[发明专利]一种基于铝中间层的镁/钢异种材料搅拌摩擦焊搭接方法

说明书

本发明公开了一种基于铝中间层的镁/钢异种材料搅拌摩擦焊搭接方法；具体为通过在镁/钢板中间加入铝中间层或镁铝混合中间层，然后进行搅拌摩擦焊搭接。能够有效提高异种材料的搅拌摩擦焊接头质量及焊接可靠性，工艺简单，效果良好，经济实用，有效拓展了搅拌摩擦焊的应用范围。铝中间层的加入方式可以是在钢板表面冷喷涂铝、钢板表面热浸镀铝、搅拌摩擦加工加入铝或直接在焊接时在镁/钢两板中间加入铝箔。

技术领域

本发明涉及一种材料连接方法，尤其涉及一种基于铝中间层的镁/钢异种材料搅拌摩擦焊搭接方法。

背景技术

镁合金是最轻的金属工程结构材料之一，其具有密度低、比强度高、比刚度高、减震性好等优点，可以满足汽车、航空和电子等领域对轻质高强高塑性结构材料的迫切需求。镁、钢材料的混合使用可有效减轻车身重量，为汽车工业发展提供了更多的机遇，然而也对车身制造技术，尤其是两者的连接技术提出了巨大挑战。钢是目前最常见的工程材料，实现镁钢之间的有效连接是镁合金大规模应用亟待解决的工程问题之一。

镁钢焊接的主要问题是：镁钢在晶体结构、熔沸点、热导率、热膨胀系数等各个方面存在诸多不同，两者难以同时达到熔融状态。此外，Mg、Fe两者几乎互不固溶，且没有中间相，没有发生冶金结合的基础，在焊接过程中存在合金元素烧损、接头氧化夹杂严重、接头微观组织粗大、镁合金气化损失严重等问题。

搅拌摩擦焊则在镁钢焊接中具有较多优势。搅拌摩擦焊是指利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑性化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。搅拌摩擦焊具有热输入量低、显微组织变化小、残余应力比较低、焊接工件不易变形、无需添加焊丝、不需要保护气体、成本低等优点，针对轻合金焊接，特别是异种材料连接具有独特优势。但普通的搅拌摩擦焊方法对于镁钢之间没有冶金结合的问题并没有解决，使得接头强度较低。

通过对现有专利文献的检索发现，申请号为CN200910188301的发明专利公开了一种镁合金与钢的焊接方法，是在镁合金和钢之间预置0.05mm-0.3mm厚的镍合金片或铜合金片，用激光-电弧复合焊接方法进行点焊或连续焊接。由于该在先专利中使用的为熔化焊方法，因此在焊接过程中，中间层和母材均处于液态，其中间层本身在焊接后会完全消失。正如其所述，焊后中间层金属元素在镁中形成了金属间化合物，在钢中形成了铜/镍与铁的固溶体，并不会实现钢-铜/镍-镁的三明治结构，对于接头冶金结合的提升有限。此外，由于热输入量大，在熔化焊中很难控制金属间化合物层的厚度，这同样不利于接头强度的提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于铝中间层的镁/钢异种材料搅拌摩擦焊搭接方法，以实现较高接头强度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种基于铝中间层的镁/钢异种材料搅拌摩擦焊搭接方法，在镁板和钢板的焊接面之间设置铝中间层或镁铝混合中间层，然后进行搅拌摩擦焊搭接。

进一步的，所述钢板包括普通低碳钢和低合金钢；所述镁板包括纯镁或镁合金。

进一步的，所述铝中间层或镁铝混合中间层的厚度为1～30μm。中间层厚度之所以设置为1～30μm是由于，如果厚度太小，一方面不易加工，另一方面无法提供足够多的铝作为中间元素，很容易出现铝元素全部固溶到镁侧的现象。如果厚度太大，一方面加入过多的铝对接头性能没有提升，因为中间层的目的是形成镁-铝-钢的冶金结合，只要中间层厚度足够形成这种接头形式，加入再多的铝只会增加成本；另一方面，过于厚的铝会使得焊接变成三种金属的焊接，由于热膨胀系数的不同，会给接头带来更大的应力集中，甚至可能出现裂纹。

进一步的，焊接时镁板在上、钢板在下。

进一步的，所述搅拌摩擦焊包括：搅拌摩擦焊搭接点焊、搅拌摩擦焊搭接线焊、双轴肩搅拌摩擦焊、静轴肩搅拌摩擦焊。