摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法
【專利摘要】摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法，以解決現(xiàn)有輕鋁/鋼異種材料攪拌摩擦搭接時，攪拌針扎入鋼板導(dǎo)致焊具磨損嚴(yán)重的問題，方法：一、在鋼板1上搭接部分的中心線處開設(shè)方形槽；二、將待焊鋼板和鋁板的接觸表面及周圍清理干凈；三、采用有機(jī)溶劑擦拭鋼板和鋁板的表面；四、將方形槽中均勻填滿混合物；五、鋁板在上、鋼板在下的搭接形式組合并裝卡；六、對鋼板與鋁板進(jìn)行攪拌摩擦焊：攪拌頭的軸肩與鋁板摩擦及鋁板塑性變形產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至混合物處，引燃火藥并觸發(fā)鋁末和Fe2O3發(fā)生鋁熱反應(yīng)，火藥燃燒及鋁熱反應(yīng)從一端迅速蔓延至另一端，使鋼板軟化，鋁熱反應(yīng)產(chǎn)物中Fe下沉至方形槽的槽底與鋼結(jié)合。本發(fā)明用于異種材料攪拌摩擦搭接。
【專利說明】
摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于鋁/鋼異種材料的攪拌摩擦焊方法，具體涉及一種摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)境保護(hù)問題越來越受到世界各國的重視，在汽車制造業(yè)，汽車的輕量化制造能降低能耗，減少有害氣體排放，保護(hù)環(huán)境。鋁及其合金質(zhì)量輕，強(qiáng)度大，耐腐蝕、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好，而鋼的綜合力學(xué)性能優(yōu)越，因此采用鋁/鋼異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠滿足結(jié)構(gòu)性能和輕量化設(shè)計(jì)的雙重技術(shù)要求。在航空航天、交通運(yùn)輸、船舶制造等工業(yè)中，為了減輕重量、節(jié)約能源、降低成本、滿足不同的工作條件，異種材料的焊接技術(shù)日益受到人們的重視。例如在現(xiàn)代艦船的建造上，可采用鋁合金制造上層建筑，用鋼制造艦體。但是這些必然涉及到鋁/鋼的連接問題。從21世紀(jì)初開始，許多國內(nèi)外汽車生產(chǎn)廠家和研究機(jī)構(gòu)不斷地在尋找能夠?qū)崿F(xiàn)鋁/鋼異種金屬之間有效連接的方法。鋁/鋼的壓焊對工件的尺寸和形狀有特殊的要求，不適于大批量生產(chǎn)，釬焊的方法效率較低，另外，鋁和鋼之間的固溶度較小、熱物理性能差異較大，在熔焊過程中兩者極易反應(yīng)生成脆性的金屬間化合物，消弱了鋁/鋼異種材料連接接頭的承載能力。攪拌摩擦焊是一種固相連接方法，其焊接的變形小、殘余應(yīng)力小，接頭質(zhì)量好，在鋁/鋼異種金屬連接方面占有一定的優(yōu)勢。在鋁/鋼異種材料的攪拌摩擦搭接過程中，由于鋼硬度大，熔點(diǎn)高，對焊具材料的耐高溫和耐磨損性能要求高，為減少焊具的磨損，一般采用鋁板在上，鋼板在下的搭接模式。而為實(shí)現(xiàn)鋁/鋼的有效連接，在焊接過程中往往需將焊具扎入鋼板一定深度，這將增加焊具的磨損。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有輕鋁/鋼異種材料攪拌摩擦搭接時，攪拌針扎入鋼板導(dǎo)致焊具磨損嚴(yán)重的問題，而提出一種摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法。
[0004]本發(fā)明的摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法，所述方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0005]步驟一、確定鋼板和鋁板接頭的搭接面積，在鋼板上搭接部分的中心線處開設(shè)方形槽；
[0006]步驟二、將待焊鋼板和招板的接觸表面及周圍20mm?30mm范圍內(nèi)清理干凈；
[0007]步驟三、采用有機(jī)溶劑擦拭機(jī)械處理過的鋼板和鋁板的表面；
[0008]步驟四、將方形槽中均勻填滿一定比例的粉狀Fe203、鋁末及粉狀火藥的混合物；
[0009]步驟五、將處理好的鋼板和鋁板按照鋁板在上、鋼板在下的搭接形式組合，并裝卡固定好；
[0010]步驟六、對鋼板與鋁板進(jìn)行攪拌摩擦焊:選取適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)進(jìn)行攪拌摩擦焊，焊接過程中，使攪拌針的端部始終保持在方形槽上表面以下深度，攪拌頭的軸肩與鋁板摩擦及鋁板塑性變形產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至混合物處，引燃火藥并觸發(fā)鋁末和Fe2O3發(fā)生鋁熱反應(yīng)，火藥燃燒及鋁熱反應(yīng)從一端迅速蔓延至另一端，使得鋼板軟化，鋁熱反應(yīng)產(chǎn)物中的Fe下沉至方形槽的槽底與鋼結(jié)合，隨著攪拌頭向前行進(jìn)，在熱機(jī)耦合作用下，鋁板材料處于微熔狀態(tài)，向下流動填充空隙并與鋼板結(jié)合，從而獲得鋁/鋼攪拌摩擦搭接接頭。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:
[0012]—、本發(fā)明是摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法，火藥燃燒及鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量對材料具有預(yù)熱作用，可增加有效搭接面積，同時使得鋼板軟化，相對普通的鋁/鋼攪拌摩擦搭接來說減少了焊具的磨損。
[0013]二、大部分鋁熱反應(yīng)產(chǎn)物比較細(xì)小，而一些聚集成塊的反應(yīng)產(chǎn)物在攪拌針的劇烈攪拌作用下會被打碎，起到彌散強(qiáng)化的作用，使接頭性能得到提高。
[0014]三、鋁熱反應(yīng)后接頭區(qū)比較酥松，存在孔洞等缺陷，攪拌頭的下壓鍛造作用，壓實(shí)了接頭區(qū)，消除了接頭組織酥松及孔洞等缺陷，使接頭強(qiáng)度得到提高。
[0015]四、隨著攪拌頭向前行進(jìn)，在熱機(jī)耦合作用下，鋁板材料處于微熔狀態(tài)，向下流動填充空隙，同時實(shí)現(xiàn)了鋁和鋼的機(jī)械連接和冶金連接。
[0016]五、相對鋁/鋼異種材料的熔焊來說，本發(fā)明提供的方法能避免接頭界面區(qū)產(chǎn)生連續(xù)的鋁/鋼金屬間化合物。
【附圖說明】
[0017]圖1是步驟一中在鋼板I上搭接部分的中心線處開設(shè)方形槽1-1的示意圖；
[0018]圖2是步驟六中攪拌針4的端部始終保持在方形槽1-1上表面以下深度的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0020]步驟一、確定鋼板I和鋁板2接頭的搭接面積，在鋼板I上搭接部分的中心線處開設(shè)方形槽1-1;
[0021 ] 步驟二、將待焊鋼板I和鋁板2的接觸表面及周圍20mm?30mm范圍內(nèi)清理干凈，去除鋼板I和鋁板2表面氧化物；
[0022]步驟三、采用有機(jī)溶劑擦拭機(jī)械處理過的鋼板I和鋁板2的表面，去除油污和粉塵等雜物；
[0023]步驟四、將方形槽1-1中均勻填滿一定比例的粉狀Fe203、鋁末及粉狀火藥的混合物3;
[0024]步驟五、將處理好的鋼板I和鋁板2按照鋁板2在上、鋼板I在下的搭接形式組合，并裝卡固定好；
[0025]步驟六、對鋼板I與鋁板2進(jìn)行攪拌摩擦焊:選取適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)進(jìn)行攪拌摩擦焊，焊接過程中，使攪拌針4的端部始終保持在方形槽1-1上表面以下深度，攪拌頭5的軸肩與鋁板2摩擦及鋁板2塑性變形產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至混合物3處，引燃火藥并觸發(fā)鋁末和Fe2O3發(fā)生鋁熱反應(yīng)，火藥燃燒及鋁熱反應(yīng)從一端迅速蔓延至另一端，產(chǎn)生的熱量對鋼板I具有預(yù)熱作用，使得鋼板I軟化，鋁熱反應(yīng)產(chǎn)物中的Fe下沉至方形槽1-1的槽底與鋼結(jié)合，隨著攪拌頭5向前行進(jìn)，在熱機(jī)耦合作用下，鋁板2材料處于微熔狀態(tài)，向下流動填充空隙并與鋼板I結(jié)合，從而獲得鋁/鋼攪拌摩擦搭接接頭。大部分鋁熱反應(yīng)產(chǎn)物比較細(xì)小，而一些聚集成塊的反應(yīng)產(chǎn)物在攪拌針的劇烈攪拌作用下會被打碎，起到彌散強(qiáng)化的作用，使接頭性能得到提尚O
[0026]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是步驟一中的鋼板I為普通低碳鋼或低合金鋼，鋁板2為純鋁或鋁合金。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】三:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是步驟一中的方形槽1-1的槽深為0.1mm?0.3_、槽寬大于攪拌針4的直徑Imm?2_。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】四:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是步驟一中的方形槽1-1的槽深為0.2mm、槽寬大于攪拌針4的直徑1.5_。其它步驟與【具體實(shí)施方式】三相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】五:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是步驟二中采用電動鋼絲刷或砂布去除試件表面的氧化物。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】六:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是步驟三中有機(jī)溶劑為酒精或丙酮。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】七:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是步驟四中混合物3中的粉狀Fe2O3與鋁末質(zhì)量比為3:2.5，火藥所占混合物3的比例彡10%，其中粉狀Fe2O3為純度彡99.0%的分析純Fe2O3,鋁末為經(jīng)銑削剝離后捻碎的金屬顆粒，顆粒尺寸小于ΙΟμπι，火藥按照質(zhì)量百分含量由75%硝酸鉀、15%木炭和10%硫磺組成。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】八:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是步驟六中攪拌頭5的材質(zhì)為鎳基合金、碳化鎢鈷合金或多晶立方氮化硼等。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0033]【具體實(shí)施方式】九:結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是步驟六中的攪拌頭5扎入速度為4mm/min?6mm/min，攪拌頭5扎入到深度H為h+(0.05mm?0.2mm)處時，h為招板2的厚度，停留2s?10s，待攪拌頭5與鋁板2摩擦及鋁板塑性變形產(chǎn)生的熱量引燃火藥，繼而觸發(fā)鋁熱反應(yīng)。其它步驟與【具體實(shí)施方式】八相同。
[0034]【具體實(shí)施方式】十:結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是步驟六中的攪拌頭5扎入速度為5mm/min，攪拌頭5扎入到深度H為h+0.1mm處時，停留5s，待攪拌頭5與鋁板2摩擦及鋁板塑性變形產(chǎn)生的熱量引燃火藥，繼而觸發(fā)鋁熱反應(yīng)。其它步驟與【具體實(shí)施方式】九相同。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法，其特征在于:所述方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的: 步驟一、確定鋼板(I)和鋁板(2)接頭的搭接面積，在鋼板(I)上搭接部分的中心線處開設(shè)方形槽(1-1); 步驟二、將待焊鋼板(I)和招板(2)的接觸表面及周圍20mm?30mm范圍內(nèi)清理干凈； 步驟三、采用有機(jī)溶劑擦拭機(jī)械處理過的鋼板(I)和鋁板(2)的表面； 步驟四、將方形槽(1-1)中均勻填滿一定比例的粉狀Fe203、鋁末及粉狀火藥的混合物(3)； 步驟五、將處理好的鋼板(I)和鋁板(2)按照鋁板(2)在上、鋼板(I)在下的搭接形式組合，并裝卡固定好； 步驟六、對鋼板(I)與鋁板(2)進(jìn)行攪拌摩擦焊:選取適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)進(jìn)行攪拌摩擦焊，焊接過程中，使攪拌針(4)的端部始終保持在方形槽(1-1)上表面以下深度，攪拌頭(5)的軸肩與鋁板(2)摩擦及鋁板(2)塑性變形產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至混合物(3)處，引燃火藥并觸發(fā)鋁末和Fe2O3發(fā)生鋁熱反應(yīng)，火藥燃燒及鋁熱反應(yīng)從一端迅速蔓延至另一端，使得鋼板(I)軟化，鋁熱反應(yīng)產(chǎn)物中的Fe下沉至方形槽(1-1)的槽底與鋼結(jié)合，隨著攪拌頭(5)向前行進(jìn)，在熱機(jī)耦合作用下，鋁板(2)材料處于微熔狀態(tài)，向下流動填充空隙并與鋼板(I)結(jié)合，從而獲得鋁/鋼攪拌摩擦搭接接頭。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法，其特征在于:所述步驟一中的鋼板(I)為普通低碳鋼或低合金鋼，鋁板(2)為純鋁或鋁合金。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法，其特征在于:所述步驟一中的方形槽(1-1)的槽深為0.1mm?0.3_、槽寬大于攪拌針(4)的直徑Imm?2mm04.根據(jù)權(quán)利要求3所述的摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法，其特征在于:所述步驟一中的方形槽(1-1)的槽深為0.2mm、槽寬大于攪拌針(4)的直徑1.5mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法，其特征在于:所述步驟二中采用電動鋼絲刷或砂布去除試件表面的氧化物。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法，其特征在于:所述步驟三中有機(jī)溶劑為酒精或丙酮。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法，其特征在于:所述步驟四中混合物(3)中的粉狀Fe2O3與鋁末質(zhì)量比為3:2.5，火藥所占混合物(3)的比例< 10 %，其中粉狀Fe2O3為純度多99.0 %的分析純Fe2O3，鋁末為經(jīng)銑削剝離后捻碎的金屬顆粒，顆粒尺寸小于10M1，火藥按照質(zhì)量百分含量由75%硝酸鉀、15%木炭和10%硫磺組成。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法，其特征在于:所述步驟六中攪拌頭(5)的材質(zhì)為鎳基合金、碳化鎢鈷合金或多晶立方氮化硼等。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法，其特征在于:所述步驟六中的攪拌頭(5)扎入速度為4mm/min?6mm/min，攪拌頭(5)扎入到深度H為h+(0.05mm?0.2mm)處時，停留2s?10s，待攪拌頭(5)與鋁板(2)摩擦及鋁板塑性變形產(chǎn)生的熱量引燃火藥，繼而觸發(fā)鋁熱反應(yīng)。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的摩擦形變觸發(fā)自蔓延輔助鋁/鋼攪拌摩擦搭接方法，其特征在于:所述步驟六中的攪拌頭(5)扎入速度為5mm/min，攪拌頭(5)扎入到深度H為h+0.1mm處時，停留5s，待攪拌頭(5)與鋁板(2)摩擦及鋁板塑性變形產(chǎn)生的熱量引燃火藥，繼而觸發(fā)鋁熱反應(yīng)。
【文檔編號】B23K20/12GK105945419SQ201610473297
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】萬龍, 黃體方, 呂宗亮, 王繼超, 謝聿銘, 李旭, 黃永憲
【申請人】哈爾濱萬洲焊接技術(shù)有限公司