本發(fā)明屬于材料工程領(lǐng)域，涉及一種利用攪拌摩擦焊技術(shù)環(huán)縫連接異種材料的方法。
背景技術(shù)：
：中國(guó)是目前世界上最大的CO2排放國(guó)，2014年排放量超過100億噸，約為美國(guó)、歐盟與日本之和。如何降低能源消耗，減少CO2排放量，是世界性的重要課題。在中國(guó)，交通運(yùn)輸占總排放量的6％左右，但是隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，預(yù)期占比將大幅提升至20～30％的發(fā)達(dá)國(guó)家水平。對(duì)于汽車而言，提升其燃油效率的技術(shù)開發(fā)非常重要，車輛輕量化是其中的重要途徑之一。其核心就是在保證汽車安全和性能的同時(shí)，盡可能多的利用輕量材料，如鋁合金，取代或部分取代傳統(tǒng)的鋼鐵材料構(gòu)件。為實(shí)現(xiàn)輕量化的目的，需要可靠的結(jié)合技術(shù)來連接不同的材料，比如Al合金與鋼鐵材料。傳統(tǒng)的金屬材料焊接技術(shù)，譬如熔焊、激光焊、摩擦焊、電阻焊等，在實(shí)驗(yàn)過程中，會(huì)帶來強(qiáng)光、高熱、材料熔化和濺射等問題。摩擦攪拌焊接(FSW)為固相結(jié)合技術(shù)，連接溫度較低(0.7～0.9Tm)，且熱量輸入集中，熱影響區(qū)小，對(duì)基體性能影響很小，接頭處的熱應(yīng)力較小，界面反應(yīng)層厚度一般為傳統(tǒng)熔焊的1/10至1/100。本技術(shù)具有結(jié)合強(qiáng)度高、成本低、能耗低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以連接件的性能優(yōu)于熔接件。FSW最初是為了解決Al合金本身的連接難題，現(xiàn)在已經(jīng)被推廣到Al合金與其他材料的異種材料連接領(lǐng)域。在專利【2009100725043】和【2011103893550】中，涉及了Al合金與高熔點(diǎn)金屬之間的異種金屬焊接，但是未將FSW技術(shù)延伸至3D接頭的場(chǎng)合。專利【2011102932030】中實(shí)現(xiàn)了Al合金同材之間的3D箱體連接，但是該技術(shù)是否適用于Al合金與其他高熔點(diǎn)金屬的焊接，有待考察。本發(fā)明為異種金屬材料Al/Fe棒材、管材或腔體的三維環(huán)狀連接提供解決方案。應(yīng)該指出，與同材連接過程有所不同，在包含鋼鐵材料的異材結(jié)合情況下，低熔點(diǎn)Al合金材料性能劣化、界面反應(yīng)層生長(zhǎng)及界面電化學(xué)腐蝕等仍有待優(yōu)化。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：技術(shù)問題：本發(fā)明針對(duì)汽車輕量化的應(yīng)用需求和連接難題，提供一種攪拌摩擦焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)棒材或管材輕合金和鋼鐵材料之間直接、快速、高強(qiáng)度連接。本技術(shù)可以解決傳統(tǒng)方法存在的諸多問題，如強(qiáng)光、高熱、材料熔化和濺射等。技術(shù)方案：本發(fā)明的一種利用攪拌摩擦焊技術(shù)環(huán)縫連接異種材料的方法包括以下步驟：步驟一：清洗Al合金和鋼材棒材的結(jié)合表面，設(shè)計(jì)Al合金和鋼材接頭，形成對(duì)接或者搭接的環(huán)形焊縫，利用夾具將二者固定于作業(yè)臺(tái)上；步驟二：根據(jù)所需連接材料的不同體系，選擇不同尺寸的工具攪拌頭和工具軸肩，控制高速旋轉(zhuǎn)的工具攪拌頭插入Al合金并調(diào)節(jié)它與鋼材之間的咬合量，工具攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)提供摩擦熱，工具軸肩下壓提供壓力，隨后，利用夾具控制棒材旋轉(zhuǎn)360°，實(shí)現(xiàn)Al合金和鋼材之間連接；步驟三：設(shè)定攪拌摩擦焊接的工藝參數(shù)，工具攪拌頭轉(zhuǎn)速范圍為500rpm～4000rpm，焊接速度范圍為1mm/min～1000mm/min，工具前進(jìn)時(shí)傾斜角為-5°～5°，攪拌頭插入保持時(shí)間為1秒～10秒；通過數(shù)控機(jī)床輸入運(yùn)轉(zhuǎn)指令，自動(dòng)完成環(huán)狀焊縫的連接；焊接完成后進(jìn)行充分的冷卻，即得到Al合金和鋼材的連接件。其中：所述的Al合金和鋼材為棒材，直徑范圍為20mm～100mm，焊縫處厚度范圍為0.5mm～10mm。所述的其中工具攪拌頭的直徑范圍為1mm～10mm；工具軸肩的直徑范圍為10mm～30mm。所述的攪拌摩擦焊接過程中，Al合金片和鋼片連接溫度為300℃～700℃，連接壓力為1.5kN～15.0kN。有益效果：本發(fā)明具有下列優(yōu)勢(shì)：一.無需添加過渡層或預(yù)加工，通過工具攪拌頭提供的摩擦熱以及工具軸肩提供的壓力，實(shí)現(xiàn)Al合金和鋼材的連接。二.攪拌摩擦焊接過程通過數(shù)控機(jī)床程序控制，自動(dòng)化程度高，連接速度快，從而具有較高的生產(chǎn)效率；三.通過改變焊接工藝參數(shù)，可以調(diào)整連接部的溫度和壓力等關(guān)鍵因素，熱量輸入的利用率較高。四.結(jié)合夾具的設(shè)計(jì)和數(shù)控機(jī)床的程序編程，可以實(shí)現(xiàn)Al合金和鋼材之間自動(dòng)化環(huán)縫連接。五.表1本技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較成本能耗生產(chǎn)效率連接件強(qiáng)度FSW○◎◎◎熔焊◎△◎○激光焊△○◎△摩擦焊◎◎△○電阻焊◎△◎△注：◎良好；○中等；△較差。附圖說明圖1是Al合金片A和鋼片B的攪拌摩擦焊對(duì)焊示意圖。圖2是Al合金片A和鋼片B的攪拌摩擦焊搭焊示意圖。圖3按照實(shí)施方案一得到的Al合金片A和鋼片B連接件表面。具體實(shí)施方式本發(fā)明通過下述實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)現(xiàn)輕合金和樹脂基復(fù)合材料的連接：步驟一：清洗Al合金A和鋼材B的結(jié)合表面，設(shè)計(jì)Al片A和鋼片B接頭，形成對(duì)接或者搭接的環(huán)形焊縫，利用夾具將二者固定于作業(yè)臺(tái)上。步驟二：根據(jù)所需連接材料的不同體系，選擇不同尺寸的工具攪拌頭和工具軸肩。控制高速旋轉(zhuǎn)的工具攪拌頭C插入Al片A并調(diào)節(jié)它與鋼片B之間的咬合量，工具攪拌頭C高速旋轉(zhuǎn)提供摩擦熱，工具軸肩D下壓提供壓力。隨后，利用夾具控制棒材旋轉(zhuǎn)360°，實(shí)現(xiàn)Al片A和鋼片B之間連接。步驟三：設(shè)定攪拌摩擦焊接的工藝參數(shù)，工具轉(zhuǎn)速范圍為500rpm～4000rpm，焊接速度范圍為0mm/min～1000mm/min，工具前進(jìn)時(shí)傾斜角為-5°～5°，攪拌頭插入保持時(shí)間為0秒～10秒；通過數(shù)控機(jī)床輸入運(yùn)轉(zhuǎn)指令，自動(dòng)完成環(huán)狀焊縫的連接；焊接完成后進(jìn)行充分的冷卻，即得到Al片A和鋼片B的連接件。下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述：實(shí)施方案一：結(jié)合圖1，本實(shí)施方案步驟如下：步驟一：用酒精清洗直徑為50.0mm、搭接部分厚度為5.0mm的Al合金棒A和S45C鋼棒B，通過接頭設(shè)計(jì)使得Al合金片A與鋼棒B相互咬合，然后利用夾具將二者固定于作業(yè)臺(tái)上。步驟二：控制高速旋轉(zhuǎn)的工具攪拌頭3插入Al片A并調(diào)節(jié)它與鋼片B之間的咬合量，工具攪拌頭C高速旋轉(zhuǎn)提供摩擦熱，工具軸肩D下壓提供壓力。隨后，利用夾具控制棒材旋轉(zhuǎn)360°，實(shí)現(xiàn)Al片A和鋼片B之間連接。其中攪拌頭直徑5.0mm，工具軸肩的直徑為20mm。步驟三：設(shè)定攪拌摩擦焊接的工藝參數(shù)，工具轉(zhuǎn)速為2000rpm，夾具轉(zhuǎn)速即焊接速度為0.5rpm，工具前進(jìn)時(shí)傾斜角為0°，攪拌頭插入保持時(shí)間為10秒；通過數(shù)控機(jī)床輸入運(yùn)轉(zhuǎn)指令，自動(dòng)完成兩種材料之間的環(huán)縫對(duì)焊焊接；焊接完成后進(jìn)行充分的冷卻，即得到Al片A和鋼片B的連接件。實(shí)施方案二：設(shè)定工具轉(zhuǎn)速為2500rpm，焊接速度為1.0rpm，工具前進(jìn)時(shí)傾斜角為0°，攪拌頭插入保持時(shí)間為10秒，其他與實(shí)施方案一相同。通過數(shù)控機(jī)床輸入運(yùn)轉(zhuǎn)指令，自動(dòng)完成兩種材料之間的環(huán)縫焊接；焊接完成后進(jìn)行充分的冷卻，即得到Al片A和鋼片B的連接件。實(shí)施方案三：設(shè)定工具轉(zhuǎn)速為3000rpm，焊接速度為2.0rpm，工具前進(jìn)時(shí)傾斜角為0°，攪拌頭插入保持時(shí)間為5秒，其他與實(shí)施方案二相同。通過數(shù)控機(jī)床輸入運(yùn)轉(zhuǎn)指令，自動(dòng)完成兩種材料之間的環(huán)縫焊接；焊接完成后進(jìn)行充分的冷卻，即得到Al片A和鋼片B的連接件。實(shí)施方案四：設(shè)定工具轉(zhuǎn)速為2000rpm，焊接速度為1.0rpm，工具前進(jìn)時(shí)傾斜角為0°，攪拌頭插入保持時(shí)間為10秒，其他與實(shí)施方案二相同。通過數(shù)控機(jī)床輸入運(yùn)轉(zhuǎn)指令，自動(dòng)完成兩種材料之間的環(huán)縫搭焊焊接；焊接完成后進(jìn)行充分的冷卻，即得到Al片A和鋼片B的連接件。當(dāng)前第1頁1 2 3