CN115338553A - 一种铝铜异种金属冷金属过渡偏置焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及焊接方法的技术领域，公开了一种铝铜异种金属冷金属过渡偏置焊接方法，其特征在于：采用上铜下铝的搭接方式，将铜件和铝件放置在CMT焊接机的工作台上，然后采用左焊接方式进行焊接。采用冷金属过渡焊的Cycle‑Step模式控制焊丝液滴大小和过渡熔滴数量，以增加焊缝的填充量，使得焊缝宽度增加，保证焊缝成型均匀光滑，从而提高接头的力学性能、导电性能，并且由于偏移量的存在，使得焊缝气孔率明显下降50％，增强接头强度34％，整个焊接方法，成本低廉，作业效率高、便于推广应用。

Description

一种铝铜异种金属冷金属过渡偏置焊接方法
技术领域
本发明属于焊接方法的技术领域，涉及一种铝铜异种金属冷金属过渡偏置焊接方法，适用于铝铜异种金属板材的连接。
背景技术
随着铜在制冷行业、电子电器、新能源产业以及高科技领域中日益发挥着日益重要的作用，现代工艺对金属结构性能的要求也日益增加，同时为了解决我国的铜资源短缺问题，伴随“以铝代铜”国家战略的提出，使得铝铜异种金属结构件在制冷、电气、汽车等领域得到广泛应用，如果采用铝代替铜至少可以减少50％的材料费，并且可以有效减少重量50％，大大减低材料成本和运输成本，具有极高的社会经济效益。
但是由于纯铝的强度低、耐腐蚀性能差、同时自身具有的强氧化性，表面极易形成氧化膜，使得它的接头具有接触电阻大、强度低、难以与铜等金属牢固连接的特点；铝和铜容易形成多种硬度高于母材的脆性金属间化合物，如CuAl2、CuAl、Cu9Al4、Cu4Al3、Cu3Al2等，提高了焊缝区域的硬度，且中间化合物内容易萌发裂纹，弱化接头力学性能，同时还会影响接头的导电性；液态铝和铜将吸收大量的气体(如氢气)，并在冷却过程中析出形成氢气孔，导致接头性能下降，使得“以铝代铜”的战略遭到社会上许多的质疑，所以能否克服铝/铜异种金属材料焊接的难点，对于“以铝代铜”的战略尤为重要。
发明内容
本发明提供了一种铝铜异种金属冷金属过渡偏置焊接方法，通过采用CMT-Cycle-Step焊接工艺，在焊接过程中调整各种焊接工艺参数及改善工艺条件，焊接过程无飞溅，电弧稳定，确保焊缝成形良好，均匀光滑，无宏观缺陷。特别地，本发明的焊接方法能够有效地减少了焊接热输入和气孔缺陷，节约成本，效率较高，并且可以获得力学性能较好的铝/铜异种金属接头。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种铝铜异种金属冷金属过渡偏置焊接方法，采用上铜下铝的搭接方式，将铜件和铝件放置在CMT焊接机的工作台上，再调节焊枪与焊缝所在的竖直平面的夹角以及焊枪与工件的相对位置，然后采用左焊接方式进行焊接。
进一步，所述夹角设置为60度-70度，所述焊枪向铜件侧偏置填充焊丝直径的0.8-1.6倍以内。
进一步，所述CMT焊接机的焊接模式设置为Cycle-Step模式。
进一步，焊接时的工艺参数设置为送丝速度为6m/min-8m/min，焊接速度为360mm/min，弧长修正系数为0，保护气体流量15L/min，焊丝干伸长10mm，Cycle Step周期为10-15，中断时间间隔为0.05s-0.1s。
进一步，焊接实施之前，在干净的实验条件下，使用角磨机对铝件的待焊处20-30mm范围内的氧化膜进行机械清洗直到露出金属光泽位置，同时对试件毛边、厚度方向上进行同样的机械清理措施；然后，将机械清洗后的铝件放入8-10wt％、温度为40-70℃的NaOH溶液中处理5-10min，取出后试件流水冲洗2-3min，再放入30wt％、温度为室温的HNO3溶液中处理2-5min，取出后试件流水冲洗2-3min，再使用酒精超声波清洗板件表面并用吹风机冷风模式将试件吹干备用，处理好的试件应尽量的在2个小时之内焊完，以免试件表面新的氧化膜再生成。
本发明有益的技术效果如下：
采用冷金属过渡焊的Cycle-Step模式可以较小的焊接热输入进行焊接，极大程度减少金属间脆性化合物的生成，同时可以控制焊丝液滴大小和过渡熔滴数量，以增加焊缝的填充量，使得焊缝宽度增加，保证焊缝成型均匀光滑，从而提高接头的力学性能、导电性能等等做好物理基础；而通过对传统左焊法进行改良，使焊枪与铜件之间有适当的偏移量，可以将热源更多地加载在高熔点金属侧，以减少低熔点金属的熔化量，从而控制脆性金属间化合物的生成以及气孔的生成，进一步提高接头的力学性能、导电性能等等，从而提高接头的稳定性和使用寿命，并且整个焊接方法能够明显节约成本，提高作业效率，便于推广应用。采用本发明所得铝铜异种金属材料的焊缝搭接接头的抗拉强度最大为1106N，且断裂位置在铝/铜异种金属的焊缝搭接接头的铝侧熔合区，使得焊缝气孔率明显下降50％，增强接头强度34％。
附图说明
图1为本发明的铝件和铜件搭接偏移状态示意图：
图2为采用本发明的铝/铜异种金属冷金属过渡偏置焊接后，实施例1铝/铜异种金属正面焊接效果意图；
图3为实施左焊偏移法，相比无偏移量状态下的宏观气孔减少效果示意图；
图4为采用本发明的铝/铜异种金属冷金属过渡偏置焊接后的实施例1拉伸试样断裂示意图；
图5为实施左焊偏移法，相比无偏移量状态下的拉伸强度提高效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
CMT是低热输入冷金属过渡焊，其原理是在熔滴短路过渡时利用回抽焊丝，促使熔滴过渡到熔池中，使得短路电流很小，焊接过程无飞溅，焊接变形小。此外，它增加了数字控制在焊接异种金属方面显示出极大的优势，由于焊接热输入较小，可以极大程度减少金属间脆性化合物的生成，通过和机器人的配合，可以完美地实现全自动焊接，如CMT-Cycle-Step模式具有控制焊丝液滴大小和过渡熔滴数量的作用，通过该模式下的焊接工艺参数调整，可以极大地增加焊缝的填充量，使得焊缝宽度增加，保证焊缝成型均匀光滑，极大地增加了焊接接头的性能。
因此，本发明以CMT低热输入冷金属过渡焊为基础，通过对传统左焊接方法的适当改进，提供了一种铝铜异种金属冷金属过渡偏置焊接方法，先对待焊接的铝件和铜件进行清洗，如图1所示，然后采用上铜下铝的搭接方式将其放置在CMT焊接机的工作台上，再调节焊枪与焊缝所在的竖直平面的夹角，采用左焊接方式进行焊接。具体如下：
S1、焊前准备
1、表面清理
在干净的实验条件下，使用角磨机对铝件的待焊处20-30mm范围内的氧化膜进行机械清洗直到露出金属光泽位置，同时对试件毛边、厚度方向上进行同样的机械清理措施；然后，将机械清洗后的铝件放入8-10wt％、温度为40-70℃的NaOH溶液中处理5-10min，取出后试件流水冲洗2-3min，再放入30wt％、温度为室温的HNO3溶液中处理2-5min，取出后试件流水冲洗2-3min，再使用酒精超声波清洗板件表面并用吹风机冷风模式将试件吹干备用，保证待加工板材表面没有油污、杂质；考虑到铝及其合金化学性质极为活泼的特性，处理好的试件应尽量的在2个小时之内焊完，以免试件表面新的氧化膜再生成。
2、搭接
将清洗好的铝板和铜板以铜上铝下的搭接方式放置到CMT焊接机的工作台上，尽量确保铝板和铜板之间没有空隙，铝板与铜板搭接宽度为10mm左右；
S2、施焊
采用直径1.2mm的ER4047药芯焊丝，焊丝干伸长为10mm，设定送丝速度为6m/min-8m/min，焊接速度为360mm/min，弧长修正系数为0；
利用CMT焊机的控制面板设定Cycle-Step焊接模式，设置Cycle Step周期为10-15，中断时间间隔为0.05s-0.1s，确定焊接模式后将焊枪放置在机器人上并调整焊枪与焊缝所在的竖直平面的夹角以及焊枪与工件的相对位置，如夹角设置为60度-70度，焊枪向铜件侧偏置焊丝直径的0.8-1.6倍，尝试移动焊枪，保证焊枪走位与搭接焊缝互相平行，确定试件待焊接部位与焊枪走位一致后，采用左焊接方法开始焊接。
焊接过程中，采用保护气体为80％Ar+20％C02的混合气，气体流量为15L/min。
下面结合图2-图5对本发明做详细说明。
实施例1：
S1、焊前准备
1、表面清理
2、与上文所述一致
3、搭接
与上文所述一致
S2、施焊
本实施案例中，CMT-cycle step模式工艺参数选择为：
利用CMT焊机进行焊接，cycle step周期为10，中断时间间隔为0.05s；
焊枪在焊接方向垂直的方向上与铝板成60°倾角，向铜侧偏移量为1mm；
送丝速度为7.8m/min，焊接速度为360mm/min；焊丝为直径1.2mm的ER4047药芯焊丝，焊丝干伸长为10mm；采用保护气体为80％Ar+20％C02的混合气，气体流量为15L/min。
本实施案例中，得到焊缝如图2(a)所示，焊缝均匀，焊接接头成形良好；如图3(b)相比没有采用左焊偏移焊接3(a),气孔明显减少30％；焊后试样如焊后拉伸试件进行了力学拉伸试验，拉伸速度为1mm/min,测得其抗拉强度达到1106N，如图4(a)所示，断裂在铝/铜异种金属的结合区；如图5相比没有采用左焊偏移焊接，其平均抗拉强度提高34％。
实施例2：
S1、焊前准备
与实施例1相同。
S2、施焊
本实施案例中,cycle step周期为15，中断时间间隔为0.1s，其他参数与实施例1相同。
本实施案例中，得到焊缝如图2(b)所示，焊缝均匀，焊接接头成形良好；焊后拉伸试件进行了力学拉伸试验，拉伸速度为1mm/min,测得其抗拉强度达到912N，如图4(b)所示，断裂在铝/铜异种金属的结合区。
实施例3：
S1、焊前准备
与实施例1相同。
S2、施焊
本实施案例中，焊枪在焊接方向垂直的方向上与铝板成60°倾角，向铜侧偏移量为2mm，其他参数与实施例1相同。
本实施案例中，得到焊缝如图2(c)所示，焊缝均匀，焊接接头成形良好；如图3(c)相比没有采用左焊偏移焊接3(a),气孔明显减少50％；拉伸试件进行了力学拉伸试验，拉伸速度为1mm/min,测得其抗拉强度达到1004N，如图4(c)所示，断裂在铝/铜异种金属的结合区；如图5相比没有采用左焊偏移焊接，其平均抗拉强度提高30％。
实施例4：
S1、焊前准备
与实施例1相同。
S2、施焊
本实施案例中，cycle step周期为15，中断时间间隔为0.1s，其他参数与实施例3相同。
本实施案例中，得到焊缝如图2(d)所示，焊缝均匀，焊接接头成形良好；拉伸试件进行了力学拉伸试验，拉伸速度为1mm/min,测得其抗拉强度达到945N，如图4(d)所示，断裂在铝/铜异种金属的结合区。
实施例5：
S1、焊前准备
与实施例1相同。
S2、施焊
本实施案例中，焊枪在焊接方向垂直的方向上与铝板成65°倾角,，向铜侧偏移量为1.5mm,其他参数与实施例3相同。
本实施案例中，得到焊缝如图2(e)所示，焊缝均匀，焊接接头成形良好；拉伸试件进行了力学拉伸试验，拉伸速度为1mm/min,测得其抗拉强度达到906N，如图4(e)所示，断裂在铝/铜异种金属的结合区。
实施例6：
S1、焊前准备
与实施例1相同。
S2、施焊
本实施案例中，焊枪在焊接方向垂直的方向上与铝板成70°倾角,其他参数与实施例1相同。
本实施案例中，得到焊缝如图2(f)所示，焊缝均匀，焊接接头成形良好；拉伸试件进行了力学拉伸试验，拉伸速度为1mm/min,测得其抗拉强度达到978N，如图4(f)所示，断裂在铝/铜异种金属的结合区。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种铝铜异种金属冷金属过渡偏置焊接方法，其特征在于：采用上铜下铝的搭接方式，将铜件和铝件放置在CMT焊接机的工作台上，再调节焊枪与焊缝所在的竖直平面的夹角以及焊枪与工件的相对位置，然后采用左焊接方式进行焊接。
2.根据权利要求1所述的铝铜异种金属冷金属过渡偏置焊接方法，其特征在于：所述夹角设置为60度-70度，所述焊枪向铜件侧偏置填充焊丝直径的0.8-1.6倍以内。
3.根据权利要求1所述的铝铜异种金属冷金属过渡偏置焊接方法，其特征在于：所述CMT焊接机的焊接模式设置为Cycle-Step模式。
4.根据权利要求3所述的铝铜异种金属冷金属过渡偏置焊接方法，其特征在于：焊接时的工艺参数设置为送丝速度为6m/min-8m/min，焊接速度为360mm/min，弧长修正系数为0，保护气体流量15L/min，焊丝干伸长10mm，CycleStep周期为10-15，中断时间间隔为0.05s-0.1s。
5.根据权利要求4所述的铝铜异种金属冷金属过渡偏置焊接方法，其特征在于：焊接实施之前，在干净的实验条件下，使用角磨机对铝件的待焊处20-30mm范围内的氧化膜进行机械清洗直到露出金属光泽位置，同时对试件毛边、厚度方向上进行同样的机械清理措施；然后，将机械清洗后的铝件放入8-10wt％、温度为40-70℃的NaOH溶液中处理5-10min，取出后试件流水冲洗2-3min，再放入30wt％、温度为室温的HNO3溶液中处理2-5min，取出后试件流水冲洗2-3min，再使用酒精超声波清洗板件表面并用吹风机冷风模式将试件吹干备用，处理好的试件应尽量的在2个小时之内焊完，以免试件表面新的氧化膜再生成。
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