[发明专利]铆钉式机械连接辅助铝/钢异种材料搅拌摩擦搭接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械连接辅助搅拌摩擦焊方法，具体涉及一种用于铝/钢异种材料搭接的铆钉式机械连接辅助搅拌摩擦焊方法。

背景技术

环境保护问题越来越受到世界各国的重视，在汽车制造业，汽车的轻量化制造能降低能耗，减少有害气体排放，保护环境。铝及其合金质量轻，比强度大，耐腐蚀、导热导电性能好，因此采用铝/钢异种金属复合结构能够满足结构性能和轻量化设计的双重技术要求。在航空航天、交通运输、船舶制造等工业中，为了减轻重量、节约能源、降低成本、满足不同的工作条件，异种材料的焊接技术日益受到人们的重视。例如在现代舰船的建造上，可采用铝合金制造上层建筑，用钢制造舰体。但是这些必然涉及到铝/钢的连接问题。从21世纪初开始，许多国内外汽车生产厂家和研究机构不断地在寻找能够实现铝/钢异种金属之间有效连接的焊接方法。铝/钢的压焊对工件的尺寸和形状有特殊的要求，不适于大批量生产，钎焊的方法效率较低，另外，铝和钢之间的固溶度较低、热物理性能差异较大，在熔焊过程中两者极易反应生成脆性的金属间化合物，消弱铝/钢异种接头的承载能力。

发明内容

本发明为解决现有的铝/钢异种金属之间连接采用钎焊或熔焊过程中两者易反应生成脆性的金属间化合物，以及搅拌摩擦焊搭接过程中接头承载面积小，消弱铝/钢异种接头承载能力的问题，提供了一种铆钉式机械连接辅助铝/钢异种材料搅拌摩擦搭接方法。

本发明的铆钉式机械连接辅助铝/钢异种材料搅拌摩擦搭接方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、确定钢板与铝板接头的搭接宽度B，在钢板的搭接宽度B上确定纵向中心线，沿纵向中心线钻一排预钻孔，每个预钻孔的直径d为1mm～5mm，相邻两个预钻孔的间距为(d+xd)mm，x为间距系数，其x取值为0～2；

步骤二、将钢板和铝板的接触表面及周围20mm～30mm范围内清理干净，去除钢板和铝板表面氧化物；

步骤三、采用有机溶剂或清洗剂擦拭钢板与铝板的表面，去除油污和粉尘等杂物；

步骤四、按铝板在上、钢板在下的搭接方式搭接，用夹具将铝板和钢板固定，选取焊接参数范围为：搅拌针压入钢板的深度t为-0.2mm～0.5mm，焊接速度50mm/min～1000mm/min、转速200r/min～1500r/min，搅拌针的倾斜角度0～5°，进行搅拌摩擦焊，焊接过程中，使搅拌针扎入铝板，并始终保持在钢板上表面以上，搅拌头与铝板摩擦，软化的铝向下流动填充钢板上的预钻孔，形成铆钉式的连接结构，从而获得到经机械连接强化的铝/钢搅拌摩擦搭接接头。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明的铝/钢异种材料机械连接强化搅拌摩擦搭接方法，是通过钢板与铝板搭接部分的中心线上的一排预钻孔，在焊接过程中，一方面，铝和钢接触界面在热力耦合作用下发生原子扩散，形成冶金结合，另一方面，在搅拌头与铝板摩擦和铝板塑性变形产热，以及搅拌头下压的作用下，软化的铝向下流动填充钢板上的预钻孔，形成铆钉式连接的结构，从而实现机械连接，最终，得到经机械连接强化的铝/钢搅拌摩擦搭接接头。排孔的设计起到槽的作用，而且弱化了为实现机械连接强化而在钢板上预开槽对基体承载能力弱化的影响。

二、搅拌摩擦焊是一种固相连接方法，其焊接的变形小、残余应力小，接头质量好，应用在铝/钢异种金属连接，使得铝/钢异种接头承载能力增强。

三、焊接过程中，搅拌针可以不接触钢板，减少了焊具的磨损。

四、本发明的方法适于大批量生产。

附图说明

图1是铆钉式机械连接辅助铝/钢异种材料搅拌摩擦焊搭接过程示意图；

图2是在钢板1的搭接宽度B上沿纵向中心线N-N钻一排预钻孔1-1的示意图；

图3是图1的A-A截面示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：

步骤一、确定钢板1与铝板2接头的搭接宽度B，在钢板1的搭接宽度B上确定纵向中心线N-N，沿纵向中心线N-N钻一排预钻孔1-1，每个预钻孔1-1的直径d为1mm～5mm，相邻两个预钻孔1-1的间距为(d+xd)mm，x为间距系数，其x取值为0～2；

步骤二、将钢板1和铝板2的接触表面及周围20mm～30mm范围内清理干净，去除钢板1和铝板2表面氧化物；

步骤三、采用有机溶剂或清洗剂擦拭钢板1与铝板2的表面，去除油污和粉尘等杂物；