鋁鋼異種材料搭接的鋼表面毛化輔助攪拌摩擦焊方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋁鋼異種材料搭接的鋼表面毛化輔助攪拌摩擦焊方法，通過毛化的方式在鋼板搭接部位表面獲得細小的凸凹結(jié)構(gòu)，利用攪拌頭與鋁板的摩擦和塑性變形產(chǎn)熱，使軟化的鋁合金與毛化鋼板表面的凸凹結(jié)構(gòu)相結(jié)合，增大有效結(jié)合面積，同時可以抑制鋁鋼之間形成脆性金屬間化合物，使得鋼板和鋁板形成有效的高質(zhì)量搭接。最后可以獲得焊縫成形美觀、力學性能優(yōu)異、強度可靠的鋁鋼異種接頭；焊接操作過程簡單，能有效縮短焊接周期，易于實現(xiàn)自動化。
【專利說明】 鋁鋼異種材料搭接的鋼表面毛化輔助攪拌摩擦焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦焊方法，具體涉及一種鋁鋼異種材料搭接的鋼表面毛化輔助攪拌摩擦焊方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，環(huán)境保護問題越來越受到世界各國的重視，汽車工業(yè)為了節(jié)約燃料、保護環(huán)境、不斷努力減輕汽車重量，因此對汽車用材料提出了更高的要求。增加鋁合金材料的使用量是其中的重要措施之一，所以在汽車工業(yè)生產(chǎn)中，采用“鋼和鋁”雙金屬焊接結(jié)構(gòu)成為汽車輕量化的首選方案，這必然涉及到鋁和鋼兩種材料之間的連接。從21世紀初開始，許多國內(nèi)外汽車生產(chǎn)廠家和研究機構(gòu)不斷地在尋找能夠?qū)崿F(xiàn)鋁/鋼異種金屬之間有效連接的焊接方法。鋁鋼異種金屬焊接的主要問題是兩者之間的固溶度較低、熱物理性能差異較大，并且兩者極易反應生成脆性的金屬間化合物，這種脆性的金屬間化合物極大地降低了焊接接頭的力學性能。當前，鋁鋼異種材料之間的焊接大體上可將其分為壓焊、釬焊和熔焊。壓焊和釬焊方法效率較低，對工件的尺寸和形狀有特殊的要求，不適于大批量生產(chǎn)。而熔焊方法中金屬間化合物又成為不可避免的附加產(chǎn)物，消弱鋁鋼異種接頭的承載能力。因此急需一種新的高效、高質(zhì)量的焊接方法來解決上述問題。英國焊接研究所(The WeldingInstitute, TWI)1991年發(fā)明的攪拌摩擦焊作為一種先進的固相連接技術(shù)，具有焊接變形小、殘余應力小，接頭質(zhì)量好，無需保護氣體和填充材料，可消除氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，以及不產(chǎn)生弧光、煙塵、噪音污染等，同時具有焊接操作簡單、便于自動化焊接、焊接效率高等特點。焊接過程中材料不發(fā)生熔化，熱輸入易于控制，在焊接異種材料方面具有獨特的優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為解決鋁鋼異種材料搭接時由鐵鋁金屬間化合物導致的連接接頭脆化，連接強度低以及因熱漲系數(shù)差異過大而造成的接頭失效等問題，提供了一種鋁鋼異種材料搭接的鋼表面毛化輔助攪拌摩擦焊方法。
[0004]本發(fā)明的方法是通過以下步驟實現(xiàn)的:
[0005]一種鋁鋼異種材料搭接的鋼表面毛化輔助攪拌摩擦焊方法，通過以下步驟實現(xiàn)的:
[0006]步驟一、將待焊鋁板和鋼板的接觸表面及周圍20?30mm范圍內(nèi)清理干凈，去除試件表面的氧化物；
[0007]步驟二、采用有機溶劑或清洗劑擦拭機械處理過后的鋁板與鋼板的表面，去除油污和金屬粉塵等雜物，有機溶劑為酒精或者丙酮；
[0008]步驟三、確定鋁板和鋼板接頭的搭接面積，并在鋼板上其與鋁板搭接的部分通過毛化的方式，使鋼板的接觸表面均勻分布細小的凸凹結(jié)構(gòu)；
[0009]步驟四、將鋁板與鋼板組成鋁板在上、鋼板在下的搭接接頭，選取焊接參數(shù)范圍為:攪拌針壓入鋼板0.05-0.5mm,焊接速度50-1000mm/min，轉(zhuǎn)速200-1500r/min，傾斜角度
大于0°小于等于5°，進行攪拌摩擦焊接，焊接過程中，一方面通過攪拌頭上的攪拌針與鋼板進行接觸攪拌，形成鋼和鋁的固相連接，另一方面，利用攪拌頭與鋁板的摩擦和塑性變形產(chǎn)熱，使軟化的鋁合金與毛化鋼板表面的凸凹結(jié)構(gòu)相結(jié)合，增大有效結(jié)合面積，實現(xiàn)鋼板和鋁板的搭接。
[0010]本發(fā)明還具有如下技術(shù)特征:
[0011]1、所述的鋼板為普通低碳鋼或者是低合金鋼，鋁板為純鋁或者是鋁合金。
[0012]2、鋼板表面毛化方式包括激光毛化、電子束毛化或電火花毛化。
[0013]3、如上步驟四所采用的焊具的材質(zhì)為鎳基合金、碳化鎢鈷合金或者多晶立方氮化硼，并且以上材質(zhì)的焊具能夠重復使用。
[0014]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:一、本發(fā)明是鋼表面毛化輔助攪拌摩擦焊方法，是一種固相連接方法，利用表面毛化的方式在鋼板搭接部位獲得一定的粗糙度，通過攪拌摩擦過程中的摩擦和變形產(chǎn)熱將鋼板毛化表面的凸起部分軟化，通過凸凹的毛化表面增大有效結(jié)合面積，并可以抑制鋁鋼之間形成脆性金屬間化合物，使得鋼板和鋁板形成有效的搭接，最后可以獲得焊縫成形美觀、力學性能優(yōu)異、強度可靠的鋁鋼異種接頭；二、焊接操作過程簡單，能有效縮短焊接周期，易于實現(xiàn)自動化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明鋼板表面毛化輔助攪拌摩擦焊鋁鋼搭接接頭示意圖；
[0016]圖2是鋼板和鋁板搭接部分鋼板表面毛化效果示意圖；
[0017]圖3是鋼表面毛化輔助攪拌摩擦焊焊接過程示意圖。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
[0019]如圖1?圖3所示，本實施方式是通過以下步驟實現(xiàn)的:
[0020]步驟一、將待焊鋁板I和鋼板2的接觸表面及周圍20mm范圍內(nèi)清理干凈，去除試件表面的氧化物，采用電動鋼絲刷或砂布等。
[0021]步驟二、采用有機溶劑或清洗劑擦拭機械處理過后的鋁板I與鋼板2的表面，去除油污和金屬粉塵等雜物，有機溶劑為酒精或者丙酮等；
[0022]步驟三、確定鋁板I和鋼板2接頭的搭接面積，并在鋼板2上其與鋁板I搭接的部分通過毛化的方式其達到一定的粗糙度，使鋼板的接觸表面均勻分布細小的凸凹結(jié)構(gòu)；
[0023]步驟四、將鋁板I與鋼板2組成鋁板I在上、鋼板2在下的搭接接頭，選取焊接參數(shù)范圍為:攪拌針壓入鋼板0.05-0.5mm，焊接速度50-1000mm/min，轉(zhuǎn)速200-1500r/min，傾斜角度在大于0°小于等于5°調(diào)節(jié)，進行攪拌摩擦焊接。焊接過程中，一方面通過攪拌頭上的攪拌針與鋼板進行接觸攪拌，形成鋼和鋁的固相連接，另一方面，利用攪拌頭與鋁板的摩擦和塑性變形產(chǎn)熱，使軟化的鋁合金與毛化鋼板的凸凹表面相結(jié)合，增大有效結(jié)合面積，在鋼板和鋁板中間形成有效連接來對搭接接頭進行焊接。所述的鋼板為普通低碳鋼，鋁板為純鋁。
[0024]實施例2[0025]本實施方式是通過以下步驟實現(xiàn)的:
[0026]步驟一、將待焊鋁板和鋼板的接觸表面及周圍30mm范圍內(nèi)清理干凈，去除試件表面的氧化物，采用電動鋼絲刷或砂布等。
[0027]步驟二、采用有機溶劑或清洗劑擦拭機械處理過后的鋁板與鋼板的表面，去除油污和金屬粉塵等雜物，有機溶劑為酒精或者丙酮等；
[0028]步驟三、確定鋁板和鋼板接頭的搭接面積，并在鋼板上其與鋁板搭接的部分通過毛化的方式其達到一定的粗糙度，使鋼板的接觸表面均勻分布細小的凸凹結(jié)構(gòu)；
[0029]步驟四、將鋁板與鋼板組成鋁板在上、鋼板在下的搭接接頭，選取焊接參數(shù)范圍為:攪拌針壓入鋼板0.5mm,焊接速度1000mm/min,轉(zhuǎn)速1500r/min,傾斜角度在大于0°小于等于5°調(diào)節(jié)，進行攪拌摩擦焊接。焊接過程中，一方面通過攪拌頭上的攪拌針與鋼板進行接觸攪拌，形成鋼和鋁的固相連接，另一方面，利用攪拌頭與鋁板的摩擦和塑性變形產(chǎn)熱，使軟化的鋁合金與毛化鋼板的凸凹表面相結(jié)合，增大有效結(jié)合面積，在鋼板和鋁板中間形成有效連接來對搭接接頭進行焊接。所述的鋼板為低合金鋼，鋁板為鋁合金。
[0030]實施例3
[0031]結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式中的毛化方式包括激光毛化、電子束毛化、電火花毛化和機械毛化。其它步驟與【具體實施方式】一相同。
[0032]實施例4
[0033]本實施方式的攪拌頭的材質(zhì)為鎳基合金、碳化鎢鈷合金或者多晶立方氮化硼等，鎳基合金、碳化鎢鈷合金、多晶立方氮化硼可以重復使用。其它步驟與【具體實施方式】一相同。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁鋼異種材料搭接的鋼表面毛化輔助攪拌摩擦焊方法，其特征在于，通過以下步驟實現(xiàn)的: 步驟一、將待焊鋁板和鋼板的接觸表面及周圍20~30mm范圍內(nèi)清理干凈，去除試件表面的氧化物； 步驟二、采用有機溶劑或清洗劑擦拭機械處理過后的鋁板與鋼板的表面，去除油污和金屬粉塵等雜物，有機溶劑為酒精或者丙酮； 步驟三、確定鋁板和鋼板接頭的搭接面積，并在鋼板上其與鋁板搭接的部分通過毛化的方式，使鋼板的接觸表面均勻分布細小的凸凹結(jié)構(gòu)； 步驟四、將鋁板與鋼板組成鋁板在上、鋼板在下的搭接接頭，選取焊接參數(shù)范圍為:攪拌針壓入鋼板0.05-0.5mm,焊接速度50-1000mm/min，轉(zhuǎn)速200_1500r/min，傾斜角度大于.0°小于等于5°，進行攪拌摩擦焊接，焊接過程中，一方面通過攪拌頭上的攪拌針與鋼板進行接觸攪拌，形成鋼和鋁的固相連接，另一方面，利用攪拌頭與鋁板的摩擦和塑性變形產(chǎn)熱，使軟化的鋁合金與毛化鋼板表面的凸凹結(jié)構(gòu)相結(jié)合，增大有效結(jié)合面積，實現(xiàn)鋼板和鋁板的搭接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁鋼異種材料搭接的鋼表面毛化輔助攪拌摩擦焊方法，其特征在于:所述的鋼板為普通低碳鋼或者是低合金鋼，鋁板為純鋁或者是鋁合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁鋼異種材料搭接的鋼表面毛化輔助攪拌摩擦焊方法，其特征在于:鋼板表面毛化方式包括激光毛化、電子束毛化或電火花毛化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁鋼異種材料搭接的鋼表面毛化輔助攪拌摩擦焊方法，其特征在于:步驟四所采用的焊具的材質(zhì)為鎳基合金、碳化鎢鈷合金或者多晶立方氮化硼，并且以上材質(zhì)的焊具能夠重復使用。
【文檔編號】B23K20/12GK103894724SQ201410102594
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】黃永憲, 萬龍, 柯熠, 呂世雄, 呂宗亮, 黃體方, 王耀彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學