用于鋁鋼材料對接的鋼側(cè)高頻感應(yīng)加熱攪拌摩擦焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種異種材料攪拌摩擦焊接的方法，具體涉及一種用于鋁鋼異種材料對接的鋼側(cè)高頻感應(yīng)加熱預(yù)先軟化輔助的攪拌摩擦焊方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，環(huán)境保護(hù)問題越來越受到世界各國的關(guān)注，汽車制造行業(yè)為了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約燃料，不斷努力使汽車實現(xiàn)輕量化，因此對汽車用材料提出了特殊要求。鋁合金質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，增加鋁合金材料的使用量便成為了其中的重要措施之一，所以在汽車生產(chǎn)過程中，采用“鋁和鋼”雙金屬焊接結(jié)構(gòu)成為汽車輕量化的首選方案，這必然涉及到鋁和鋼異種材料之間的連接問題。從21世紀(jì)初開始，許多國內(nèi)外汽車研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家不斷在尋找能夠?qū)崿F(xiàn)鋁/鋼異種金屬之間有效連接的焊接方法。鋁鋼異種金屬焊接的主要問題是兩者之間的熱物理性能差異較大、固溶度較低，并易生成脆性的金屬間化合物，極大地降低焊接接頭的力學(xué)性能。目前，鋁鋼異種材料之間的連接通常采用釬焊、壓焊和熔焊。采用壓焊或者釬焊的方法效率較低，并且對工件的形狀和尺寸也有特殊要求，不適于大批量生產(chǎn)。而熔焊方法中生成的金屬間化合物又是不可避免的附加產(chǎn)物，會削弱鋁鋼焊接接頭的承載能力。因此急需一種新的高效、高質(zhì)量的焊接方法來解決上述問題。攪拌摩擦焊作為固相連接技術(shù)，具有焊接殘余應(yīng)力小、焊接變形小，接頭質(zhì)量高，不需要保護(hù)氣體和填充材料，可消除夾雜、氣孔、裂紋等焊接缺陷，以及不產(chǎn)生煙塵、弧光、噪音等，同時具有操作簡單、易于自動化焊接、焊接效率高等特點(diǎn)。焊接過程中材料不發(fā)生熔化，熱輸入較低，在異種材料的焊接方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。然而，由于鋼的強(qiáng)度和熔點(diǎn)高，在焊接過程中攪拌針的磨損嚴(yán)重，采用聚晶立方氮化硼、鎢錸合金等超硬焊具在某種程度上解決焊具磨損問題，但是它們存在斷裂韌性低、制備難、加工難、價格高等經(jīng)濟(jì)與技術(shù)不足等缺點(diǎn)，難以普遍應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為解決鋁鋼異種材料對接時由于鋼的硬度較高而導(dǎo)致的攪拌針磨損嚴(yán)重，焊接缺陷多，連接強(qiáng)度低而引起的接頭失效的問題，提供了一種用于鋁鋼材料對接的鋼側(cè)高頻感應(yīng)加熱攪拌摩擦焊方法。
[0004]本發(fā)明的方法是通過以下步驟實現(xiàn)的:
[0005]步驟一、將待焊鋼板和待焊鋁板的對接端面及上下端面焊接區(qū)清理干凈，焊接區(qū)為20mm?30mm，去除待焊鋼板和待焊招板表面的氧化物；
[0006]步驟二、采用有機(jī)溶劑擦拭經(jīng)機(jī)械處理過后的待焊鋼板和待焊鋁板的表面，將待焊鋼板和待焊鋁板以對接的方式置于工作臺上，并用夾具進(jìn)行剛性裝夾；
[0007]步驟三、高頻感應(yīng)加熱裝置設(shè)置在攪拌頭的前方且位于待焊鋼板的待焊區(qū)域，高頻感應(yīng)加熱裝置距攪拌頭之間的距離b為5mm?25mm，將高頻感應(yīng)加熱裝置與攪拌摩擦焊機(jī)一體化連接，高頻感應(yīng)加熱裝置在焊接過程中隨著攪拌頭沿著焊接方向同步移動；
[0008]步驟四、在待焊鋼板的焊接背面鋪設(shè)薄膜阻熱材料，薄膜阻熱材料可降低因待焊鋼板導(dǎo)熱導(dǎo)致的鋼板厚度方向溫度分布不均；
[0009]步驟五、合理設(shè)置高頻感應(yīng)加熱裝置的電流頻率與線圈匝數(shù)，電流頻率在20kHz?10kHz之間，線圈匝數(shù)在10匝?40匝之間，利用線圈端部磁場在待焊鋼板中引起的電磁效應(yīng)對待焊鋼板進(jìn)行加熱，控制待焊鋼板的溫度在焊接之前維持在400°C?550°C之間；
[0010]步驟六、啟動攪拌摩擦焊機(jī)，攪拌針中心位置偏向待焊鋁板一側(cè)，偏移距離為攪拌針直徑數(shù)值的1/4?1/3，攪拌頭以轉(zhuǎn)速200r/min?3000r/min，焊接速度10mm/min?1000mm/min，軸肩下壓量0.05mm?Imm的焊接參數(shù)沿焊接方向焊接。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:
[0012]—、本發(fā)明是鋼側(cè)高頻感應(yīng)加熱預(yù)軟化輔助攪拌摩擦焊的方法，是一種固相連接方法，利用高頻感應(yīng)對待焊鋼板進(jìn)行局部快速加熱，使鋼板在焊接之前達(dá)到400-550°C，材料出現(xiàn)一定程度軟化，既可以在攪拌摩擦焊過程中減輕鋼材料對攪拌頭的磨損，還能在同種條件下增大焊接速度，提高焊接效率。
[0013]二、軟化條件下的鋼材料，在焊接過程中能與鋁材料充分混合，消除了常規(guī)焊接過程中出現(xiàn)的溝槽、夾雜等由于流動不充分引起的缺陷，改善了焊縫成形，焊接質(zhì)量提高。
[0014]三、高頻感應(yīng)加熱輔助焊接鋁-鋼材料時，加熱只施加在鋼板一側(cè)，而不施加在鋁板一側(cè)，避免了常規(guī)加熱方式下的鋁板熔化；該方法具有局部性和高效性。
[0015]四、在待焊鋼板的焊接背面鋪設(shè)薄膜阻熱材料，可有效減小在厚度方向產(chǎn)生過大的溫度梯度，防止厚度方向因溫差過大引起的組織結(jié)構(gòu)缺欠。
[0016]五、高頻感應(yīng)加熱過程簡單，易于控制，溫度控制精度高，易于實現(xiàn)自動化。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明鋁鋼材料對接的鋼側(cè)高頻感應(yīng)加熱預(yù)軟化輔助攪拌摩擦焊接過程示意圖(圖中標(biāo)記7的前頭所指為加熱區(qū)域，標(biāo)記8的焊接方向)。
【具體實施方式】
[0018]【具體實施方式】一:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式是通過以下步驟實現(xiàn)的:
[0019]步驟一、將待焊鋼板I和待焊鋁板2的對接端面及上下端面焊接區(qū)W清理干凈，焊接區(qū)W為20mm?30mm，去除待焊鋼板I和待焊招板2表面的氧化物；
[0020]步驟二、采用有機(jī)溶劑擦拭經(jīng)機(jī)械處理過后的待焊鋼板I和待焊鋁板2的表面，去除金屬粉塵和油污等雜物，將待焊鋼板I和待焊鋁板2以對接的方式置于工作臺上，并用夾具進(jìn)行剛性裝夾；
[0021]步驟三、高頻感應(yīng)加熱裝置3設(shè)置在攪拌頭4的前方且位于待焊鋼板I的待焊區(qū)域，預(yù)熱使鋼板局部軟化，減輕攪拌針磨損，提高焊接速度，高頻感應(yīng)加熱裝置3距攪拌頭4之間的距離b為5_?25_，將高頻感應(yīng)加熱裝置3與攪拌摩擦焊機(jī)5 —體化連接，高頻感應(yīng)加熱裝置3在焊接過程中隨著攪拌頭3沿著焊接方向同步移動；
[0022]步驟四、在待焊鋼板I的焊接背面鋪設(shè)薄膜阻熱材料6，可防止在厚度方向產(chǎn)生過大溫度梯度；薄膜阻熱材料6可降低因待焊鋼板I導(dǎo)熱導(dǎo)致的鋼板厚度方向溫度分布不均，薄膜阻熱材料6的厚度對待焊鋼板I整體厚度的影響可忽略；
[0023]步驟五、合理設(shè)置高頻感應(yīng)加熱裝置3的電流頻率與線圈匝數(shù)，電流頻率在20kHz?10kHz之間，線圈匝數(shù)在10匝?40匝之間，利用線圈端部磁場在待焊鋼板I中引起的電磁效應(yīng)對待焊鋼板I進(jìn)行加熱，控制待焊鋼板I的溫度在焊接之前維持在400°C?550°C之間，這樣一方面使待焊鋼板I盡可能受熱軟化，另一方面防止因熱傳導(dǎo)使待焊鋁板2溫度過高；
[0024]步驟六、啟動攪拌摩擦焊機(jī)5，攪拌針中心位置偏向待焊鋁板2 —側(cè)，偏移距離為攪拌針直徑數(shù)值的1/4?1/3，攪拌頭4以轉(zhuǎn)速200r/min?3000r/min，焊接速度1mm/min?1000mm/min