本發(fā)明涉及一種鋼-鋁異種金屬焊接方法，更具體地說，涉及一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法。

背景技術(shù)：

輕量化是汽車車身制造未來發(fā)展的必然趨勢，鋼-鋁異種金屬連接能發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢，減輕重量，在汽車、航空工業(yè)等具有良好的應(yīng)用前景，然而鋼-鋁輕量化車身會帶來一系列異種材料可靠連接難題，分述如下。

首先，傳統(tǒng)的鋼質(zhì)汽車車身材料大都具有良好的焊接性而廣泛采用電阻點焊，但由于鋼、鋁兩種材料熱物理性差異較大，難以在板間形成熔核，且易形成硬而脆的金屬間化合物，難以保證接頭強度。另外，鋁合金表面存在氧化層和較高的導(dǎo)電性，電阻點焊存在能耗大、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點，所以電阻點焊已不適用于連接鋼-鋁混合車身，必須開發(fā)新型連接工藝以滿足鋼-鋁間的可靠連接要求^[1-4]。

其次，由于鋼-鋁間的電極電位相差較大，且鋁的電極電位更負(fù)，因此，與傳統(tǒng)的全鋼焊接車身相比，鋼-鋁混合車身接頭還存在著電偶腐蝕問題^[5-6]。

最后，鋼和鋁的熱膨脹系數(shù)相差較大，它們之間連接存在熱致變形不協(xié)調(diào)問題，容易引起內(nèi)應(yīng)力以及裝配失效，需要研究新型的熱致變形協(xié)調(diào)連接技術(shù)來保證連接部位的內(nèi)應(yīng)力與裝配協(xié)調(diào)。

目前兩種攪拌摩擦點焊技術(shù)。一種是日本的固定攪拌工具的摩擦點焊方法，攪拌頭與軸肩固定為整體，在形成的點焊縫中心存在一種退出凹坑；另一種是德國發(fā)明的原位回填式攪拌摩擦點焊，采用分離的攪拌頭和攪拌工具軸肩，通過控制攪拌頭和攪拌工具肩部的相對運動，在攪拌頭回撤的同時填充攪拌頭，采用這種方法焊接后點焊縫平整，焊點中心沒有凹坑。

張如星等^[7]針對2mml2024鋁合金和4mm的低碳鋼采用攻螺紋攪拌摩擦點焊的方法進(jìn)行試驗，測試不同參數(shù)下接頭的抗剪力，研究了焊接工藝參數(shù)對焊點抗剪力的影響。試驗中焊前需要在鋼板上“預(yù)先鉆孔”，把鋁合金置于孔上面，采用“無針式”柱狀攪拌頭，利用攪拌頭軸肩與鋁合金的摩擦熱使上板溫度升高并軟化，同時在攪拌頭下壓過程中，將高溫、塑化的材料嵌入鋼板上預(yù)先鉆好的孔內(nèi)，實現(xiàn)固相連接。這種點焊模式是避免了直接在鋼板上進(jìn)行攪拌摩擦，而僅僅使塑性好的鋁合金嵌入到鋼中的孔內(nèi)，但其缺點就是要鉆孔，搭接接頭表面會留下深度較大的孔洞，影響表面美觀，還會減少剪切強度。

王希靖等^[8]對3mm的6061-t6變形鋁合金和1mm的dp600鍍鋅鋼板展開了無匙孔攪拌摩擦點焊的研究，采用鋼上鋁下的搭接形式，利用可回抽攪拌摩擦點焊設(shè)備，對其焊接性進(jìn)行了分析，進(jìn)行了正交試驗。這種點焊模式利用摩擦熱來進(jìn)行鋼鋁的連接，能達(dá)到冶金結(jié)合，其不足之處斷裂時為脆性斷裂，接頭抗剪載荷低。

由此可見，鋼-鋁混合車身的應(yīng)用會帶來異種金屬間的連接強度、接頭匹配、電偶腐蝕及熱致變形不協(xié)調(diào)等突出問題。對于在成本約束下進(jìn)一步降低車身重量的汽車工業(yè)而言，這些都是亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中用于鋼-鋁異種金屬攪拌摩擦點焊方法存在的兩項技術(shù)難題：一是攪拌工具磨損嚴(yán)重的問題，鋼材由于熔點較高，硬度大，對攪拌針有強烈的磨損作用，降低功效與工具壽命；二是鋼-鋁之間物理性能差異較大、熱致變形不協(xié)調(diào)問題，影響接頭力學(xué)性能的不足，提供了一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，操作方便，既利用了摩擦焊效果，又利用了釬焊的效果，還有利于減少對攪拌頭的磨損。

2.技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

本發(fā)明的一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法，其步驟為：

1)將鋁板被焊的搭接面用砂輪機打磨，鋁板表面氧化膜打磨完畢后用丙酮對表面進(jìn)行清洗；將鋼板被焊的搭接面用400-600#砂紙打磨，打磨完畢后用丙酮對表面進(jìn)行清洗；

2)將經(jīng)步驟1)處理后的鋼板設(shè)于鋁板上方并以搭接形式水平固設(shè)于工作平臺上，鋼板與鋁板之間預(yù)置有釬料和位于釬料下方并涂在釬料上的釬劑，并使用夾具將鋼板與鋁板搭接接頭夾緊；

3)將摩擦工具設(shè)置于鋁板與鋼板搭接處的上方，并使得摩擦工具的攪拌頭中心軸垂直于鋁板及鋼板；

4)控制摩擦工具的攪拌頭緩慢向下壓，直到摩擦工具的攪拌頭端部與鋼板的上表面接觸時停止下壓；

5)控制摩擦工具的攪拌頭旋轉(zhuǎn)工作，使得摩擦工具的攪拌頭在鋼板的上表面上原地摩擦，同時打開壓縮空氣開關(guān)，對摩擦工具的攪拌頭端部吹風(fēng)進(jìn)行冷卻，然后控制摩擦工具的攪拌頭緩慢向下壓，使得攪拌頭邊摩擦邊向下壓，在壓下一定深度后，保持?jǐn)嚢桀^停留一段時間，當(dāng)觀察到攪拌頭及焊接區(qū)域變紅后，并持續(xù)適當(dāng)時間后結(jié)束焊接；

6)焊接結(jié)束后，立即切斷電源，攪拌頭停止旋轉(zhuǎn)并同時向上抬，使摩擦工具撤退。

更進(jìn)一步地，所述的步驟1)中鋼板為1mm的dp590的汽車用鍍鋅雙相鋼板，鋁板為2mm的6061鋁板。

更進(jìn)一步地，所述的步驟2)中釬料為鋁鋅釬料或鋁硅釬料，釬料呈片狀或膏狀。

更進(jìn)一步地，所述的步驟3)中摩擦工具的攪拌頭為帶有很短攪拌針的攪拌頭，摩擦工具的攪拌頭呈柱狀，攪拌頭采用45調(diào)質(zhì)鋼制成，且攪拌頭的端部直徑為39mm。

更進(jìn)一步地，所述的步驟5)中攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min～1500r/min，攪拌頭的向下壓的深度為0.1～0.3mm，攪拌頭停留的時間為60s～120s。

3.有益效果

采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下顯著效果：

(1)本發(fā)明的一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法，其鋼板設(shè)于鋁板上方并以搭接形式水平固設(shè)于工作平臺上，鋼板在上，鋁板在下，即采用屈服強度較高的板材在上，有利于產(chǎn)生較高的摩擦熱，以便軟化鋼材和傳遞足夠的熱量給導(dǎo)熱性良好的鋁合金，以保證焊接質(zhì)量；

(2)本發(fā)明的一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法，其控制摩擦工具的攪拌頭旋轉(zhuǎn)工作，使得摩擦工具的攪拌頭在鋼板的上表面上原地摩擦，然后控制摩擦工具的攪拌頭緩慢向下壓，使得攪拌頭邊摩擦邊向下壓，利用摩擦工具的攪拌頭與鋼板之間產(chǎn)生的摩擦熱不僅使釬料熔化，并且能軟化鋼板周圍材料，有利于向下施加頂鍛壓力，有利于保證焊接質(zhì)量，熔化的釬料充分濕潤鋁板與鋼板之間的界面，以獲得良好的界面接合，多余的釬料在摩擦工具的攪拌頭向下壓過程中被擠出，從而形成薄而致密的釬縫；

(3)本發(fā)明的一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法，其控制摩擦工具的攪拌頭旋轉(zhuǎn)工作，使得摩擦工具的攪拌頭在鋼板的上表面上原地摩擦，同時打開壓縮空氣開關(guān)，對摩擦工具的攪拌頭端部吹風(fēng)進(jìn)行冷卻，防止摩擦熱溫度升高過快，防止在點焊處出現(xiàn)粘性物(粘性物是攪拌頭上的塑性粘性物)，減少對摩擦工具的攪拌頭的磨損；

(4)本發(fā)明的一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法，其由于摩擦工具的攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)及緩慢向下壓，使攪拌頭周圍產(chǎn)生高溫摩擦熱，并對鋁板、釬料及鋼板均產(chǎn)生擠壓作用，使鋁板、釬料及鋼板三者均產(chǎn)生塑性流動，在壓下一定深度后，在保持?jǐn)嚢桀^停留一段時間內(nèi)高溫摩擦熱與塑性流動相互作用，其結(jié)果是在攪拌頭周圍形成的一種圓環(huán)狀攪拌區(qū)域與在鋁板、釬料及鋼板三者間發(fā)生重結(jié)晶區(qū)域中產(chǎn)生冶金連接，直接反應(yīng)為觀察到攪拌頭及焊接區(qū)域變紅，而在觀察到攪拌頭及焊接區(qū)域變紅后持續(xù)適當(dāng)時間后才結(jié)束焊接，可以使得鋁板、釬料及鋼板三者間連接進(jìn)一步穩(wěn)固；

(5)本發(fā)明的一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法，其摩擦工具的攪拌頭為帶有很短攪拌針的攪拌頭，短攪拌針主要是便于觀察對準(zhǔn)被焊點，摩擦工具制作簡單方便，可重復(fù)使用，焊接時接觸面積大，可減少母材對攪拌頭的磨損，并且在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與被焊鋼板上表面摩擦產(chǎn)生較多的熱量；

(6)本發(fā)明的一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法，其一方面使附近材料達(dá)到塑性狀態(tài)，焊接中使塑性材料沿焊縫垂直方向相互攪拌、混合，焊縫區(qū)塑性材料承受巨大的頂鍛壓力，使焊縫區(qū)發(fā)生再結(jié)晶的晶粒來不及長大，焊后就形成等軸、細(xì)小的晶粒而形成固相焊接，另一方面使釬料熔化，熔化的釬料在鋼-鋁的間隙中潤濕、毛細(xì)流動、填充、鋪展，與母材形成冶金結(jié)合；

(7)本發(fā)明的一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法，其鋼板與鋁板之間預(yù)置有釬料和釬劑，在焊接中，釬劑先于釬料熔化，在前期打磨去掉鋁合金表面氧化物的基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過酸堿中和反應(yīng)來去掉剩余的氧化物，同時利用熱致攪拌摩擦點焊的機械作用和熱作用來清除結(jié)合面處的氧化物，故焊接中清除焊接處的氧化物比較徹底；有利于熔化的釬料能夠濕潤新鮮的母材表面，容易在母材表面鋪展；

(8)本發(fā)明的一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法，其將鋁板被焊的搭接面用砂輪機打磨，鋁板表面氧化膜打磨完畢后用丙酮對表面進(jìn)行清洗，將鋼板被焊的搭接面用400-600#砂紙打磨，打磨完畢后用丙酮對表面進(jìn)行清洗，以便能夠獲得潔凈的界面，為焊接做準(zhǔn)備。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法中鋼板、釬料、鋁板以及摩擦工具的連接關(guān)系圖。

示意圖中的標(biāo)號說明：1、攪拌頭；2、鋼板；3、釬料；4、鋁板。

具體實施方式

為進(jìn)一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)描述。

結(jié)合1，本實施例的一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法，其步驟為：

1)將鋁板4被焊的搭接面用砂輪機打磨，鋁板4表面氧化膜打磨完畢后用丙酮對表面進(jìn)行清洗；將鋼板2被焊的搭接面用400-600#砂紙打磨，打磨完畢后用丙酮對表面進(jìn)行清洗；以便能夠獲得潔凈的界面，為焊接做準(zhǔn)備；本實施例中鋼板2為1mm的dp590的汽車用鍍鋅雙相鋼板，鋁板4為2mm的6061；

2)將經(jīng)步驟1)處理后的鋼板2設(shè)于鋁板4上方并以搭接形式水平固設(shè)于工作平臺上，鋼板2與鋁板4之間預(yù)置有釬料3和位于釬料3下方并涂在釬料上的釬劑，并使用夾具將鋼板2與鋁板4搭接接頭夾緊，由于鋼-鋁兩種金屬的線膨脹系數(shù)相差較大，為了防止產(chǎn)生較大的變形，因此分別在鋼板2與鋁板4的四個角上和鋼板2與鋁板4搭接接頭處均固定；釬料3為鋁鋅釬料或鋁硅釬料均可，釬料3呈片狀或膏狀，本實施例中釬料3呈片狀，釬料3為鋁鋅釬料，其熔點為575℃～585℃，其熔點都低于鋼板和鋁板的，鋼板2在上，鋁板4在下，即采用屈服強度較高的板材在上，有利于產(chǎn)生較高的摩擦熱，以便軟化鋼材和傳遞足夠的熱量給導(dǎo)熱性良好的鋁合金，有利于在有限的摩擦熱作用下被加熱熔化，以保證焊接質(zhì)量；在焊接中，釬劑先于釬料熔化，在前期打磨去掉鋁合金表面氧化物的基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過酸堿中和反應(yīng)來去掉剩余的氧化物，同時利用熱致攪拌摩擦點焊的機械作用和熱作用來清除結(jié)合面處的氧化物，故焊接中清除焊接處的氧化物比較徹底；有利于熔化的釬料能夠濕潤新鮮的母材表面，容易在母材表面鋪展；

3)將摩擦工具設(shè)置于鋁板4與鋼板2搭接處的上方，并使得摩擦工具的攪拌頭中心軸垂直于鋁板4及鋼板2；摩擦工具的攪拌頭1為帶有很短攪拌針的攪拌頭，該摩擦工具的攪拌頭1為帶1～2mm攪拌針的攪拌頭，摩擦工具的攪拌頭呈柱狀，帶有較短針的攪拌頭可以消除匙孔，由于直徑增大有利于提高摩擦熱，減少攪拌頭的磨損，攪拌頭1采用45調(diào)質(zhì)鋼制成，且攪拌頭1的端部直徑為39mm，短攪拌針主要是便于觀察對準(zhǔn)被焊點，摩擦工具制作簡單方便，可重復(fù)使用，焊接時接觸面積大，可減少母材對攪拌頭的磨損，并且在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與被焊鋼板上表面摩擦產(chǎn)生較多的熱量；

4)控制摩擦工具的攪拌頭1緩慢向下壓，直到摩擦工具的攪拌頭1端部與鋼板2的上表面接觸時停止下壓，；

5)控制摩擦工具的攪拌頭1旋轉(zhuǎn)工作，使得摩擦工具的攪拌頭1在鋼板2的上表面上原地摩擦，同時打開壓縮空氣開關(guān)，對摩擦工具的攪拌頭1端部吹風(fēng)進(jìn)行冷卻，對摩擦工具的攪拌頭端部吹風(fēng)進(jìn)行冷卻，防止摩擦熱溫度升高過快，防止在點焊處出現(xiàn)粘性物(粘性物是攪拌頭上的塑性粘性物)，減少對摩擦工具的攪拌頭的磨損；然后控制摩擦工具的攪拌頭1緩慢向下壓，使得攪拌頭1邊摩擦邊向下壓，利用摩擦工具的攪拌頭與鋼板之間產(chǎn)生的摩擦熱不僅使釬料熔化，并且能軟化鋼板周圍材料，有利于向下施加頂鍛壓力，有利于保證焊接質(zhì)量，熔化的釬料充分濕潤鋁板與鋼板之間的界面，以獲得良好的界面接合，多余的釬料在摩擦工具的攪拌頭向下壓過程中被擠出，從而形成薄而致密的釬縫；在壓下一定深度后，保持?jǐn)嚢桀^1停留一段時間，當(dāng)觀察到攪拌頭及焊接區(qū)域變紅后，并持續(xù)適當(dāng)時間后結(jié)束焊接，由于摩擦工具的攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)及緩慢向下壓，使攪拌頭周圍產(chǎn)生高溫摩擦熱，并對鋁板、釬料及鋼板均產(chǎn)生擠壓作用，使鋁板、釬料及鋼板三者均產(chǎn)生塑性流動，在壓下一定深度后，在保持?jǐn)嚢桀^停留一段時間內(nèi)高溫摩擦熱與塑性流動相互作用，其結(jié)果是在攪拌頭周圍形成的一種圓環(huán)狀攪拌區(qū)域與在鋁板、釬料及鋼板三者間發(fā)生重結(jié)晶區(qū)域中產(chǎn)生冶金連接，直接反應(yīng)為觀察到攪拌頭及焊接區(qū)域變紅，而在觀察到攪拌頭及焊接區(qū)域變紅后持續(xù)適當(dāng)時間后才結(jié)束焊接，可以使得鋁板、釬料及鋼板三者間連接進(jìn)一步穩(wěn)固；本實施例中攪拌頭1的旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min～1500r/min，攪拌頭1的向下壓的深度為0.1～0.3mm，攪拌頭1停留的時間為60s～120s；

為了研究鋼鋁攪拌摩擦點釬焊的焊接性能，采用自行設(shè)計的攪拌摩擦點釬焊對鋼鋁進(jìn)行正交試驗，固定其它參數(shù)，變動三個主要的工藝參數(shù)，即攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、攪拌頭壓入深度及停留時間，見表1所示，在前期焊接工藝試驗的基礎(chǔ)上，采用三因素三水平進(jìn)行正交試驗；見表2所示，為正交試驗；見表3所示，不同因素對剪切強度的影響(極差分析結(jié)果表)。

表1正交試驗因素水平表

表2正交試驗結(jié)果

表2為正交試驗結(jié)果，由結(jié)果可知，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min，攪拌頭壓入深度為0.2mm，停留時間為90s時，接頭的抗剪載荷可達(dá)到13.239kn，據(jù)目前文獻(xiàn)資料可知，其最高抗剪載荷均高于不加釬料情況下的最高抗剪載荷，最大拉伸強度達(dá)到了189.14mpa，從而證實了這種新型連接方法的可靠性及牢固性。

表3不同因素對剪切強度的影響(極差分析結(jié)果表)

表3為不同因素對剪切強度的影響(極差分析結(jié)果)可知：由于ra＝3.285>rb＝1.603>rc＝0.882，故攪拌頭1旋轉(zhuǎn)速度對接頭的抗剪載荷影響最大，其次為攪拌頭停留時間，最小的是壓入深度。

由上述試驗結(jié)果表明，添加釬料的攪拌摩擦點焊相比傳統(tǒng)的不加釬料的，在合理的工藝參數(shù)的情況下，可以顯著的提高鋼鋁搭接件的抗剪強度。

本發(fā)明的一種用于鋼-鋁異種金屬熱致攪拌摩擦點釬焊方法，一方面使附近材料達(dá)到塑性狀態(tài)，焊接中使塑性材料沿焊縫垂直方向相互攪拌、混合，焊縫區(qū)塑性材料承受巨大的頂鍛壓力，使焊縫區(qū)發(fā)生再結(jié)晶的晶粒來不及長大，焊后就形成等軸、細(xì)小的晶粒而形成固相焊接，另一方面使釬料熔化，熔化的釬料在鋼-鋁的間隙中潤濕、毛細(xì)流動、填充、鋪展，與母材形成冶金結(jié)合。

以上示意性的對本發(fā)明及其實施方式進(jìn)行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實施方式之一，實際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。