CN106001896A - 基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法，包括以下步骤：S1；对钢板待焊表面进行毛化处理，使所述钢板待焊表面产生凹凸不平的毛化表面；S2；由压紧套、搅拌针和搅拌套组成的搅拌工具在主轴压力下压紧待焊铝板；S3；搅拌套旋转下压，同时搅拌针上升，将塑性金属挤入搅拌针与铝板表面形成的空腔；S4；当搅拌套向下运动到设定距离后开始上升，同时搅拌针向下运动，将塑性金属回填，当搅拌针和搅拌套运动到端面与铝板表面平齐。本发明提供的焊接方法操作简单，通过激光毛化等方法在钢板表面形成毛化层，增加了铝/钢界面处金属的接触面积，从而增加了金属的融合与冶金反应，提高了铝/钢异种金属摩擦点焊接头的力学性能。

Description

基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法
技术领域
本发明涉及焊接方法领域，特别涉及一种基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法。
背景技术
随着能源紧缺和环境污染问题的加剧，汽车轻量化是节油和降低排放的主要选择对策。在汽车设计和制造中增加铝合金等轻量化材料的使用量是实现汽车轻量化的重要途径。在高强钢结构车身的基础上引入铝合金部件，即高强钢-铝合金一体化车身复合框架结构解决了全铝车身所面临的问题，在满足经济性要求的同时还可保证车身的安全性能，为实现汽车轻量化提供了有效的技术途径。
汽车车身常用的点连接技术包括自冲铆和电阻点焊技术。自冲铆技术从本质讲仍属于机械连接技术，异种材料间未达到牢固的冶金结合；电阻点焊铝/钢异种金属时，易产生成分偏析、熔核偏移、氧化膜夹渣、氢气孔以及热应力等缺陷，而且铝和铁相互之间的固溶度极小，Fe与Al易形成Fe2Al5、FeAl2、Fe2Al7和FeAl等一系列硬而脆的金属间化合物，导致接头性能降低。
摩擦点焊过程中材料不熔化，属于固相连接方法，能够避免自冲铆和电阻点焊的固有缺点，具有减重、节能、高效、环保等优点，是铝/钢异种材料理想的点连接方法，在汽车、轨道列车、民用航空等领域具有广泛的推广应用价值和前景，具有十分巨大的经济和社会效益。
采用摩擦点焊方法进行铝/钢异种材料进行连接时，主要有以下几种方式：
1、搅拌套不扎入钢板表面，在摩擦热和压力作用下，主要通过扩散实现连接，由于摩擦点焊时间很短，原子扩散的距离有限，使得接头的强度很低；
2、搅拌套扎入钢板表面，可以有效促进连接界面处的材料融合与冶金反应，但是由于钢的硬度较大，搅拌工具的磨损非常严重，需采用硬度和耐磨性极好的材料制造搅拌工具，使得成本增加，不利于工业应用；
3、在钢表面添加镀层，通过镀层金属的冶金作用来提高结合强度，由于镀层金属的厚度一般在微米级，对于依靠材料塑性流动来实现连接的摩擦点焊方法而言，镀层金属对接头强度的提高作用有限。
因此，要实现铝/钢异种材料高质量、低成本的可靠连接，必须保证搭接界面处材料充分的融合与流动，从而保证形成高质量的接头。
发明内容
针对上述问题，本专利的目的在于提供基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法，能够解决现有铝/钢异种材料摩擦点焊方法接头性能低，制造成本高的问题，为铝/钢异种材料高可靠点连接提供一种可行的方案。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法，包括以下步骤：
S1：对钢板待焊表面进行毛化处理，使所述钢板待焊表面产生凹凸不平的毛化表面；
S2：由压紧套、搅拌针和搅拌套组成的搅拌工具在主轴压力下压紧待焊铝板，在待焊界面处，铝板表面发生局部塑性变形，铝板部分嵌入毛化表面；
S3：搅拌套旋转下压，同时搅拌针上升，将塑性金属挤入搅拌针与铝板表面形成的空腔；
S4：当搅拌套向下运动到设定距离后开始上升，同时搅拌针向下运动，将塑性金属回填，当搅拌针和搅拌套运动到端面与铝板表面平齐时，焊接过程结束。
进一步地，所述毛化处理为激光毛化、电子束毛化、喷砂毛化或机械打磨毛化。
进一步地，所述搅拌针和搅拌套的旋转方向和速度均相同。
进一步地，所述搅拌套的最大下压深度与铝板厚度相同。
与现有技术相比，本专利具有以下优点：
1、毛化后的钢表面增加了铝/钢界面金属的接触面积，促进了界面处的金属融合与冶金反应，且凸起的尖端处温度更高，更有利于形成冶金结合，从而提高接头强度；
2、在未发生冶金反应的位置，铝与钢相互嵌入，增加了机械咬合作用，有助于提高接头强度；
3、搅拌工具不扎入钢板，搅拌套只与钢表面的凸起接触摩擦，极大的减少了搅拌工具的磨损，降低了成本；
4、相比添加镀层金属而言，毛化方法简单易行、成本低廉，有利于大规模的工业应用。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1是本专利实施例的待焊接的工件与焊接工具的结构示意图；
图2是本专利实施例的施以主轴压力后的结构示意图；
图3是本专利实施例的搅拌套下压过程结构示意图；
图4是本专利实施例的焊接过程完成后的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1～图4所示，本专利提供一种基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法，包括如下步骤：
S1、采用特定方法对钢板6待焊表面进行毛化处理，使得待焊表面产生局部凹凸不平的毛化表面5；
S2、搅拌工具（包含压紧套1、搅拌针2和搅拌套3）在主轴压力下压紧待焊铝板4，在待焊界面处，铝板4表面发生局部塑性变形，铝材7部分的嵌入毛化表面5；
S3、搅拌套3旋转下压，同时搅拌针2上升，将塑性金属8挤入搅拌针2与铝板4表面形成的空腔，在该过程中，搅拌针2和搅拌套3的旋转方向和速度均相同；
S4、当搅拌套3向下运动到设定的距离时，开始上升，同时，搅拌针2向下运动，将塑性金属8回填，当搅拌针2和搅拌套3运动到端面与铝板4表面平齐时，焊接过程结束，形成平整的焊点9。
优选的，所述毛化方法选用激光毛化、电子束毛化、喷砂毛化或机械打磨毛化。
优选的，所述毛化表面的凹凸高度差为0.1-0.3mm。
优选的，所述搅拌套的最大下压深度与铝板厚度相同。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对钢板待焊表面进行毛化处理，使所述钢板待焊表面产生凹凸不平的毛化表面；
S2：由压紧套、搅拌针和搅拌套组成的搅拌工具在主轴压力下压紧待焊铝板，在待焊界面处，铝板表面发生局部塑性变形，铝板部分嵌入毛化表面；
S3：搅拌套旋转下压，同时搅拌针上升，将塑性金属挤入搅拌针与铝板表面形成的空腔；
S4：当搅拌套向下运动到设定距离后开始上升，同时搅拌针向下运动，将塑性金属回填，当搅拌针和搅拌套运动到端面与铝板表面平齐时，焊接过程结束。
2.根据权利要求1所述的基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法，其特征在于，所述毛化处理为激光毛化、电子束毛化、喷砂毛化或机械打磨毛化。
3.根据权利要求1所述的基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法，其特征在于，所述步骤S1中，毛化表面的高度差≥0.05mm。
4.根据权利要求1所述的基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法，其特征在于，所述步骤S1中，毛化表面的高度差≤0.5mm。
5.根据权利要求1所述的基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法，其特征在于，所述步骤S3中，搅拌针和搅拌套的旋转方向和速度均相同。
6.根据权利要求1所述的基于表面毛化的铝/钢异种材料摩擦点焊方法，其特征在于，所述搅拌套的最大下压深度与铝板厚度相同。
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