一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法技术

本发明专利技术公开了一种用于钢‑铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，其采用钢板上铝板下的搭接形式设置，并在钢板与铝板之间设置钎料和位于钎料下方并涂在钎料上，将柱状的搅拌头设置在钢板上方，控制搅拌头旋转并向下压，使得钢板、铝板以及钎料三者间连接牢固。本发明专利技术操作方便，既利用了摩擦焊效果，又利用了钎焊的效果，还有利于减少对搅拌头的磨损。

A steel aluminum dissimilar metal heat caused by friction stir spot brazing method for

The invention discloses a steel aluminum dissimilar metal heat caused by friction stir spot brazing method for aluminum, the set under the lap steel plate, and between the steel plate and the aluminum solder and solder is set below and on the solder, the mixing head is arranged on the top of the column plate, rotating and control downward pressure, making steel, aluminum and solder between the three connection. The invention has the advantages of convenient operation, not only utilizing the effect of friction welding, but also utilizing the effect of brazing, and also reducing the abrasion of the stirring head.

【技术实现步骤摘要】
一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法
本专利技术涉及一种钢-铝异种金属焊接方法，更具体地说，涉及一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法。
技术介绍
轻量化是汽车车身制造未来发展的必然趋势，钢-铝异种金属连接能发挥两种材料各自的优势，减轻重量，在汽车、航空工业等具有良好的应用前景，然而钢-铝轻量化车身会带来一系列异种材料可靠连接难题，分述如下。首先，传统的钢质汽车车身材料大都具有良好的焊接性而广泛采用电阻点焊，但由于钢、铝两种材料热物理性差异较大，难以在板间形成熔核，且易形成硬而脆的金属间化合物，难以保证接头强度。另外，铝合金表面存在氧化层和较高的导电性，电阻点焊存在能耗大、焊接质量不稳定的缺点，所以电阻点焊已不适用于连接钢-铝混合车身，必须开发新型连接工艺以满足钢-铝间的可靠连接要求[1-4]。其次，由于钢-铝间的电极电位相差较大，且铝的电极电位更负，因此，与传统的全钢焊接车身相比，钢-铝混合车身接头还存在着电偶腐蚀问题[5-6]。最后，钢和铝的热膨胀系数相差较大，它们之间连接存在热致变形不协调问题，容易引起内应力以及装配失效，需要研究新型的热致变形协调连接技术来保证连接部位的内应力与装配协调。目前两种搅拌摩擦点焊技术。一种是日本的固定搅拌工具的摩擦点焊方法，搅拌头与轴肩固定为整体，在形成的点焊缝中心存在一种退出凹坑；另一种是德国专利技术的原位回填式搅拌摩擦点焊，采用分离的搅拌头和搅拌工具轴肩，通过控制搅拌头和搅拌工具肩部的相对运动，在搅拌头回撤的同时填充搅拌头，采用这种方法焊接后点焊缝平整，焊点中心没有凹坑。张如星等[7]针对2mmL2024铝合金和4mm的低碳钢采用攻螺纹搅拌摩擦点焊的方法进行试验，测试不同参数下接头的抗剪力，研究了焊接工艺参数对焊点抗剪力的影响。试验中焊前需要在钢板上“预先钻孔”，把铝合金置于孔上面，采用“无针式”柱状搅拌头，利用搅拌头轴肩与铝合金的摩擦热使上板温度升高并软化，同时在搅拌头下压过程中，将高温、塑化的材料嵌入钢板上预先钻好的孔内，实现固相连接。这种点焊模式是避免了直接在钢板上进行搅拌摩擦，而仅仅使塑性好的铝合金嵌入到钢中的孔内，但其缺点就是要钻孔，搭接接头表面会留下深度较大的孔洞，影响表面美观，还会减少剪切强度。王希靖等[8]对3mm的6061-T6变形铝合金和1mm的DP600镀锌钢板展开了无匙孔搅拌摩擦点焊的研究，采用钢上铝下的搭接形式，利用可回抽搅拌摩擦点焊设备，对其焊接性进行了分析，进行了正交试验。这种点焊模式利用摩擦热来进行钢铝的连接，能达到冶金结合，其不足之处断裂时为脆性断裂，接头抗剪载荷低。由此可见，钢-铝混合车身的应用会带来异种金属间的连接强度、接头匹配、电偶腐蚀及热致变形不协调等突出问题。对于在成本约束下进一步降低车身重量的汽车工业而言，这些都是亟待解决的问题。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题本专利技术的目的在于克服现有技术中用于钢-铝异种金属搅拌摩擦点焊方法存在的两项技术难题：一是搅拌工具磨损严重的问题，钢材由于熔点较高，硬度大，对搅拌针有强烈的磨损作用，降低功效与工具寿命；二是钢-铝之间物理性能差异较大、热致变形不协调问题，影响接头力学性能的不足，提供了一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，采用本专利技术的技术方案，操作方便，既利用了摩擦焊效果，又利用了钎焊的效果，还有利于减少对搅拌头的磨损。2.技术方案为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：本专利技术的一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，其步骤为：1)将铝板被焊的搭接面用砂轮机打磨，铝板表面氧化膜打磨完毕后用丙酮对表面进行清洗；将钢板被焊的搭接面用400-600#砂纸打磨，打磨完毕后用丙酮对表面进行清洗；2)将经步骤1)处理后的钢板设于铝板上方并以搭接形式水平固设于工作平台上，钢板与铝板之间预置有钎料和位于钎料下方并涂在钎料上的钎剂，并使用夹具将钢板与铝板搭接接头夹紧；3)将摩擦工具设置于铝板与钢板搭接处的上方，并使得摩擦工具的搅拌头中心轴垂直于铝板及钢板；4)控制摩擦工具的搅拌头缓慢向下压，直到摩擦工具的搅拌头端部与钢板的上表面接触时停止下压；5)控制摩擦工具的搅拌头旋转工作，使得摩擦工具的搅拌头在钢板的上表面上原地摩擦，同时打开压缩空气开关，对摩擦工具的搅拌头端部吹风进行冷却，然后控制摩擦工具的搅拌头缓慢向下压，使得搅拌头边摩擦边向下压，在压下一定深度后，保持搅拌头停留一段时间，当观察到搅拌头及焊接区域变红后，并持续适当时间后结束焊接；6)焊接结束后，立即切断电源，搅拌头停止旋转并同时向上抬，使摩擦工具撤退。更进一步地，所述的步骤1)中钢板为1mm的DP590的汽车用镀锌双相钢板，铝板为2mm的6061铝板。更进一步地，所述的步骤2)中钎料为铝锌钎料或铝硅钎料，钎料呈片状或膏状。更进一步地，所述的步骤3)中摩擦工具的搅拌头为带有很短搅拌针的搅拌头，摩擦工具的搅拌头呈柱状，搅拌头采用45调质钢制成，且搅拌头的端部直径为39mm。更进一步地，所述的步骤5)中搅拌头的旋转速度为1000r/min～1500r/min，搅拌头的向下压的深度为0.1～0.3mm，搅拌头停留的时间为60s～120s。3.有益效果采用本专利技术提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：(1)本专利技术的一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，其钢板设于铝板上方并以搭接形式水平固设于工作平台上，钢板在上，铝板在下，即采用屈服强度较高的板材在上，有利于产生较高的摩擦热，以便软化钢材和传递足够的热量给导热性良好的铝合金，以保证焊接质量；(2)本专利技术的一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，其控制摩擦工具的搅拌头旋转工作，使得摩擦工具的搅拌头在钢板的上表面上原地摩擦，然后控制摩擦工具的搅拌头缓慢向下压，使得搅拌头边摩擦边向下压，利用摩擦工具的搅拌头与钢板之间产生的摩擦热不仅使钎料熔化，并且能软化钢板周围材料，有利于向下施加顶锻压力，有利于保证焊接质量，熔化的钎料充分湿润铝板与钢板之间的界面，以获得良好的界面接合，多余的钎料在摩擦工具的搅拌头向下压过程中被挤出，从而形成薄而致密的钎缝；(3)本专利技术的一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，其控制摩擦工具的搅拌头旋转工作，使得摩擦工具的搅拌头在钢板的上表面上原地摩擦，同时打开压缩空气开关，对摩擦工具的搅拌头端部吹风进行冷却，防止摩擦热温度升高过快，防止在点焊处出现粘性物(粘性物是搅拌头上的塑性粘性物)，减少对摩擦工具的搅拌头的磨损；(4)本专利技术的一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，其由于摩擦工具的搅拌头的高速旋转及缓慢向下压，使搅拌头周围产生高温摩擦热，并对铝板、钎料及钢板均产生挤压作用，使铝板、钎料及钢板三者均产生塑性流动，在压下一定深度后，在保持搅拌头停留一段时间内高温摩擦热与塑性流动相互作用，其结果是在搅拌头周围形成的一种圆环状搅拌区域与在铝板、钎料及钢板三者间发生重结晶区域中产生冶金连接，直接反应为观察到搅拌头及焊接区域变红，而在观察到搅拌头及焊接区域变红后持续适当时间后才结束焊接，可以使得铝板、钎料及钢板三者间连接进一步稳固；(5)本专利技术的一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，其摩擦工具的搅拌头为带有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于钢‑铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，其步骤为：1)将铝板(4)被焊的搭接面用砂轮机打磨，铝板(4)表面氧化膜打磨完毕后用丙酮对表面进行清洗；将钢板(2)被焊的搭接面用400‑600#砂纸打磨，打磨完毕后用丙酮对表面进行清洗；2)将经步骤1)处理后的钢板(2)设于铝板(4)上方并以搭接形式水平固设于工作平台上，钢板(2)与铝板(4)之间预置有钎料(3)和位于钎料(3)下方并涂在钎料上的钎剂，并使用夹具将钢板(2)与铝板(4)搭接接头夹紧；3)将摩擦工具设置于铝板(4)与钢板(2)搭接处的上方，并使得摩擦工具的搅拌头中心轴垂直于铝板(4)及钢板(2)；4)控制摩擦工具的搅拌头(1)缓慢向下压，直到摩擦工具的搅拌头(1)端部与钢板(2)的上表面接触时停止下压；5)控制摩擦工具的搅拌头(1)旋转工作，使得摩擦工具的搅拌头(1)在钢板(2)的上表面上原地摩擦，同时打开压缩空气开关，对摩擦工具的搅拌头(1)端部吹风进行冷却，然后控制摩擦工具的搅拌头(1)缓慢向下压，使得搅拌头(1)边摩擦边向下压，在压下一定深度后，保持搅拌头(1)停留一段时间，当观察到搅拌头及焊接区域变红后，并持续适当时间后结束焊接；6)焊接结束后，立即切断电源，搅拌头(1)停止旋转并同时向上抬，使摩擦工具撤退。...

【技术特征摘要】
1.一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，其步骤为：1)将铝板(4)被焊的搭接面用砂轮机打磨，铝板(4)表面氧化膜打磨完毕后用丙酮对表面进行清洗；将钢板(2)被焊的搭接面用400-600#砂纸打磨，打磨完毕后用丙酮对表面进行清洗；2)将经步骤1)处理后的钢板(2)设于铝板(4)上方并以搭接形式水平固设于工作平台上，钢板(2)与铝板(4)之间预置有钎料(3)和位于钎料(3)下方并涂在钎料上的钎剂，并使用夹具将钢板(2)与铝板(4)搭接接头夹紧；3)将摩擦工具设置于铝板(4)与钢板(2)搭接处的上方，并使得摩擦工具的搅拌头中心轴垂直于铝板(4)及钢板(2)；4)控制摩擦工具的搅拌头(1)缓慢向下压，直到摩擦工具的搅拌头(1)端部与钢板(2)的上表面接触时停止下压；5)控制摩擦工具的搅拌头(1)旋转工作，使得摩擦工具的搅拌头(1)在钢板(2)的上表面上原地摩擦，同时打开压缩空气开关，对摩擦工具的搅拌头(1)端部吹风进行冷却，然后控制摩擦工具的搅拌头(1)缓慢向下压，使得搅拌头(1)边摩擦边向下压，在压下一定深度后，保持搅拌头(1)停留一段时间，当...

【专利技术属性】
技术研发人员：张书权，曹霞，栗慧，姚君山，胥凯，李国强，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32