纵向和周向上分布。
使用通过根据本发明的方法制造的用于焊接不同种类材料的焊丝，即使焊剂填充率低，也可以将焊剂层作为干燥涂层设置在纵向和周向上。因此，甚至在低电流范围内，也可以通过用稳定电弧防止Al系材料的过度渗透而以钎焊状态将Fe系材料接合。
附图标记说明
1 用于焊接不同种类材料的焊丝
3 金属外皮
5 导电性焊芯
7 干燥涂层

Claims (13)

1.一种制造用于将Fe系材料和Al系材料的不同种类材料彼此焊接的焊丝的方法，
所述焊丝包括导电性焊芯，所述导电性焊芯由铝或铝合金制成并且设置在由铝或铝合金制成的管状金属外皮中，
所述焊丝包括焊剂，所述焊剂设置在所述金属外皮和所述导电性焊芯之间并且至少具有将氧化膜从待焊接材料的表面移除的功能，并且
相对于所述焊丝的总质量，所述焊丝具有4.9质量％以下的焊剂填充率，所述方法包括：
通过将焊剂糊状物涂布至用于形成所述导电性焊芯的导电性焊芯材料的表面，形成包括涂层的涂覆导电性焊芯材料，所述焊剂糊状物通过将所述焊剂的材料和溶剂彼此捏合而得到；
通过在所述涂覆导电性焊芯材料外部形成用于形成所述管状金属外皮的管状金属外皮材料以使得所述涂覆导电性焊芯材料位于所述管状金属外皮材料中央，形成用于拉伸的焊丝；和
进行拉伸作业，直到所述用于拉伸的焊丝具有预定的外径。
2.根据权利要求1所述的制造用于将不同种类材料焊接的焊丝的方法，其中
在将所述涂层干燥至使得残留一部分所述溶剂的程度之后形成所述管状金属外皮材料。
3.一种制造用于将Fe系材料和Al系材料的不同种类材料彼此焊接的焊丝的方法，
所述焊丝包括导电性焊芯，所述导电性焊芯由铝或铝合金制成并且设置在由铝或铝合金制成的管状金属外皮中，
所述焊丝包括焊剂，所述焊剂设置在所述金属外皮和所述导电性焊芯之间并且至少具有将氧化膜从待焊接材料的表面移除的功能，并且
相对于所述焊丝的总质量，所述焊丝具有4.9质量％以下的焊剂填充率，所述方法包括：
通过将焊剂糊状物涂布至金属外皮材料的内表面，形成包括涂层的涂覆金属外皮材料，所述焊剂糊状物通过将所述焊剂的材料和溶剂彼此捏合而得到，所述金属外皮材料的内表面具有垂直于其纵向截取的弓形横截面形状；
通过在用于形成所述导电性焊芯的导电性焊芯材料设置在所述涂覆金属外皮材料内部的情况下成形所述涂覆金属外皮材料，在所述导电性焊芯材料外部形成管状金属外皮材料，从而形成用于拉伸的焊丝；和
进行拉伸作业，直到所述用于拉伸的焊丝具有预定的外径。
4.根据权利要求3所述的制造用于将不同种类材料焊接的焊丝的方法，其中
在将所述涂层干燥至使得残留一部分所述溶剂的程度之后形成所述管状金属外皮材料。
5.一种用于将Fe系材料和Al系材料的不同种类材料彼此焊接的焊丝，
所述焊丝包括导电性焊芯，所述导电性焊芯由铝或铝合金制成并且设置在由铝或铝合金制成的管状金属外皮中，
所述焊丝包括焊剂，所述焊剂设置在所述金属外皮和所述导电性焊芯之间并且至少具有将氧化膜从待焊接材料的表面移除的功能，并且
相对于所述焊丝的总质量，所述焊丝具有4.9质量％以下的焊剂填充率，其中
在所述金属外皮和所述导电性焊芯之间的所述焊剂作为干燥涂层提供。
6.根据权利要求5所述的用于焊接不同种类材料的焊丝，其中：
所述Fe系材料为碳素钢或不锈钢；并且
所述导电性焊芯由固相线温度低于所述金属外皮的固相线温度的铝合金制成。
7.根据权利要求5所述的用于焊接不同种类材料的焊丝，其中：
所述焊剂填充率为0.2质量％至4.9质量％；并且
所述干燥涂层具有200μm以下的最大厚度。
8.根据权利要求6或7所述的用于焊接不同种类材料的焊丝，其中：
所述焊接为MIG焊接；
所述用于焊接不同种类材料的焊丝具有1.0mm至1.6mm的外径；并且
相对于所述用于焊接不同种类材料的焊丝的总质量，所述焊丝具有0.2质量％至1.8质量％的焊剂填充率。
9.根据权利要求8所述的用于焊接不同种类材料的焊丝，其中
相对于所述用于焊接不同种类材料的焊丝的总质量，所述焊丝具有1.0质量％至1.8质量％的焊剂填充率。
10.根据权利要求7所述的用于焊接不同种类材料的焊丝，其中：
所述焊接为激光焊接；
所述用于焊接不同种类材料的焊丝具有1.0mm至2.0mm的外径；并且
相对于所述用于焊接不同种类材料的焊丝的总质量，所述焊丝具有1.0质量％至4.9质量％的焊剂填充率。
11.根据权利要求10所述的用于焊接不同种类材料的焊丝，其中
相对于所述用于焊接不同种类材料的焊丝的总质量，所述焊丝具有1.3质量％至4.4质量％的焊剂填充率。
12.根据权利要求5至11中任一项所述的用于焊接不同种类材料的焊丝，其中
所述焊剂含有作为熔融金属合金元素的金属粉末。
13.根据权利要求5至12中任一项所述的用于焊接不同种类材料的焊丝，其中
所述焊剂含有作为主要组分的KAlF系金属氟化物，加入其中的一种或多种金属氟化物如CsAlF4、KF、NaF、LiF、CeF、CsF和AlF3，和进一步加入其中的一种或多种金属粉末如Al、Si、Cu、Zn和Mn。
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