CN112317948A - 一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法，用于提高焊接接头的力学性能，属于焊接技术领域，该方法包括以下步骤：(1)将待焊接的铝棒和钢棒端面进行切铣，使端面光滑；(2)在钢棒的待焊端面上电镀一层银；(3)清洗铝棒与钢棒的待焊端面，将铝棒和钢棒分别用旋转夹具和移动夹具固定，并保证铝棒与钢棒处于同一轴线上；(4)打开冷却系统，开启焊接，焊接完成后，经冷却后将焊件取下；本发明通过在钢棒的待焊端面电镀一层银，有效地抑制了Fe向Al的扩散，一定程度阻止了富“铝”相金属间化合物的形成，同时可降低摩擦系数进而降低产热，避免界面过热生成较厚的金属间化合物层，使得到的接头具有更好的强度和韧性。

Description

一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法
技术领域
一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法，属于焊接技术领域，尤其涉及铝棒与钢棒的摩擦焊接。
背景技术
铝/钢复合结构兼具铝的比强高、导电导热性好、耐腐蚀性好和钢的高强度、抗蠕变性能良好等优点，可满足众多特殊使用要求；然而不论是使用熔化焊、熔钎焊还是固相连接方法来焊接铝钢异种金属，脆硬的FexAly金属间化合物的形成都是不可避免的。连续驱动摩擦焊作为一种高质、高效、环保的固相焊方法，在焊接异种金属时能够有效地减少金属间化合物的生成，具有显著优势。
当这两种材料相互连接时，冶金问题是不可避免的，由于铁在铝中的溶解度为零，往往会在铝上产生氧化膜以及可能形成低塑性脆性金属间化合物(如FeAl3、Fe2Al5)，其厚度、分布形式与成份比例会显著影响接头机械性能，如果其生成量过多则会严重降低接头力学性能：此外，热胀系数、熔点、导电率和比热等热性能的差异会导致熔焊后产生内应力，这也将影响接头的力学性能。因此，如何抑制铝上的氧化膜以及低塑性脆性金属间化合物的生长，一直是铝/钢连接的两个主要问题。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法，通过在钢棒的待焊端面电镀一层银形成中间过渡层，有效地抑制了Fe向Al的扩散过程，一定程度地阻止了富“铝”相金属间化合物的形成，同时可以降低摩擦系数进而降低产热，避免界面过热生成较厚的金属间化合物层，使得到的接头具有更好的强度和韧性。
本发明采用的技术方案如下：
为实现上述目的，本发明提供一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法，包括以下步骤：
(1)将待焊接的铝棒和钢棒端面进行切铣，使端面光滑；
(2)在钢棒的待焊端面上电镀一层银形成中间过渡层；
(3)清洗铝棒与钢棒的待焊端面，将铝棒和钢棒分别用旋转夹具和移动夹具固定，并保证铝棒与钢棒处于同一轴线上；
(4)打开冷却系统，开启焊接，焊接完成后，经冷却后将焊件取下。
作为优选，所述步骤(2)中，所述中间过渡层的厚度范围为6～30μm。
作为优选，所述步骤(2)中，镀银包括三个步骤：
(1)电净：电净电压为10～12V，时间为30～60s，工件接负极；
(2)活化：电净电压为10～12V，时间为30～60s，工件接负极；
(3)电镀：电镀电压为2～3V，时间为60～300s，工件接负极，镀后用去离子水清洗，快速吹干。
作为优选，所述步骤(3)中，清洗待焊端面是采用无水乙醇和丙酮来清洗铝棒与钢棒的待焊端面。
作为优选，所述步骤(4)中，焊接过程包含摩擦加热和顶锻两部分。
作为优选，所述步骤(4)中，焊接过程的工艺参数为：主电机转速800～1500r/min、摩擦压力20～80Mpa、摩擦时间0～2s、顶锻压力30～100Mpa、顶锻时间0～3s。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明在钢棒的待焊端面电镀一层银形成中间过渡层，中间过渡层的存在有效地抑制了Fe向Al的扩散过程，一定程度地阻止了富“铝”相金属间化合物的形成；另一方面由于银的强度低塑性好，在摩擦阶段可以降低摩擦系数进而降低产热，避免界面过热生成较厚的金属间化合物层，使得到的接头具有更好的强度和韧性，提高接头的力学性能。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明焊件装配结构示意图；
图2是本发明摩擦焊接头在80°的弯曲角度下的变形图片；
图3是本发明摩擦焊接头在130°的弯曲角度下的变形图片。
图中标记为：1-铝棒，2-钢棒，3-旋转夹具，4-移动夹具，5-中间过渡层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法，包括以下步骤：
(1)焊前准备
制作工件：将需要焊接的铝棒的端面进行切铣，使端面平整，铝棒尺寸为Φ25mm×150mm；将需要焊接的钢棒的端面进行切铣，使端面平整，钢棒的尺寸为Φ25mm×100mm。
(2)电镀
在钢棒的待焊端面上电镀一层银形成中间过渡层，镀银主要有三个工艺流程，分别为电净、活化及电镀；电净的目的是去除钢棒表面油污等杂质，电净电压为12V，时间为60s，工件接负极；活化的目的是使钢棒表面氧化膜彻底去除使，表面呈活化状态，活化电压为12V，时间为150s，工件接正极；电镀电压为2～3V，时间300s，工件接负极，镀后用去离子水清洗，快速吹干，最终形成的中间过渡层厚度为30μm。
(3)装配
焊前用无水乙醇和丙酮清洗铝棒与钢棒的待焊端面，去除表面的氧化膜及油污等杂质。铝棒夹持在旋转夹具上，钢棒夹持在移动夹具上，并保证铝棒与钢棒处于同一轴线上。
(4)设置工艺参数
焊接过程包含摩擦加热和顶锻两部分，按时间流程进行，设置摩擦压力20Mpa，摩擦时间为1s，顶锻压力为80Mpa，顶锻时间为1s的工艺参数，采用后刹，刹车时间为0.2s。
(5)焊接
打开冷却系统，启动主电机，调整转速至1500r/min，将按钮旋转至焊接位置，检查各参数无误后，点击焊接启动按钮，开始焊接，完成整个焊接过程，冷却后取下焊件。
实施例2
本实施例提供一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法，包括以下步骤：
(1)焊前准备
制作工件：将需要焊接的铝棒的端面进行切铣，使端面平整，铝棒尺寸为Φ25mm×150mm；将需要焊接的钢棒的端面进行切铣，使端面平整，钢棒的尺寸为Φ25mm×100mm。
(2)电镀
在钢棒的待焊端面上电镀一层银形成中间过渡层，镀银主要有三个工艺流程，分别为电净、活化及电镀；电净的目的是去除钢棒表面油污等杂质，电净电压为12V，时间为60s，工件接负极；活化的目的是使钢棒表面氧化膜彻底去除使，表面呈活化状态，活化电压为12V，时间为150s，工件接正极；电镀电压为2～3V，时间250s，工件接负极，镀后用去离子水清洗，快速吹干，最终形成的中间过渡层厚度为20μm。
(3)装配
焊前用无水乙醇和丙酮清洗铝棒与钢棒的待焊端面，去除表面的氧化膜及油污等杂质。铝棒夹持在旋转夹具上，钢棒夹持在移动夹具上，并保证铝棒与钢棒处于同一轴线上。
(4)设置工艺参数
焊接过程包含摩擦加热和顶锻两部分，按时间流程进行，设置摩擦压力20Mpa，摩擦时间为1s，顶锻压力为100Mpa，顶锻时间为1s的工艺参数，采用后刹，刹车时间为0.2s。
(5)焊接
打开冷却系统，启动主电机，调整转速至1200r/min，将按钮旋转至焊接位置，检查各参数无误后，点击焊接启动按钮，开始焊接，完成整个焊接过程，冷却后取下焊件。
实施例3
本实施例提供一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法，包括以下步骤：
(1)焊前准备
制作工件：将需要焊接的铝棒的端面进行切铣，使端面平整，铝棒尺寸为Φ25mm×150mm；将需要焊接的钢棒的端面进行切铣，使端面平整，钢棒的尺寸为Φ25mm×100mm。
(2)电镀
在钢棒的待焊端面上电镀一层银形成中间过渡层，镀银主要有三个工艺流程，分别为电净、活化及电镀；电净的目的是去除钢棒表面油污等杂质，电净电压为12V，时间为60s，工件接负极；活化的目的是使钢棒表面氧化膜彻底去除使，表面呈活化状态，活化电压为12V，时间为150s，工件接正极；电镀电压为2～3V，时间200s，工件接负极，镀后用去离子水清洗，快速吹干，最终形成的中间过渡层厚度为10μm。
(3)装配
焊前用无水乙醇和丙酮清洗铝棒与钢棒的待焊端面，去除表面的氧化膜及油污等杂质。铝棒夹持在旋转夹具上，钢棒夹持在移动夹具上，并保证铝棒与钢棒处于同一轴线上。
(4)设置工艺参数
焊接过程包含摩擦加热和顶锻两部分，按时间流程进行，设置摩擦压力20Mpa，摩擦时间为1s，顶锻压力为100Mpa，顶锻时间为1s的工艺参数，采用后刹，刹车时间为0.2s。
(5)焊接
打开冷却系统，启动主电机，调整转速至1000r/min，将按钮旋转至焊接位置，检查各参数无误后，点击焊接启动按钮，开始焊接，完成整个焊接过程，冷却后取下焊件。对摩擦焊接头进行拉伸与背弯试验，结果显示：镀银后的接头拉伸试样断裂位置发生在铝侧，同时弯曲试验角度从80°达到130°，说明得到的焊接接头具有更好的强度和韧性。
本发明中，在钢棒的待焊端面除了电镀一层银之外，也可以电镀锌、铬、钛、锰、铜或者镍。
根据本发明的设计，得到了成形良好的铝钢接头。以实施例1制得的产品为例，对摩擦焊接头进行拉伸与背弯试验，结果显示：镀银后的接头拉伸试样断裂位置发生在铝侧，同时弯曲试验角度从80°达到130°，说明得到的焊接接头具有更好的强度和韧性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待焊接的铝棒和钢棒端面进行切铣，使端面光滑；
(2)在钢棒的待焊端面上电镀一层银形成中间过渡层；
(3)清洗铝棒与钢棒的待焊端面，将铝棒和钢棒分别用旋转夹具和移动夹具固定，并保证铝棒与钢棒处于同一轴线上；
(4)打开冷却系统，开启焊接，焊接完成后，经冷却后将焊件取下。
2.根据权利要求1所述的一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述中间过渡层的厚度范围为6～30μm。
3.根据权利要求1所述的一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)中，镀银包括三个步骤：
(1)电净：电净电压为10～12V，时间为30～60s，工件接负极；
(2)活化：电净电压为10～12V，时间为30～60s，工件接负极；
(3)电镀：电镀电压为2～3V，时间为60～300s，工件接负极，镀后用去离子水清洗，快速吹干。
4.根据权利要求1所述的一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤(3)中，清洗待焊端面是采用无水乙醇和丙酮来清洗铝棒与钢棒的待焊端面。
5.根据权利要求1所述的一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤(4)中，焊接过程包含摩擦加热和顶锻两部分。
6.根据权利要求1所述的一种铝棒与具有中间过渡层的钢棒连续驱动摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤(4)中，焊接过程的工艺参数为：主电机转速800～1500r/min、摩擦压力20～80Mpa、摩擦时间0～2s、顶锻压力30～100Mpa、顶锻时间0～3s。
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