專利名稱：鋁制件與鋼制件的線性摩擦焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁制件與鋼制件的焊接方法，特別涉及鋁制件與鋼制件的線性摩擦焊接方法。
背景技術(shù)：
鋁本身是一種焊接性很差的金屬材料，尤其是硬鋁和超硬鋁有很強(qiáng)的熱裂傾向，其焊接性更差。而鋁和鋼的熱物理性能相差很大，實現(xiàn)這兩種材料的焊接極其困難，一直以來也是焊接領(lǐng)域不斷探索與研究的技術(shù)難題。
公知的能將鋁制件與鋼制件焊接在一起并用于實際生產(chǎn)的方法有兩種一種是爆炸焊；另一種是旋轉(zhuǎn)式摩擦焊。
爆炸焊這種方法能夠?qū)⑺苄暂^好的純鋁或防銹鋁焊接到大面積的鋼板上。但該焊接方法的缺點在于1.只適用于塑性較好的純鋁或防銹鋁；2.只能用于將薄鋁板焊到鋼板表面，而不能用于其它焊接接頭形式。
旋轉(zhuǎn)式摩擦焊，只能用于焊接截面為圓形的鋁一鋼焊接構(gòu)件，從而限制了這種焊接方法的使用范圍。
因此，在船舶等工業(yè)領(lǐng)域，只能采用鉚接或螺釘連接等機(jī)械方法將鋁與鋼構(gòu)件連接在一起。例如，將鋼輪盤與超硬鋁漿片用螺釘連接在一起。這種機(jī)械的鋁-鋼構(gòu)件連接方法也存在如下缺點1.連接部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而零件成本高，生產(chǎn)效率低；2.鋁-鋼連接件接縫處的空隙不僅影響構(gòu)件的使用效果，且裝配間隙造成的微動疲勞會使連接件機(jī)械性能降低，尤其是疲勞強(qiáng)度較差，因而構(gòu)件使用的安全系數(shù)較低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)只能焊接鋁板材與鋼板材、或者是截面為圓形的鋁制件與鋼制件的不足，本發(fā)明提供一種鋁制件與鋼制件的線性摩擦焊接方法，可以焊接多種截面的鋁制件與鋼制件。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種鋁制件與鋼制件的線性摩擦焊接方法，其特點是包括下述步驟將鋼制件固定于振動夾具中；振動源通過連桿帶動振動夾具沿直線導(dǎo)軌以24～30Hz的振動頻率，以及2.0～2.8mm的振幅做上、下往復(fù)運動；鋼制件即隨著振動夾具以相同頻率上、下振動；將鋁制件安裝固定于移動夾具中；在加力油缸的推動下，鋼制件與鋁制件相互接觸，由加力油缸在接觸表面施加3.5～5.5Kg/mm2摩擦壓力，當(dāng)摩擦?xí)r間為1.5～2.0s時，振動源停止振動，同時由加力油缸再施加6.5～12.0Kg/mm2的鍛壓力，保持0.5～1秒后，自然冷卻，即可形成牢固鋼鋁接頭。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過控制摩擦壓力3.5～5.5Kg/mm2，鍛壓力6.5～12.0Kg/mm2，振動頻率24～30Hz，振幅2～2.8mm和摩擦?xí)r間1.5～2.0s，使鋁制件與鋼制件摩擦區(qū)的溫度控制在鋁熔點的0.8倍時，施加鍛壓力使焊接區(qū)金屬產(chǎn)生明顯的塑性變形，從而通過再結(jié)晶，依靠鋁-鋼金屬原子之間的結(jié)合力，形成鋼鋁焊接接頭。實現(xiàn)了對多種截面的鋁制件與鋼制件的焊接。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明鋁制件與鋼制件的線性摩擦焊接方法所用裝置示意2是實施例硬鋁-45#鋼線性摩擦焊接頭實物照片圖3是實施例硬鋁-45#鋼線性摩擦焊接頭金相照片圖中1-直線導(dǎo)軌，2-振動夾具，3-鋼制件，4-連桿，5-振動源，6-鋁制件，7-移動夾具，8-推力桿，9-滑桿，10-加力油缸，11-支座。
具體實施例方式
實施例1參照圖1，截面為長方形的鋁制件與鋼制件的焊接。將鋼制件3安裝固定于振動夾具2中。振動源5通過連桿4帶動振動夾具2沿直線導(dǎo)軌1以24Hz的振動頻率，以及2mm的振幅做上、下往復(fù)運動。鋼制件3即隨著振動夾具2以相同頻率上、下振動。鋁制件6安裝固定于移動夾具7中。加力油缸10通過推力桿8使移動夾具7沿滑桿9左右移動，鋁制件6即同時受到左或右的推力作用。
焊接時，在加力油缸10的推動下，鋼制件3與鋁制件6相互接觸。此時振動源5帶動鋼制件3作快速上、下振動，那么兩焊件的接觸表面在加力油缸10施加的3.5Kg/mm2摩擦壓力作用下產(chǎn)生高速的摩擦運動，機(jī)械能將轉(zhuǎn)化為熱能對焊接區(qū)進(jìn)行加熱。當(dāng)摩擦?xí)r間為1.5s時，振動源5停止振動，同時由加力油缸10再施加6.5Kg/mm2的鍛壓力，保持0.5秒后，自然冷卻，即可形成牢固鋼鋁接頭。
從圖2硬鋁-45#鋼線性摩擦焊接頭的實物照片可以看出，焊后鋼鋁兩種制件的縮短量共為8.5～9mm。變形幾乎全部為鋁制件的變形，鋼制件未發(fā)現(xiàn)明顯變形。對焊接后鋼鋁連接件進(jìn)行了拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)均斷裂在焊接界面硬鋁一側(cè)的近縫區(qū)，其拉伸強(qiáng)度為鋁母材強(qiáng)度。
從圖3為硬鋁-45#鋼線性摩擦焊接頭的金相照片焊接組織形態(tài)可看出，硬鋁與45#鋼已形成良好連接。
實施例2參照圖1，截面為圓形的鋁制件與鋼制件的焊接。將鋼制件3安裝固定于振動夾具2中。振動源5通過連桿4帶動振動夾具2沿直線導(dǎo)軌1以26Hz的振動頻率，以及2.6mm的振幅做上、下往復(fù)運動。鋼制件3即隨著振動夾具2以相同頻率上、下振動。鋁制件6安裝固定于移動夾具7中。加力油缸10通過推力桿8使移動夾具7沿滑桿9左右移動，鋁制件6即同時受到左或右的推力作用。
焊接時，在加力油缸10的推動下，鋼制件3與鋁制件6相互接觸。此時振動源5帶動鋼制件3作快速上、下振動，那么兩焊件的接觸表面在加力油缸10施加的4.0Kg/mm2摩擦壓力作用下產(chǎn)生高速的摩擦運動，機(jī)械能將轉(zhuǎn)化為熱能對焊接區(qū)進(jìn)行加熱。當(dāng)摩擦?xí)r間為1.6s時，振動源5停止振動，同時由加力油缸10再施加8.0Kg/mm2的鍛壓力，保持0.7秒后，自然冷卻，即可形成牢固鋼鋁接頭。
實施例3參照圖1，截面為正六邊形的鋁制件與鋼制件的焊接。將鋼制件3安裝固定于振動夾具2中。振動源5通過連桿4帶動振動夾具2沿直線導(dǎo)軌1以28Hz的振動頻率，以及2.6mm的振幅做上、下往復(fù)運動。鋼制件3即隨著振動夾具2以相同頻率上、下振動。鋁制件6安裝固定于移動夾具7中。加力油缸10通過推力桿8使移動夾具7沿滑桿9左右移動，鋁制件6即同時受到左或右的推力作用。
焊接時，在加力油缸10的推動下，鋼制件3與鋁制件6相互接觸。此時振動源5帶動鋼制件3作快速上、下振動，那么兩焊件的接觸表面在加力油缸10施加的4.5Kg/mm2摩擦壓力作用下產(chǎn)生高速的摩擦運動，機(jī)械能將轉(zhuǎn)化為熱能對焊接區(qū)進(jìn)行加熱。當(dāng)摩擦?xí)r間為1.8s時，振動源5停止振動，同時由加力油缸10再施加10.0Kg/mm2的鍛壓力，保持0.9秒后，自然冷卻，即可形成牢固鋼鋁接頭。
實施例4參照圖1，截面為正方形的鋁制件與鋼制件的焊接。將鋼制件3安裝固定于振動夾具2中。振動源5通過連桿4帶動振動夾具2沿直線導(dǎo)軌1以30Hz的振動頻率，以及2.8mm的振幅做上、下往復(fù)運動。鋼制件3即隨著振動夾具2以相同頻率上、下振動。鋁制件6安裝固定于移動夾具7中。加力油缸10通過推力桿8使移動夾具7沿滑桿9左右移動，鋁制件6即同時受到左或右的推力作用。
焊接時，在加力油缸10的推動下，鋼制件3與鋁制件6相互接觸。此時振動源5帶動鋼制件3作快速上、下振動，那么兩焊件的接觸表面在加力油缸10施加的5.5Kg/mm2摩擦壓力作用下產(chǎn)生高速的摩擦運動，機(jī)械能將轉(zhuǎn)化為熱能對焊接區(qū)進(jìn)行加熱。當(dāng)摩擦?xí)r間為2.0s時，振動源5停止振動，同時由加力油缸10再施加12.0Kg/mm2的鍛壓力，保持1秒后，自然冷卻，即可形成牢固鋼鋁接頭。
焊接機(jī)理如下在線性摩擦焊的初期階段，首先焊接界面的凹凸不平及氧化膜被消除，并使焊接區(qū)的溫度開始上升。隨著溫度的上升，界面金屬的強(qiáng)度下降，變形量增大，熱塑形變金屬在摩擦力與壓力的作用下開始向焊接界面以外運動，形成所謂的飛邊。飛邊逐漸封閉了焊接界面，使隨后的焊接加熱過程就在封閉條件下進(jìn)行，從而有效避免了焊接界面金屬的氧化。通過計算得知，當(dāng)摩擦?xí)r間為1.5～2.0s時，摩擦區(qū)的溫度約為鋁熔點的0.8倍時，施加鍛壓力使焊接區(qū)金屬產(chǎn)生明顯的塑性變形，從而通過再結(jié)晶，依靠鋁-鋼金屬原子之間的結(jié)合力，形成焊接接頭。由于焊接過程不存在金屬的熔化現(xiàn)象，故不可能形成復(fù)雜的脆性化合物相，也沒有其他焊接方法所出現(xiàn)的冶金問題。
權(quán)利要求
1.一種鋁制件與鋼制件的線性摩擦焊接方法，其特征在于包括下述步驟將鋼制件固定于振動夾具中；振動源通過連桿帶動振動夾具沿直線導(dǎo)軌以24～30Hz的振動頻率，以及2.0～2.8mm的振幅做上、下往復(fù)運動；鋼制件即隨著振動夾具以相同頻率上、下振動；將鋁制件安裝固定于移動夾具中；在加力油缸的推動下，鋼制件與鋁制件相互接觸，由加力油缸在接觸表面施加3.5～5.5Kg/mm2摩擦壓力，當(dāng)摩擦?xí)r間為1.5～2.0s時，振動源停止振動，同時由加力油缸再施加6.5～12.0Kg/mm2的鍛壓力，保持0.5～1秒后，自然冷卻，即可形成牢固鋼鋁接頭。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋁制件與鋼制件的線性摩擦焊接方法，其特征在于包括下述步驟將鋼制件固定于振動夾具中；振動源通過連桿帶動鋼制件沿直線導(dǎo)軌以24～30Hz的振動頻率，以及2.0～2.8mm的振幅做上、下往復(fù)運動；將鋁制件固定于移動夾具中；在加力油缸的推動下，鋼制件與鋁制件相互接觸，由加力油缸在接觸表面施加3.5～5.5Kg/mm
文檔編號B23K103/20GK101020275SQ200710017510
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者馬鐵軍, 楊思乾, 張勇, 席德科 申請人:西北工業(yè)大學(xué)