CN102728948B - 焊接异种金属材料的方法 - Google Patents

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Abstract

焊接异种金属材料的方法。在焊接异种金属材料的方法中，作为具有彼此不同的熔点的异种金属材料的高熔点材料和低熔点材料位于计划焊接位置，并且能转动工具压高熔点材料，接着插入到高熔点材料中，以由此执行高熔点材料和低熔点材料之间的搅拌摩擦焊接，而使它们焊接于彼此。在以上方法中，通过将由与高熔点材料相同的材料制成的介入片布置在能转动工具和高熔点材料之间，来执行高熔点材料和低熔点材料之间的搅拌摩擦焊接。

Description

焊接异种金属材料的方法
技术领域
本发明涉及通过搅拌摩擦焊接方法焊接异种金属材料的方法。 
背景技术
通常通过熔焊方法或诸如利用铆钉之类的机械接合方法焊接特别是诸如钢材和铝材之类的异种金属材料。 
然而，在熔焊方法中，因为热输入量大，所以引起在钢材和铝材之间的边界中形成诸如脆性金属间化合物(Fe2Al5、FeAl3等)之类的问题，导致焊接强度降低。另外，在利用铆钉、螺栓等的机械焊接方法中，为了焊接需要诸如铆钉之类的附加构件或材料，这导致成本增加。 
为此，近年来，已经开展了通过搅拌摩擦焊接方法(FSW：搅拌摩擦焊接)将钢材和铝材焊接于彼此的研究，在该方法中，将被焊接的材料软化而无需熔焊材料以由此使软化的材料流动并使材料在固体状态下焊接于彼此。该搅拌摩擦焊接方法使用由普通工具钢制成的FSW工具，并且使FSW工具仅与铝材接触以执行钢材和铝材之间的搅拌摩擦焊接(见例如专利文献1：日本特开2005-34879号公报；专利文献2：日本特开2006-239720号公报)。 
例如，在专利文献1中描述的搅拌摩擦焊接方法中，将被焊接的表面覆盖有抗氧化膜(镀锌膜)的钢材和铝材相互重叠，FSW工具在转动的同时压铝材并且插入到铝材中，接着，通过施加摩擦热而使铝材和镀锌膜软化，以使软化的材料塑性地流动，锌膜被移除以使钢材的表面上的新形成表面暴露，并且塑性地流动的铝材和钢材的新形成表面最后焊接于彼此以实现固态焊接。 
然而，在使FSW工具不接触钢材而仅接触铝材的情况下执行的搅拌摩擦焊接方法中，钢材和铝材未被充分地搅拌，因此，不能获得高的焊接强度。换言之，在FSW工具与铝材接触并且插入到铝材中的情况下，当铝材的温度上升到仅低于铝材的熔点的温度时，铝材软化并且塑性地流动而使相对于FSW工具的摩擦强度降低。因此，不再产生热(摩擦热)，并且温度不能上升到钢材可以塑性地流动的温度，因此，仅铝材被搅拌，不能充分地搅拌钢材和铝材，并且难以获得高的接合强度。 
此外，根据现有技术，在由普通工具钢制成的FSW工具在转动的同时与钢材接触的情况下，FSW工具可能会由于钢材的至FSW工具的粘附而磨损或损坏。 
发明内容
因此，鉴于上面提到的情况，结合现有技术构思出本发明，并且本发明的目的是提供如下的焊接异种金属材料的方法并且还提供由以上提到的焊接方法形成的异种金属材料的焊接体，该焊接异种金属材料的方法能够使异种金属材料以高的焊接强度焊接于彼此并且避免用于搅拌摩擦焊接的可转动(转动)工具的损坏。 
根据本发明，可以通过提供焊接异种金属材料的方法实现该目的和其它目的，在该方法中，使作为具有彼此不同的熔点的异种金属材料的高熔点材料和低熔点材料位于计划焊接位置，并且使能转动工具压高熔点材料，而使能转动工具插入到高熔点材料中，以由此执行高熔点材料和低熔点材料之间的搅拌摩擦焊接，而使它们焊接于彼此。在以上方法中，通过将由 与高熔点材料相同的材料制成的介入片布置在能转动工具和高熔点材料之间，来执行高熔点材料和低熔点材料之间的搅拌摩擦焊接。 
另外，根据本发明的异种金属材料的焊接体是由以上描述的焊接异种金属材料的方法焊接于彼此的高熔点材料和低熔点材料形成的焊接体。 
根据本发明的焊接异种金属材料的方法和异种金属材料的焊接体，高熔点材料和低熔点材料通过将由与高熔点材料相同的材料制成的介入片配置在能转动工具和高熔点材料之间而搅拌摩擦焊接于彼此，在焊接方法中，使得能转动工具不与高熔点材料直接接触。因此，可以防止高熔点材料粘附于能转动工具，并且可以避免用于搅拌摩擦焊接的能转动工具的损坏。 
另外，在焊接异种金属材料的方法中，从高熔点材料侧插入能转动工具，使得高熔点材料产生高达使高熔点材料软化和塑性地流动的温度的热，并且产生的热传递至低熔点材料以使低熔点材料也软化和塑性地流动。因此，高熔点材料和低熔点材料可以被能转动工具部分且充分地搅拌，因此，高熔点材料和低熔点材料以高的焊接强度焊接于彼此。 
本发明的本质和进一步的特性特征从参照附图进行的下列描述将变得更清楚。 
附图说明
在附图中： 
图1是示出搅拌摩擦焊接方法的实施情况的视图，根据本发明的焊接异种金属材料的方法的一个实施方式应用于该实施情况，其中，图1的(A)是该实施情况的示意性侧视图，并且图1的(B)是该实施情况的示意性平面图； 
图2是示出通过图1中的搅拌摩擦焊接方法获得的搅拌摩擦焊接体的焊接部的外观的照片； 
图3是示出焊接部的外周的图2的照片的截面图； 
图4是示意性地示出图3的照片的截面图； 
图5包括示出搅拌摩擦焊接之后的能转动工具的外观的照片，其中，图5的(A)是示出已经进行图1中描绘的搅拌摩擦焊接方法之后的外观的照片，并且图5的(B)是示出已经在不使用介入片的情况下进行摩擦焊接方法之后的外观的照片；以及 
图6包括表示介入片和粘附防止效果之间的关系的表，其中，表1表示介入片的尺寸变化和粘附防止效果的存在与否之间的关系，表2表示介入片的板厚度的变化和粘附防止效果的存在与否之间的关系，并且表3表示介入片的形状的变化和粘附防止效果的存在与否之间的关系。 
具体实施方式
下面，将参照附图描述本发明的实施方式。然而，应当注意，本发明不限制于所描述的实施方式。 
图1表示用于实施(执行)搅拌摩擦焊接方法的配置的状态，本发明的焊接异种金属材料的方法的一个实施方式能够应用于该配置的状态。 
本实施方式的搅拌摩擦焊接方法是通过使用搅拌摩擦焊接用的可转动(转动)工具13而使具有彼此不同的熔点的异种金属材料(高熔点材料和低熔点材料)相互重叠并相互点焊而进行的方法。 
铁材料，特别是具有大约1500℃的熔点的钢材11，用作高熔点材料，并且具有大约580℃到650℃的熔点的铝材(包括铝 合金)12用作低熔点材料。在此处，铝材12不限于诸如A6061之类的锻造(扩展)材料，而是还可以是诸如AC4CH之类的铸造材料和诸如ADC12之类的压铸材料。 
在本实施方式的搅拌摩擦焊接方法中，首先，钢材11和铝材12相互重叠并且位于预定计划焊接位置处。此时，如图1所示，钢材11位于上侧，并且铝材12位于下侧，使得铝材12安装在焊接垫板夹具10上。 
此外，介入(可以根据场合要求用“被介入”替换)片18安装在钢材11的上表面上。因此，介入片18在后处理中配置在能转动工具13和钢材11之间。另外，介入片18由具有与钢材11的材料组分相同的材料组分的铁制成，但是最优选的是由具有与钢材11的材料组分相同的材料组分的钢制成。 
如图1的(B)所示，在从正面观察时，介入片18可以具有诸如正方形形状、矩形形状、三角形形状或圆形形状之类的任何形状，但是，介入片18的最长部分的长度L设定为大于或等于能转动工具13的头部处的圆形接触表面13A的直径D的25％，并且优选地设定在25％到300％的范围。 
例如，在介入片18具有正方形形状或矩形形状时，介入片18的最长部分的长度L是对角线的长度，并且在介入片18具有圆形形状时，长度L是直径。此外，介入片18的板厚度T设定为大于或等于0.2mm，并且优选地设定在0.2mm到3.0mm的范围。 
接下来，固定夹具19通过将材料夹在焊接垫板夹具10和固定夹具19之间而使钢材11和铝材12保持在固定状态。此时，介入片18保持在非固定状态。在该状态下，利用能转动工具13搅拌摩擦点焊钢材11和铝材12。 
该搅拌摩擦点焊方法包括如下步骤：在使能转动工具13转 动的同时，使能转动工具13沿着轴线O方向(轴向O)从钢材11侧移动；使能转动工具13的接触表面13A压介入片18；挤压(squash)介入片18，同时使介入片18与能转动工具13一起转动；接着，在使能转动工具13和介入片18转动的同时，使能转动工具13和介入片18紧压钢材11并且使能转动工具13和介入片18插入到钢材11中。 
在以上提到的处理中，钢材11和铝材12以介入片18插入在钢材11和能转动工具13之间以防止钢材11和能转动工具13直接相互接触的方式搅拌摩擦点焊于彼此，因此，防止钢材11在焊接处理之后粘附于能转动工具13。另外，在以上描述的搅拌摩擦点焊中，介入片18设定在非固定状态，因此，介入片18与能转动工具13一起转动，由此防止能转动工具13和介入片18之间的摩擦热的产生，因此，防止介入片18焊接(包括粘附、沉积等)于能转动工具13。 
这里，能转动工具13由诸如SKD61之类的工具钢和模具钢制成，并且形成为具有3mm到10mm的直径的圆杆。另外，能转动工具13的转数设定为75rpm到750rpm。此外，将插入到钢材11中的能转动工具13的位置调节至钢材11不能被工具13穿透的位置。具体地，能转动工具13的该插入位置调节至能转动工具13的顶端的接触表面13A朝向钢材11与钢材11和铝材12之间的重叠表面14隔开预定距离(例如，0.05mm至0.6mm)的位置。 
如上所述的搅拌摩擦点焊方法可以通过由与能转动工具13一起转动的介入片18和钢材11之间的摩擦产生的热使钢材11的在能转动工具13附近的部分处的温度部分地升高，并且使钢材11以及介入片18软化和塑性地流动。另外，搅拌摩擦焊接方法还可以通过由以上描述的摩擦产生的热使铝材12的在能转动 工具13附近的部分处的温度部分地升高，并且使铝材12软化和塑性地流动。接着，通过能转动工具13的与介入片18一起的转动在能转动工具13附近的部分处搅拌已经塑性地流动的钢材11和铝材12，并且钢材11和铝材12经受搅拌摩擦点焊而被焊接于彼此。 
图2和图3中示出的搅拌摩擦焊接体15是通过以上提到的搅拌摩擦点焊方法获得的异种金属材料的焊接体，该搅拌摩擦点焊方法包括如下步骤：使钢材11和铝材12重叠，钢材11是具有1mm的板厚度的裸软钢板(JSC270CC：J.I.S)，铝材12是具有1mm的板厚度的A6061铝锻造板；将由裸软钢板(JSC270CC)制成并且具有6mm的对角线的长度L和1.0mm的板厚度T的四边形介入片18载置在为钢材11的裸软钢板的上表面上；以及在下列焊接条件下使钢材11(裸软钢板)和铝材12(铝锻造板)搅拌摩擦点焊于彼此。 
焊接条件如下。 
准备圆杆形可转动(转动)工具13，并且能转动工具13由SKD61制成并且具有6mm的直径。能转动工具13的转数是500rpm。能转动工具13的插入速度是20mm/min，并且能转动工具13插入到钢材11中至能转动工具13的顶端的接触表面13A朝向钢材11侧与钢材11和铝材12的配合表面14隔开0.5mm的位置。已经完成能转动工具13的插入的时刻和拉出能转动工具13的时刻之间的保持时间是1秒。 
在该搅拌摩擦焊接体15中，如图4所示，焊接部17由已经通过能转动工具13焊接的钢材11(裸软钢板)侧的搅拌部16A和铝材12(铝铸造板)侧的搅拌部16B形成。 
图5的(A)是已经完成以上提到的搅拌摩擦点焊之后的能转动工具13的接触表面13A的外周的外观的照片，并且图5的 (B)是在与以上描述的搅拌摩擦点焊的焊接条件相同的焊接条件下、在不插入介入片18的状态下、搅拌摩擦点焊钢材11(裸软钢板；板厚度1mm)和铝材12(铝铸造板；板厚度1mm)之后的能转动工具13的接触表面13A的外周的外观的照片。参照图5的(B)，钢材11的一部分作为粘附物质21粘附于能转动工具13的接触表面13A的外周，然而，如图5的(A)所示，在已经在插入介入片18的状态下完成搅拌摩擦点焊的能转动工具13中观察不到粘附物质21。 
在图1中示出的搅拌摩擦点焊方法中，介入片18的尺寸(换言之，最长部分的长度L)设定为大于或等于能转动工具13的接触表面13A的直径D的25％，并且优选地设定在25％到300％的范围。这是因为，通过将能转动工具13和钢材11之间的直接接触面积控制成不大，而由此防止钢材11在焊接过程中粘附于能转动工具13。 
例如，通过使具有1mm的板厚度的裸软钢板的钢材11和具有1mm的板厚度的A6061铝铸造板的铝材12重叠和通过改变具有1.0mm的板厚度T的正方形介入片18的尺寸(最长部分的长度L)，在以上描述的焊接条件下进行搅拌摩擦点焊测试。此时，观察是否存在粘附于能转动工具13的接触表面13A的外周的粘附物质21。在图6的表1中示出结果。 
如图6的表1所示，在使用对角线(介入片18的最长部分)的长度L为1.0mm(换言之，为能转动工具13的接触表面13A的直径D的大约17％)的介入片18时，在已经完成焊接之后在能转动工具13上观察到钢材11的粘附。这是因为，钢材11和能转动工具13的直接接触面积随着介入片18的变小而变大。另一方面，在使用对角线(介入片18的最长部分)的长度L大于或等于1.5mm(换言之，大于或等于能转动工具13的接触表面13A 的直径D的25％)的介入片18的情况下，在已经完成焊接之后在能转动工具13上观察不到钢材11的粘附，。 
此外，介入片18的板厚度T在图1中示出的搅拌摩擦点焊方法中设定为大于或等于0.2mm并且优选地设定在0.2mm到3.0mm的范围的原因在于在焊接过程中在不会由能转动工具13的转动而使介入片18破裂的情况下，防止能转动工具13和钢材11之间的直接接触，由此防止钢材11粘附于能转动工具13。 
例如，在实验中，通过使具有1mm的板厚度的为裸软钢板的钢材11和具有1mm的板厚度的为A6061铝铸造(扩展)板的铝材12相互重叠和改变具有6mm的对角线的长度L的正方形介入片18的板厚度T，在以上描述的焊接条件下进行搅拌摩擦点焊测试。此时，观察粘附物质是否粘附于能转动工具13的接触表面13A的外周。在图6的表2中示出结果。 
如图6的表2所示，在使用具有小于或等于0.1mm的板厚度T的介入片18时，在已经完成焊接之后在能转动工具13上观察到钢材11的粘附。这是因为，随着介入片18的板厚度变薄，介入片18在焊接过程中破裂，并且能转动工具13和钢材11直接相互接触。 
另一方面，在使用具有大于或等于0.2mm的板厚度T的介入片18的情况下，在已经完成焊接之后在能转动工具13上观察不到钢材11的粘附。 
此外，按照图1中示出的搅拌摩擦点焊方法，通过使具有1mm的板厚度的为裸软钢板的钢材11和具有1mm的板厚度的为A6061铝铸造板的铝材12重叠和使用分别具有正方形形状、圆形形状或(等边)三角形形状的介入片18，在以上描述的焊接条件下进行搅拌摩擦点焊测试。此时，观察粘附物质是否粘附于能转动工具13的接触表面13A的外周。在图6的表3中示出 结果。 
如图6的表3所示，尽管介入片18具有任意形状，但是在已经完成焊接之后在能转动工具13的接触表面13A的外周中观察不到钢材11的粘附。所使用的介入片18中的每一个的最长部分的长度L(就正方形形状而言，L是对角线，就圆形形状而言，L是直径，并且就等边三角形形状而言，L是一条边)均为6mm，并且板厚度T是1.0mm。 
根据以上描述的特性和特征的本实施方式，可以实现下列有利效果和/或功能(1)至(5)。 
(1)在实施方式中，由与钢材11相同的材料制成的介入片18(例如，钢)配置在能转动工具13和钢材11之间，并且在钢材11和铝材12之间执行搅拌摩擦点焊。因此，能转动工具13和钢材11在焊接操作期间不直接相互接触。因此，可以防止钢材11粘附于能转动工具13，因此，可以避免用于搅拌摩擦焊接的能转动工具13的损坏。 
(2)在本实施方式的方法中，通过从钢材11侧插入能转动工具13，使得钢材11产生高达使钢材软化和塑性地流动的温度的热，通过产生的热的热传递使铝材12软化和塑性地流动。因此，钢材11和铝材12可以被能转动工具13部分且充分地搅拌，并且钢材11和铝材12可以以高的焊接强度焊接于彼此。 
(3)因为钢材11和铝材12通过用焊接垫板夹具10和固定夹具19将材料夹在中间而配置在固定状态，介入片18布置在非固定状态，并且在该状态下，执行搅拌摩擦点焊而使材料焊接于彼此。因此，在能转动工具13的接触表面13A与介入片18接触时，介入片18与能转动工具13一起转动。因此，摩擦热不产生在能转动工具13和介入片18之间，因此，可以防止介入片18焊接(粘附，沉积等)于能转动工具13。 
(4)该方法包括将介入片18的尺寸，换言之，介入片18的最长部分的长度L，设定为大于或等于能转动工具13的接触表面13A的直径D的25％。由此，在搅拌摩擦点焊过程中，能转动工具13和钢材11之间的直接接触面积可以减小。因此，可以防止钢材11粘附于能转动工具13。 
(5)因为介入片18的板厚度T设定为大于或等于0.2mm，所以甚至在能转动工具13在搅拌摩擦点焊过程中与介入片18接触时，也可以防止介入片18由于能转动工具13的转动而破裂。因此，能转动工具13不与钢材11直接接触，并且可以防止钢材11粘附于能转动工具13。 
还应当注意，虽然已经参照所描述的优选实施方式在上文中描述了本发明，但是本发明不限于该实施方式，并且可以在不背离所附权利要求的范围的情况下作出许多其它的变化和修改或替换。 
例如，在所描述的实施方式中，虽然铝材用作低熔点材料，但是低熔点材料还可以是包括镁合金的镁材料。 

Claims (5)

1.一种焊接异种金属材料的方法，其包括如下步骤：
准备能转动工具；
使作为具有彼此不同的熔点的异种金属材料的高熔点材料和低熔点材料位于计划焊接位置；
在使所述能转动工具转动的同时，使所述能转动工具压所述高熔点材料，而使所述能转动工具插入到所述高熔点材料中；以及
执行所述高熔点材料和所述低熔点材料之间的搅拌摩擦焊接，而使它们相互焊接到一起，
其中，通过将由与所述高熔点材料相同的材料制成的介入片布置在所述能转动工具和所述高熔点材料之间，来执行所述高熔点材料和所述低熔点材料之间的所述搅拌摩擦焊接。
2.根据权利要求1所述的焊接异种金属材料的方法，其特征在于，所述高熔点材料和所述介入片是铁材料，并且所述低熔点材料是铝材或镁材料。
3.根据权利要求1所述的焊接异种金属材料的方法，其特征在于，通过将所述高熔点材料和所述低熔点材料设定在固定状态且将所述介入片设定在非固定状态，来执行所述搅拌摩擦焊接。
4.根据权利要求1所述的焊接异种金属材料的方法，其特征在于，所述介入片的最长部分的长度被设定为大于或等于所述能转动工具的圆形接触表面的直径的25％。
5.根据权利要求1所述的焊接异种金属材料的方法，其特征在于，所述介入片的板厚度被设定为大于或等于0.2mm。
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