CN105945419B - 摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法 - Google Patents
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Abstract
摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法，以解决现有轻铝/钢异种材料搅拌摩擦搭接时，搅拌针扎入钢板导致焊具磨损严重的问题，方法：一、在钢板1上搭接部分的中心线处开设方形槽；二、将待焊钢板和铝板的接触表面及周围清理干净；三、采用有机溶剂擦拭钢板和铝板的表面；四、将方形槽中均匀填满混合物；五、铝板在上、钢板在下的搭接形式组合并装卡；六、对钢板与铝板进行搅拌摩擦焊：搅拌头的轴肩与铝板摩擦及铝板塑性变形产生的热量传导至混合物处，引燃火药并触发铝末和Fe2O3发生铝热反应，火药燃烧及铝热反应从一端迅速蔓延至另一端，使钢板软化，铝热反应产物中Fe下沉至方形槽的槽底与钢结合。本发明用于异种材料搅拌摩擦搭接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于铝/钢异种材料的搅拌摩擦焊方法，具体涉及一种摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法。
背景技术
环境保护问题越来越受到世界各国的重视，在汽车制造业，汽车的轻量化制造能降低能耗，减少有害气体排放，保护环境。铝及其合金质量轻，强度大，耐腐蚀、导热导电性能好，而钢的综合力学性能优越，因此采用铝/钢异种金属复合结构能够满足结构性能和轻量化设计的双重技术要求。在航空航天、交通运输、船舶制造等工业中，为了减轻重量、节约能源、降低成本、满足不同的工作条件，异种材料的焊接技术日益受到人们的重视。例如在现代舰船的建造上，可采用铝合金制造上层建筑，用钢制造舰体。但是这些必然涉及到铝/钢的连接问题。从21世纪初开始，许多国内外汽车生产厂家和研究机构不断地在寻找能够实现铝/钢异种金属之间有效连接的方法。铝/钢的压焊对工件的尺寸和形状有特殊的要求，不适于大批量生产，钎焊的方法效率较低，另外，铝和钢之间的固溶度较小、热物理性能差异较大，在熔焊过程中两者极易反应生成脆性的金属间化合物，消弱了铝/钢异种材料连接接头的承载能力。搅拌摩擦焊是一种固相连接方法，其焊接的变形小、残余应力小，接头质量好，在铝/钢异种金属连接方面占有一定的优势。在铝/钢异种材料的搅拌摩擦搭接过程中，由于钢硬度大，熔点高，对焊具材料的耐高温和耐磨损性能要求高，为减少焊具的磨损，一般采用铝板在上，钢板在下的搭接模式。而为实现铝/钢的有效连接，在焊接过程中往往需将焊具扎入钢板一定深度，这将增加焊具的磨损。
发明内容
本发明为了解决现有轻铝/钢异种材料搅拌摩擦搭接时，搅拌针扎入钢板导致焊具磨损严重的问题，而提出一种摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法。
本发明的摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、确定钢板和铝板接头的搭接面积，在钢板上搭接部分的中心线处开设方形槽；
步骤二、将待焊钢板和铝板的接触表面及周围20mm～30mm范围内清理干净；
步骤三、采用有机溶剂擦拭机械处理过的钢板和铝板的表面；
步骤四、将方形槽中均匀填满一定比例的粉状Fe2O3、铝末及粉状火药的混合物；
步骤五、将处理好的钢板和铝板按照铝板在上、钢板在下的搭接形式组合，并装卡固定好；
步骤六、对钢板与铝板进行搅拌摩擦焊：选取适当的焊接参数进行搅拌摩擦焊，焊接过程中，使搅拌针的端部始终保持在方形槽上表面以下深度，搅拌头的轴肩与铝板摩擦及铝板塑性变形产生的热量传导至混合物处，引燃火药并触发铝末和Fe2O3发生铝热反应，火药燃烧及铝热反应从一端迅速蔓延至另一端，使得钢板软化，铝热反应产物中的Fe下沉至方形槽的槽底与钢结合，随着搅拌头向前行进，在热机耦合作用下，铝板材料处于微熔状态，向下流动填充空隙并与钢板结合，从而获得铝/钢搅拌摩擦搭接接头。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明是摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法，火药燃烧及铝热反应产生的热量对材料具有预热作用，可增加有效搭接面积，同时使得钢板软化，相对普通的铝/钢搅拌摩擦搭接来说减少了焊具的磨损。
二、大部分铝热反应产物比较细小，而一些聚集成块的反应产物在搅拌针的剧烈搅拌作用下会被打碎，起到弥散强化的作用，使接头性能得到提高。
三、铝热反应后接头区比较酥松，存在孔洞等缺陷，搅拌头的下压锻造作用，压实了接头区，消除了接头组织酥松及孔洞等缺陷，使接头强度得到提高。
四、随着搅拌头向前行进，在热机耦合作用下，铝板材料处于微熔状态，向下流动填充空隙，同时实现了铝和钢的机械连接和冶金连接。
五、相对铝/钢异种材料的熔焊来说，本发明提供的方法能避免接头界面区产生连续的铝/钢金属间化合物。
附图说明
图1是步骤一中在钢板1上搭接部分的中心线处开设方形槽1-1的示意图；
图2是步骤六中搅拌针4的端部始终保持在方形槽1-1上表面以下深度的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：
步骤一、确定钢板1和铝板2接头的搭接面积，在钢板1上搭接部分的中心线处开设方形槽1-1；
步骤二、将待焊钢板1和铝板2的接触表面及周围20mm～30mm范围内清理干净，去除钢板1和铝板2表面氧化物；
步骤三、采用有机溶剂擦拭机械处理过的钢板1和铝板2的表面，去除油污和粉尘等杂物；
步骤四、将方形槽1-1中均匀填满一定比例的粉状Fe2O3、铝末及粉状火药的混合物3；
步骤五、将处理好的钢板1和铝板2按照铝板2在上、钢板1在下的搭接形式组合，并装卡固定好；
步骤六、对钢板1与铝板2进行搅拌摩擦焊：选取适当的焊接参数进行搅拌摩擦焊，焊接过程中，使搅拌针4的端部始终保持在方形槽1-1上表面以下深度，搅拌头5的轴肩与铝板2摩擦及铝板2塑性变形产生的热量传导至混合物3处，引燃火药并触发铝末和Fe2O3发生铝热反应，火药燃烧及铝热反应从一端迅速蔓延至另一端，产生的热量对钢板1具有预热作用，使得钢板1软化，铝热反应产物中的Fe下沉至方形槽1-1的槽底与钢结合，随着搅拌头5向前行进，在热机耦合作用下，铝板2材料处于微熔状态，向下流动填充空隙并与钢板1结合，从而获得铝/钢搅拌摩擦搭接接头。大部分铝热反应产物比较细小，而一些聚集成块的反应产物在搅拌针的剧烈搅拌作用下会被打碎，起到弥散强化的作用，使接头性能得到提高。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤一中的钢板1为普通低碳钢或低合金钢，铝板2为纯铝或铝合金。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤一中的方形槽1-1的槽深为0.1mm～0.3mm、槽宽大于搅拌针4的直径1mm～2mm。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤一中的方形槽1-1的槽深为0.2mm、槽宽大于搅拌针4的直径1.5mm。其它步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤二中采用电动钢丝刷或砂布去除试件表面的氧化物。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤三中有机溶剂为酒精或丙酮。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤四中混合物3中的粉状Fe2O3与铝末质量比为3:2.5，火药所占混合物3的比例≤10％，其中粉状Fe2O3为纯度≥99.0％的分析纯Fe2O3，铝末为经铣削剥离后捻碎的金属颗粒，颗粒尺寸小于10μm，火药按照质量百分含量由75％硝酸钾、15％木炭和10％硫磺组成。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤六中搅拌头5的材质为镍基合金、碳化钨钴合金或多晶立方氮化硼等。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤六中的搅拌头5扎入速度为4mm/min～6mm/min，搅拌头5扎入到深度H为h+(0.05mm～0.2mm)处时，h为铝板2的厚度，停留2s～10s，待搅拌头5与铝板2摩擦及铝板塑性变形产生的热量引燃火药，继而触发铝热反应，其中h为铝板(2)的厚度。其它步骤与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤六中的搅拌头5扎入速度为5mm/min，搅拌头5扎入到深度H为h+0.1mm处时，停留5s，待搅拌头5与铝板2摩擦及铝板塑性变形产生的热量引燃火药，继而触发铝热反应。其它步骤与具体实施方式九相同。
Claims (10)
1.一种摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、确定钢板(1)和铝板(2)接头的搭接面积，在钢板(1)上搭接部分的中心线处开设方形槽(1-1)；
步骤二、将待焊钢板(1)和铝板(2)的接触表面及周围20mm～30mm范围内清理干净；
步骤三、采用有机溶剂擦拭机械处理过的钢板(1)和铝板(2)的表面；
步骤四、将方形槽(1-1)中均匀填满一定比例的粉状Fe2O3、铝末及粉状火药的混合物(3)；
步骤五、将处理好的钢板(1)和铝板(2)按照铝板(2)在上、钢板(1)在下的搭接形式组合，并装卡固定好；
步骤六、对钢板(1)与铝板(2)进行搅拌摩擦焊：选取适当的焊接参数进行搅拌摩擦焊，焊接过程中，使搅拌针(4)的端部始终保持在方形槽(1-1)上表面以下深度，搅拌头(5)的轴肩与铝板(2)摩擦及铝板(2)塑性变形产生的热量传导至混合物(3)处，引燃火药并触发铝末和Fe2O3发生铝热反应，火药燃烧及铝热反应从一端迅速蔓延至另一端，使得钢板(1)软化，铝热反应产物中的Fe下沉至方形槽(1-1)的槽底与钢结合，随着搅拌头(5)向前行进，在热机耦合作用下，铝板(2)材料处于微熔状态，向下流动填充空隙并与钢板(1)结合，从而获得铝/钢搅拌摩擦搭接接头。
2.根据权利要求1所述的摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法，其特征在于：所述步骤一中的钢板(1)为普通低碳钢或低合金钢，铝板(2)为纯铝或铝合金。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法，其特征在于：所述步骤一中的方形槽(1-1)的槽深为0.1mm～0.3mm、槽宽大于搅拌针(4)的直径1mm～2mm。
4.根据权利要求3所述的摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法，其特征在于：所述步骤一中的方形槽(1-1)的槽深为0.2mm、槽宽大于搅拌针(4)的直径1.5mm。
5.根据权利要求1所述的摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法，其特征在于：所述步骤二中采用电动钢丝刷或砂布去除试件表面的氧化物。
6.根据权利要求1所述的摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法，其特征在于：所述步骤三中有机溶剂为酒精或丙酮。
7.根据权利要求1所述的摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法，其特征在于：所述步骤四中混合物(3)中的粉状Fe2O3与铝末质量比为3:2.5，火药所占混合物(3)的比例≤10％，其中粉状Fe2O3为纯度≥99.0％的分析纯Fe2O3，铝末为经铣削剥离后捻碎的金属颗粒，颗粒尺寸小于10μm，火药按照质量百分含量由75％硝酸钾、15％木炭和10％硫磺组成。
8.根据权利要求1所述的摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法，其特征在于：所述步骤六中搅拌头(5)的材质为镍基合金、碳化钨钴合金或多晶立方氮化硼。
9.根据权利要求8所述的摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法，其特征在于：所述步骤六中的搅拌头(5)扎入速度为4mm/min～6mm/min，搅拌头(5)扎入到深度H为h+(0.05mm～0.2mm)处时，停留2s～10s，待搅拌头(5)与铝板(2)摩擦及铝板塑性变形产生的热量引燃火药，继而触发铝热反应，其中h为铝板(2)的厚度。
10.根据权利要求9所述的摩擦形变触发自蔓延辅助铝/钢搅拌摩擦搭接方法，其特征在于：所述步骤六中的搅拌头(5)扎入速度为5mm/min，搅拌头(5)扎入到深度H为h+0.1mm处时，停留5s，待搅拌头(5)与铝板(2)摩擦及铝板塑性变形产生的热量引燃火药，继而触发铝热反应。
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