專利名稱：適用于鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋁及其合金具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、塑性好、密度小、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能優(yōu)良的特性，這使其成為航空、航天、造船及其他工業(yè)領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)材料；然而，鋁及其合金的抗腐蝕性差、線膨脹系數(shù)大等缺點(diǎn)導(dǎo)致其在上述應(yīng)用中受到很大的局 限。不銹鋼抗腐蝕性好，但其具有導(dǎo)熱性差、比強(qiáng)度不高等缺陷。將鋁合金和不銹鋼連接形成復(fù)合結(jié)構(gòu)可以汲取不銹鋼和鋁合金的優(yōu)點(diǎn)，故兩者的連接具有極高的研究?jī)r(jià)值。然而，鋁合金和不銹鋼的物理化學(xué)性質(zhì)相差很大，這使得現(xiàn)有技術(shù)中采用一般的熔焊方式連接的鋁合金和不銹鋼產(chǎn)品在工藝應(yīng)用中主要存在以下缺陷
熔焊過程中，鋁和不銹鋼中的鐵以及其它元素生成大量的Al13Fe4、AlFe, AIFe3等脆性金屬間化合物，嚴(yán)重降低了連接面的塑強(qiáng)度，由于鋁與不銹鋼的線膨脹系數(shù)相差較大，較低的強(qiáng)度使得連接件在驟冷驟熱情況下特別容易開裂，從而影響鋁合金和不銹鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，進(jìn)而導(dǎo)致其應(yīng)用性變差。因此，現(xiàn)有技術(shù)中急需要一種能夠通過提高鋁合金和不銹鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度來提高其應(yīng)用性的焊接方式。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中熔焊技術(shù)應(yīng)用于鋁合金和不銹鋼焊接時(shí)連接面塑性較低的缺陷，從而提供一種能夠提高連接面塑性的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法。為此，本發(fā)明提供一種適用于鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法，至少包括以下步驟
A.在不銹鋼母材的焊接面上形成Ni-Cu鍍層；
B.將不銹鋼母材和鋁/鋁合金母材拼合形成待焊接頭；
C.采用攪拌頭對(duì)所述接頭進(jìn)行攪拌摩擦焊接，采用攪拌頭對(duì)所述待焊接
頭進(jìn)行攪拌摩擦焊接，所述焊接的速度是50 150mm/min,所述攪拌頭的轉(zhuǎn)速400 800r/min,所述攪拌頭端部的攪拌針的長(zhǎng)度為所述待焊接頭厚度的O. 7-0. 9倍。在所述步驟A中形成的所述Ni-Cu鍍層的厚度為100 μ m-200 μ m。在所述步驟A中采用熱噴涂的方式形成所述Ni-Cu鍍層。所述熱噴涂在1100 1400°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。在所述熱噴涂之前將所述將Ni粉和Cu粉混合均勻，制備成噴涂液。在所述步驟B中將具有Ni-Cu鍍層的所述不銹鋼母材和所述鋁/鋁合金母 材制成對(duì)接接頭。
在所述步驟B中，所述鋁/鋁合金母材和不銹鋼母材至少分別具有傾斜的搭接界面，所述鋁/鋁合金母材的搭接界面的水平傾斜角Θ與所述不銹鋼母材的搭接界面的水平傾斜角互為補(bǔ)角，兩者通過搭接界面配合后形成水平搭接接頭。將所述水平傾斜角Θ、攪拌頭的軸肩直徑d以及鋁/鋁合金母材和不銹鋼
母材的厚度a的關(guān)系設(shè)置為d > 2a cot Θ 。所述鋁/鋁合金母材和所述鈦合金母材還分別具有高度為h的豎直的搭 接界面，所述豎直的搭接界面位于所述傾斜的搭接界面的上部或下部，將所述高度h、
所述水平傾斜角Θ、攪拌頭的軸肩直徑d以及鋁/鋁合金母材和不銹鋼母材的厚度a的關(guān)
系設(shè)置為d > 2(α — h} cot Θ 。本發(fā)明還提供一種用于鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接中的接
頭，包括鋁/鋁合金母材和不銹鋼母材，在所述不銹鋼母材的焊接面上具有Ni-Cu鍍層，所述Ni-Cu鍍層的厚度為100 μ m-200 μ m。本發(fā)明提供的用于鋁/鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法及接頭，具有以下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明提供一種用于鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法，在不銹鋼母材的焊接面上形成Ni-Cu鍍層，將Ni作為不銹鋼與Al連接的中間過渡層，由于不銹鋼中有含量較高的Ni，而Ni、Al都是面心立方結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)晶體間的結(jié)合；同時(shí)，將Cu作為Al與Ni的過渡層，由于Cu也是面心立方結(jié)構(gòu)，且其晶格常數(shù)介于Ni、Al之間，在不銹鋼母材的焊接面形成Ni-Cu復(fù)合鍍層后，在攪拌摩擦作用下，在層界面處形成了金屬鍵或較強(qiáng)的化合鍵，使各層介質(zhì)之間有較強(qiáng)的結(jié)合力，提高了連接面的強(qiáng)度；同時(shí)，通過阻隔延遲效應(yīng)限制了鋁合金和/銹鋼異種材料間All3Fe4、AlFe, AlFe3等脆性化合物的生成量，從而提高了連接面塑性；另外，采用攪拌摩擦反應(yīng)焊接方式，不需要母材的熔化，不存在熔化缺陷、焊接熱裂傾向和組織熱影響區(qū)，連接接頭質(zhì)量及其穩(wěn)定性較好。另外，通過摩擦焊接方法獲得鋁鋼異種金屬接頭比較容易，界面變形可以除掉鋁表面頑固的氧化膜，使兩者之間結(jié)合變得相對(duì)容易。操作簡(jiǎn)單，成本低。


為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。其中
圖I是本發(fā)明的實(shí)施例I中采用的對(duì)接接頭與攪拌頭配合的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的實(shí)施例2中采用的搭接接頭與攪拌頭配合的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的實(shí)施例3中采用的搭接接頭與攪拌頭配合的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中附圖標(biāo)記表不為
I-鋁/鋁合金板；2_不銹鋼板；3-Ni-Cu鍍層。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I實(shí)施例提供一種用于鋁合金板和不銹鋼板連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法及用于鋁合金板和不銹鋼板連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法中的接頭，其中所述反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法包括以下步驟
A.將Ni粉和Cu粉混合均勻，制備成噴涂液，可以在1100-1400V溫度下選擇任意溫度進(jìn)行火焰噴涂，從而將所述噴涂液噴涂到所述不銹鋼板2的焊接面上，形成厚度為IOOym的Ni-Cu鍍層，在本實(shí)施例中，所述溫度具體選擇為1200°C ；
B.將經(jīng)過步驟A的不銹鋼板2和鋁合金板I拼合形成對(duì)接接頭，見圖I;
C.采用攪拌頭對(duì)所述接頭進(jìn)行攪拌摩擦焊接，所述攪拌頭的轉(zhuǎn)速為500r/min，所述焊接速度為100mm/min,所述攪拌頭端部的攪拌針的長(zhǎng)度為接頭厚度a的O. 8倍,攪拌頭的軸肩直徑d是攪拌針直徑的3倍，頂端壓力為200MPa。當(dāng)然，對(duì)于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的來說，上述參數(shù)的選擇并不是唯一的，所述攪拌頭的 轉(zhuǎn)速可以在400 800r/min內(nèi)進(jìn)行具體選擇，所述焊接速度可以在50 150mm/min內(nèi)進(jìn)行具體選擇，所述攪拌頭端部的攪拌針的長(zhǎng)度可以在工件厚度的O. 7-0. 9倍范圍內(nèi)進(jìn)行具體選擇，當(dāng)攪拌頭的軸肩直徑是攪拌針直徑的3倍。頂端壓力200MPa。本實(shí)施例中的所述Ni-Cu鍍層的厚度只是較佳的實(shí)施方式，對(duì)于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的核心目的來說，所述Ni-Cu鍍層的厚度為100 μ m-200 μ m時(shí)，都能滿
足焊接要求。實(shí)施例2
本實(shí)施例提供一種用于鋁合金板和不銹鋼板連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法及用于鋁合金板和不銹鋼板連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法中的接頭，其中所述反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法包括以下步驟
A.制備成噴涂液，可以在1100-1400V溫度下選擇任意溫度進(jìn)行火焰噴涂，從而將所述噴涂液噴涂到所述不銹鋼板2的焊接面上，形成厚度為200 μ m的Ni-Cu鍍層，在本實(shí)施例中，所述溫度具體選擇為1100°C ；
B.將經(jīng)過步驟A的不銹鋼板2和鋁合金板I拼合形成水平搭接接頭，所述鋁合金母材和不銹鋼母材分別具有傾斜的搭接界面，所述鋁合金
母材的搭接界面的水平傾斜角Θ與所述不銹鋼母材的搭接界面的水平傾斜角互為補(bǔ)角，兩者通過搭接界面配合后形成所述水平搭接接頭，見圖2 ；
C.采用攪拌頭對(duì)所述接頭進(jìn)行攪拌摩擦焊接，所述攪拌頭的轉(zhuǎn)速為400r/min，所述焊接速度為50mm/min，所述攪拌頭端部的攪拌針的長(zhǎng)度為接頭厚度a的O. 7倍，攪拌頭的軸肩直徑d是攪拌針直徑的3倍，頂端壓力為200MPa。當(dāng)然，對(duì)于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的來說，上述參數(shù)的選擇并不是唯一的，所述攪拌頭的轉(zhuǎn)速可以在400 800r/min內(nèi)進(jìn)行具體選擇，所述焊接速度可以在50 150mm/min內(nèi)進(jìn)行具體選擇，所述攪拌頭端部的攪拌針的長(zhǎng)度可以在工件厚度的O. 7-0. 9倍范圍內(nèi)進(jìn)行具體選擇，當(dāng)攪拌頭的軸肩直徑是攪拌針直徑的3倍。頂端壓力200MPa。其中，將所述水平傾斜角Θ、攪拌頭的軸肩直徑d以及鋁合金母材和不銹鋼母材
的厚度a的關(guān)系設(shè)置為d > 2a cof Θ ，更為具體的，所述鋁合金板I的搭接界面的水平傾斜角Θ為45°，所述不銹鋼板2的搭接界面的水平傾斜角為135°，所述厚度a均為30mm,所述軸肩直徑d至少為60mm。本實(shí)施例中的所述Ni-Cu鍍層的厚度只是較佳的實(shí)施方式，對(duì)于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的核心目的來說，所述Ni-Cu鍍層的厚度為100 μ m-200 μ m時(shí)，都能滿足焊接要求。實(shí)施例3
實(shí)施例提供一種用于鋁板和不銹鋼板連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法及用于鋁合金板和不銹鋼板連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法中的接頭，其中所述反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法包括以下步驟
A.制備成噴涂液，可以在1100-1400V溫度下選擇任意溫度進(jìn)行火焰
噴涂，從而將所述噴涂液噴涂到所述不銹鋼板2的焊接面上，形成厚度為150 μ m的Ni-Cu鍍層，在本實(shí)施例中，所述溫度具體選擇為1400°C ； B.將經(jīng)過步驟A的不銹鋼板2和鋁板I拼合形成水平搭接接頭，所述鋁合金母材和不銹鋼母材分別具有傾斜的搭接界面和位于所述傾斜的搭接界面上部的高度為h的豎直的搭接界面，所述鋁合金母材的搭接界面的水平傾斜角Θ與所述不銹鋼母材的搭接界面的水平傾斜角互為補(bǔ)角，兩者通過搭接界面配合后形成所述水平搭接接頭，見圖3 ；
C.采用攪拌頭對(duì)所述接頭進(jìn)行攪拌摩擦焊接，所述攪拌頭的轉(zhuǎn)速為800r/min，所述焊接速度為150mm/min,所述攪拌頭端部的攪拌針的長(zhǎng)度為接頭厚度a的O. 9倍,攪拌頭的軸肩直徑d是攪拌針直徑的3倍，頂端壓力為200MPa。當(dāng)然，對(duì)于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的來說，上述參數(shù)的選擇并不是唯一的，所述攪拌頭的轉(zhuǎn)速可以在400 800r/min內(nèi)進(jìn)行具體選擇，所述焊接速度可以在50 150mm/min內(nèi)進(jìn)行具體選擇，所述攪拌頭端部的攪拌針的長(zhǎng)度可以在工件厚度的O. 7-0. 9倍范圍內(nèi)進(jìn)行具體選擇，當(dāng)攪拌頭的軸肩直徑是攪拌針直徑的3倍。頂端壓力200MPa。其中，將所述水平傾斜角Θ、攪拌頭的軸肩直徑d、豎直搭接界面的高
度h以及鋁合金母材和不銹鋼母材的厚度a的關(guān)系設(shè)置為
d > 2 (a - h) cot & ，更為具體的，所述鋁合金板I的搭接界面的水平傾斜角θ
為30°，所述不銹鋼板2的搭接界面的水平傾斜角為150°，所述厚度a均為30mm，所述高度h為10mm，所述軸肩直徑d至少為69mm。本實(shí)施例中的所述Ni-Cu鍍層的厚度只是較佳的實(shí)施方式，對(duì)于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的核心目的來說，所述Ni-Cu鍍層的厚度為100 μ m-200 μ m時(shí)，都能滿足焊接要求。上述實(shí)施例1-3中采用的焊接設(shè)備以通用的攪拌摩擦焊接設(shè)備為主。采用上述實(shí)施例1-3中的焊接方法能顯著降低脆性金屬間化合物的含量，提高接頭強(qiáng)度。拉伸強(qiáng)度一般可達(dá)到270. OMPa以上。顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.適用于鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法，其特征在于至少包括以下步驟 A.在不銹鋼母材的焊接面上形成Ni-Cu鍍層； B.將不銹鋼母材和鋁/鋁合金母材拼合形成待焊接頭； C.采用攪拌頭對(duì)所述待焊接頭進(jìn)行攪拌摩擦焊接，所述焊接的速度是50 150mm/min,所述攪拌頭的轉(zhuǎn)速為400 800r/min，所述攪拌頭端部的攪拌針的長(zhǎng)度為所述待焊接頭厚度的0. 7-0. 9倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于鋁/鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法，其特征在于在所述步驟A中形成的所述Ni-Cu鍍層的厚度為100 u m-200 u m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的用于鋁/鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法，其特征在于在所述步驟A中采用熱噴涂的方式形成所述Ni-Cu鍍層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于鋁/鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法，其特征在于所述熱噴涂在1100 1400°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的用于鋁/鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法，其特征在于在所述熱噴涂之前將所述將Ni粉和Cu粉混合均勻，制備成噴涂液。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的用于鋁/鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法，其特征在于在所述步驟B中將具有Ni-Cu鍍層的所述不銹鋼母材和所述鋁/鋁合金母材制成對(duì)接接頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的用于鋁/鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法，其特征在于在所述步驟B中，所述鋁/鋁合金母材和不銹鋼母材至少分別具有傾斜的搭接界面，所述鋁/鋁合金母材的搭接界面的水平傾斜角e與所述不銹鋼母材的搭接界面的水平傾斜角互為補(bǔ)角，兩者通過搭接界面配合后形成水平搭接接頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于鋁/鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法，其特征在于將所述水平傾斜角0、攪拌頭的軸肩直徑d以及鋁合金母材和不銹鋼母材的厚度a的關(guān)系設(shè)置為d2acot 0。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于鋁/鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法，其特征在于所述鋁/鋁合金母材和所述鈦合金母材還分別具有高度為h的豎直的搭接界面，所述豎直的搭接界面位于所述傾斜的搭接界面的上部或下部，將所述高度h、所述水平傾斜角9、攪拌頭的軸肩直徑d以及鋁合金母材和不銹鋼母材的厚度a的關(guān)系設(shè)置為d ^ 2 (a~h) cot 0。
10.一種用于鋁/鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接中的接頭，包括鋁/鋁合金母材和不銹鋼母材，其特征在于在所述不銹鋼母材的焊接面上具有Ni-Cu鍍層，所述Ni-Cu鍍層的厚度為100 u m-200 u m。
全文摘要
本發(fā)明提供的一種適用于鋁合金和不銹鋼連接的反應(yīng)攪拌摩擦焊接方法，在不銹鋼母材的焊接面上形成Ni-Cu鍍層后，在攪拌摩擦作用下，在層界面處形成了金屬鍵或較強(qiáng)的化合鍵，使各層介質(zhì)之間有較強(qiáng)的結(jié)合力，提高了連接面的強(qiáng)度；同時(shí)，通過阻隔延遲效應(yīng)限制了鋁合金和/銹鋼異種材料間Al13Fe4、AlFe、AlFe3等脆性化合物的生成量，從而提高了連接面塑性；另外，采用攪拌摩擦反應(yīng)焊接方式，不需要母材的熔化，不存在熔化缺陷、焊接熱裂傾向和組織熱影響區(qū)，連接接頭質(zhì)量及其穩(wěn)定性較好。
文檔編號(hào)B23K20/16GK102794561SQ20121030677
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者張華 , 馬芳芳, 吳會(huì)強(qiáng), 黃繼華, 趙興科, 陳樹海 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)