CN111673263A - 一种超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

一种超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法 Download PDF

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Abstract

一种超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法，通过激光热处理，在待连接部位形成软化区，降低了超高强钢局部强度，在后续搅拌摩擦焊过程中可降低搅拌头的磨损、并可提高搅拌摩擦焊速度，从而实现超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊。

Description

一种超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法
技术领域
本发明属于异种材料连接领域，具体涉及一种超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法。
背景技术
为满足车身轻量化的需要，汽车制造业对超高强钢以及铝合金等轻质材料的需求日益增加。目前，冷成形零件的强度已经达到1200MPa，热成形零件的强度达到了2000MPa，并还有进一步的提升空间。
1991年，英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊技术。搅拌摩擦焊技术是指利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在摩擦头的转动摩擦力作用下由摩擦头的前部流向后部，并在摩擦头的挤压下形成致密的固相焊缝。搅拌摩擦焊技术主要在铝合金、镁合金等轻金属结构领域得到越来越广泛的应用。由于钢和铝的连接需求日益增加，传统的焊接方法难于实施焊接；近年来有学者将搅拌摩擦焊技术应用于钢和铝的连接中。钢铝搅拌摩擦焊的主要问题是搅拌头磨损严重，在超高强钢和铝合金的连接中问题更加严重。
发明内容
本发明提供一种超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法，降低了现有技术中搅拌头磨损严重、难于实现超高强钢与铝合金连接的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法，所述方法包括步骤：
在第一工作台上表面安装温度传感器；
在超高强钢板上选中待连接部位，将所述超高强钢板放置于所述第一工作台上，且所述待连接部位下表面与所述温度传感器接触；
开启激光照射所述待连接部位上表面，并使所述超高强钢板和所述激光之间以速度V1发生相对运动；
调整所述激光能量，使所述温度传感器检测温度达到(AC1-200)℃，并在所述待连接部位形成软化区；其中，AC1表示所述超高强钢板的奥氏体化的开始温度；
将所述超高强钢板放置于第二工作台上，将铝合金板放置于所述超高强钢板的所述软化区上，并将所述超高强钢板和所述铝合金板紧固；
使用搅拌头沿所述软化区对所述超高强钢板和所述铝合金板实施搅拌摩擦焊操作。
优选地，所述温度传感器为非接触式红外传感器。
优选地，所述超高强钢板为抗拉强度大于等于1000MPa的超高强钢板。
优选地，所述超高强钢板为厚度0.5-3mm的热成形钢22MnB5。
优选地，所述第二工作台上表面设置有凹槽，所述软化区位于所述凹槽上方。
优选地，所述铝合金板为厚度1-4mm的铝合金5082。
优选地，所述搅拌头位于所述铝合金板一侧。
优选地，所述搅拌头包括搅拌头本体、轴肩和搅拌针，所述轴肩两端分别连接所述搅拌头本体和所述搅拌针。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本方法通过激光热处理，在待连接部位形成软化区，降低了超高强钢局部强度，在后续搅拌摩擦焊过程中可降低搅拌头的磨损、并可提高搅拌摩擦焊速度，从而实现超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法实施例中软化区形成示意图；
图2是本发明实施例提供的超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法实施例中搅拌摩擦焊操作示意图；
图中：1.超高强钢板，2.第一工作台，3.激光，4.温度传感器，5.软化区，6.搅拌头，61.搅拌头本体，62.轴肩，63.搅拌针，7.铝合金板，8.第二工作台，81.凹槽。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
参见图1和2，本发明提供了一种超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法，所述方法包括步骤：
在第一工作台2上表面安装温度传感器4；
在超高强钢板1上选中待连接部位，将所述超高强钢板1放置于所述第一工作台2上，且所述待连接部位下表面与所述温度传感器4接触；
开启激光3照射所述待连接部位上表面，并使所述超高强钢板1和所述激光3之间以速度V1发生相对运动；
调整所述激光3能量，使所述温度传感器4检测温度达到(AC1-200)℃，并在所述待连接部位形成软化区5；其中，AC1表示所述超高强钢板1的奥氏体化的开始温度；
将所述超高强钢板1放置于第二工作台8上，将铝合金板7放置于所述超高强钢板1的所述软化区5上，并将所述超高强钢板1和所述铝合金板7紧固；
使用搅拌头6沿所述软化区5对所述超高强钢板1和所述铝合金板7实施搅拌摩擦焊操作。
下面将结合实施例对本申请的工作原理进行详细说明。
实施例1
参见图1和2，本发明提供了一种超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法，所述方法包括步骤：
在第一工作台2上表面安装温度传感器4；
在超高强钢板1上选中待连接部位，将所述超高强钢板1放置于所述第一工作台2上，且所述待连接部位下表面与所述温度传感器4接触；
开启激光3照射所述待连接部位上表面，并使所述超高强钢板1和所述激光3之间以速度V1发生相对运动；
调整所述激光3能量，使所述温度传感器4检测温度达到800℃，并在所述待连接部位形成软化区5；
将所述超高强钢板1放置于第二工作台8上，将铝合金板7放置于所述超高强钢板1的所述软化区5上，并将所述超高强钢板1和所述铝合金板7紧固；
使用搅拌头6沿所述软化区5对所述超高强钢板1和所述铝合金板7实施搅拌摩擦焊操作。
在本申请实施例中，所述温度传感器4为非接触式红外传感器，温度传感器4可以测量待连接部位下表面的温度。
在本申请实施例中，所述超高强钢板1为抗拉强度大于等于1000MPa的超高强钢板。对于1000MPa以上的超高强钢，激光热处理后通过控制冷却速度可实现局部软化，并且强度越高软化效果越明显。
进一步地，所述超高强钢板1为厚度0.5-3mm的热成形钢22MnB5。具体地，在本申请实施例中，所述超高强钢板1为厚度1.5mm的热成形钢22MnB5。
在本申请实施例中，所述速度V1为2-3mm/s。可以控制激光3运动，保持第一工作台2不运动，使得二者相对运动速度V1达到2-3mm/s；也可以控制第一工作台2运动，保持激光3不运动，使得二者相对运动速度V1达到2-3mm/s；或者可以控制二者均运动，但是相对运动速度V1为2-3mm/s。针对本实施例所述1.5mm的超高强钢板1，在该速度下可实现超高强钢板1的局部软化：当相对速度大于3mm/s时，冷却速度过快，软化效果下降；当相对速度小于2mm/s，超高强钢板1会发生表层局部熔化且制造效率下降明显。
在本申请实施例中，所述第二工作台8上表面设置有凹槽81，所述软化区5位于所述凹槽81上方。更进一步地，软化区5和凹槽81的中心重合，方便后续搅拌摩擦焊操作的实施。凹槽81可防止参数设置不当时，搅拌头6与第二工作台8接触，造成工作台损伤。
在本申请实施例中，所述铝合金板7为厚度1-4mm的铝合金5082。具体地，在本申请实施例中，所述铝合金板7为厚度1.5mm的铝合金5082。
在本申请实施例中，所述搅拌头6位于所述铝合金板7一侧，当实施搅拌摩擦焊操作时，搅拌头6与铝合金板7直接接触，并执行搅拌摩擦焊操作。
在本申请实施例中，当所述超高强钢板1为厚度1.5mm的热成形钢22MnB5，且所述铝合金板7为厚度1.5mm的铝合金5082时，在所述搅拌摩擦焊操作中，所述搅拌头6的倾斜角为2.5-3.5°，旋转速度为300-500转/min，焊接速度为150-250mm/min。
在本申请实施例中，所述搅拌头6包括搅拌头本体61、轴肩62和搅拌针63，所述轴肩62两端分别连接所述搅拌头本体61和所述搅拌针63。当实施搅拌摩擦焊操作时，搅拌针63与铝合金板7直接接触，并执行搅拌摩擦焊操作。
本方法通过激光热处理，在待连接部位形成软化区，降低了超高强钢局部强度，在后续搅拌摩擦焊过程中可降低搅拌头的磨损、并可提高搅拌摩擦焊速度，从而实现超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型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 (8)

1.一种超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
在第一工作台上表面安装温度传感器；
在超高强钢板上选中待连接部位，将所述超高强钢板放置于所述第一工作台上，且所述待连接部位下表面与所述温度传感器接触；
开启激光照射所述待连接部位上表面，并使所述超高强钢板和所述激光之间以速度V1发生相对运动；
调整所述激光能量，使所述温度传感器检测温度达到(AC1-200)℃，并在所述待连接部位形成软化区；其中，AC1表示所述超高强钢板的奥氏体化的开始温度；
将所述超高强钢板放置于第二工作台上，将铝合金板放置于所述超高强钢板的所述软化区上，并将所述超高强钢板和所述铝合金板紧固；
使用搅拌头沿所述软化区对所述超高强钢板和所述铝合金板实施搅拌摩擦焊操作。
2.根据权利要求1所述的超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述温度传感器为非接触式红外传感器。
3.根据权利要求1所述的超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述超高强钢板为抗拉强度大于等于1000MPa的超高强钢板。
4.根据权利要求3所述的超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述超高强钢板为厚度0.5-3mm的热成形钢22MnB5。
5.根据权利要求1所述的超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述第二工作台上表面设置有凹槽，所述软化区位于所述凹槽上方。
6.根据权利要求1所述的超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述铝合金板为厚度1-4mm的铝合金5082。
7.根据权利要求1所述的超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述搅拌头位于所述铝合金板一侧。
8.根据权利要求1或7所述的超高强钢和铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述搅拌头包括搅拌头本体、轴肩和搅拌针，所述轴肩两端分别连接所述搅拌头本体和所述搅拌针。
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