一种用于钢‑铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法

摘要

本发明公开了一种用于钢‑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。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢-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。

背景技术

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；另一种是德国发明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。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明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，采用本发明的技术方案，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，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种用于钢-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

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种用于钢-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)本发明的一种用于钢-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)本发明的一种用于钢-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)本发明的一种用于钢-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)本发明的一种用于钢-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很短搅拌针的搅拌头，短搅拌针主要是便于观察对准被焊点，摩擦工具制作简单方便，可重复使用，焊接时接触面积大，可减少母材对搅拌头的磨损，并且在高速旋转的搅拌头与被焊钢板上表面摩擦产生较多的热量；

(6)本发明的一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，其一方面使附近材料达到塑性状态，焊接中使塑性材料沿焊缝垂直方向相互搅拌、混合，焊缝区塑性材料承受巨大的顶锻压力，使焊缝区发生再结晶的晶粒来不及长大，焊后就形成等轴、细小的晶粒而形成固相焊接，另一方面使钎料熔化，熔化的钎料在钢-铝的间隙中润湿、毛细流动、填充、铺展，与母材形成冶金结合；

(7)本发明的一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，其钢板与铝板之间预置有钎料和钎剂，在焊接中，钎剂先于钎料熔化，在前期打磨去掉铝合金表面氧化物的基础上进一步通过酸碱中和反应来去掉剩余的氧化物，同时利用热致搅拌摩擦点焊的机械作用和热作用来清除结合面处的氧化物，故焊接中清除焊接处的氧化物比较彻底；有利于熔化的钎料能够湿润新鲜的母材表面，容易在母材表面铺展；

(8)本发明的一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，其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，以便能够获得洁净的界面，为焊接做准备。

附图说明

图1为本发明的一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法中钢板、钎料、铝板以及摩擦工具的连接关系图。

示意图中的标号说明：1、搅拌头；2、钢板；3、钎料；4、铝板。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

结合1，本实施例的一种用于钢-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；以便能够获得洁净的界面，为焊接做准备；本实施例中钢板2为1mm的DP590的汽车用镀锌双相钢板，铝板4为2mm的6061；

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，由于钢-铝两种金属的线膨胀系数相差较大，为了防止产生较大的变形，因此分别在钢板2与铝板4的四个角上和钢板2与铝板4搭接接头处均固定；钎料3为铝锌钎料或铝硅钎料均可，钎料3呈片状或膏状，本实施例中钎料3呈片状，钎料3为铝锌钎料，其熔点为575℃～585℃，其熔点都低于钢板和铝板的，钢板2在上，铝板4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，有利于在有限的摩擦热作用下被加热熔化，以保证焊接质量；在焊接中，钎剂先于钎料熔化，在前期打磨去掉铝合金表面氧化物的基础上进一步通过酸碱中和反应来去掉剩余的氧化物，同时利用热致搅拌摩擦点焊的机械作用和热作用来清除结合面处的氧化物，故焊接中清除焊接处的氧化物比较彻底；有利于熔化的钎料能够湿润新鲜的母材表面，容易在母材表面铺展；

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；摩擦工具的搅拌头1为带有很短搅拌针的搅拌头，该摩擦工具的搅拌头1为带1～2mm搅拌针的搅拌头，摩擦工具的搅拌头呈柱状，带有较短针的搅拌头可以消除匙孔，由于直径增大有利于提高摩擦热，减少搅拌头的磨损，搅拌头1采用45调质钢制成，且搅拌头1的端部直径为39mm，短搅拌针主要是便于观察对准被焊点，摩擦工具制作简单方便，可重复使用，焊接时接触面积大，可减少母材对搅拌头的磨损，并且在高速旋转的搅拌头与被焊钢板上表面摩擦产生较多的热量；

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，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；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，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；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，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；本实施例中搅拌头1的旋转速度为1000r/min～1500r/min，搅拌头1的向下压的深度为0.1～0.3mm，搅拌头1停留的时间为60s～120s；

为了研究钢铝搅拌摩擦点钎焊的焊接性能，采用自行设计的搅拌摩擦点钎焊对钢铝进行正交试验，固定其它参数，变动三个主要的工艺参数，即搅拌头旋转速度、搅拌头压入深度及停留时间，见表1所示，在前期焊接工艺试验的基础上，采用三因素三水平进行正交试验；见表2所示，为正交试验；见表3所示，不同因素对剪切强度的影响(极差分析结果表)。

表1正交试验因素水平表

表2正交试验结果

表2为正交试验结果，由结果可知，搅拌头旋转速度为1000r/min，搅拌头压入深度为0.2mm，停留时间为90s时，接头的抗剪载荷可达到13.239KN，据目前文献资料可知，其最高抗剪载荷均高于不加钎料情况下的最高抗剪载荷，最大拉伸强度达到了189.14MPa，从而证实了这种新型连接方法的可靠性及牢固性。

表3不同因素对剪切强度的影响(极差分析结果表)

表3为不同因素对剪切强度的影响(极差分析结果)可知：由于R_A＝3.285>R_B＝1.603>R_C＝0.882，故搅拌头1旋转速度对接头的抗剪载荷影响最大，其次为搅拌头停留时间，最小的是压入深度。

由上述试验结果表明，添加钎料的搅拌摩擦点焊相比传统的不加钎料的，在合理的工艺参数的情况下，可以显著的提高钢铝搭接件的抗剪强度。

本发明的一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法，一方面使附近材料达到塑性状态，焊接中使塑性材料沿焊缝垂直方向相互搅拌、混合，焊缝区塑性材料承受巨大的顶锻压力，使焊缝区发生再结晶的晶粒来不及长大，焊后就形成等轴、细小的晶粒而形成固相焊接，另一方面使钎料熔化，熔化的钎料在钢-铝的间隙中润湿、毛细流动、填充、铺展，与母材形成冶金结合。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。