一种搅拌摩擦焊环缝连接异种金属的方法技术

本发明专利技术提供一种搅拌摩擦焊环缝连接异种金属的方法。其原理是通过搅拌摩擦焊接装置提供摩擦热和压力，实现合金材料的环缝连接。具体地，设计焊接接头，实现合金材料之间沿着环形焊缝形成对接或搭接，然后利用夹具固定材料；设定搅拌摩擦焊接的工艺参数，通过数控机床指令控制工具移动、插入待焊材料，然后利用夹具控制棒材旋转，实现环形焊缝的牢固连接；焊接完成后进行充分的冷却，即得到合金材料的棒材或管材连接件。本技术的优势：实现合金材料的环形焊缝连接，热变形小，结合强度高，可以实现自动化连接，实现产品轻量化和功能化的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料工程领域，涉及一种利用搅拌摩擦焊技术环缝连接异种材料的方法。
技术介绍
中国是目前世界上最大的CO2排放国，2014年排放量超过100亿吨，约为美国、欧盟与日本之和。如何降低能源消耗，减少CO2排放量，是世界性的重要课题。在中国，交通运输占总排放量的6％左右，但是随着汽车行业的迅猛发展，预期占比将大幅提升至20～30％的发达国家水平。对于汽车而言，提升其燃油效率的技术开发非常重要，车辆轻量化是其中的重要途径之一。其核心就是在保证汽车安全和性能的同时，尽可能多的利用轻量材料，如铝合金，取代或部分取代传统的钢铁材料构件。为实现轻量化的目的，需要可靠的结合技术来连接不同的材料，比如Al合金与钢铁材料。传统的金属材料焊接技术，譬如熔焊、激光焊、摩擦焊、电阻焊等，在实验过程中，会带来强光、高热、材料熔化和溅射等问题。摩擦搅拌焊接(FSW)为固相结合技术，连接温度较低(0.7～0.9Tm)，且热量输入集中，热影响区小，对基体性能影响很小，接头处的热应力较小，界面反应层厚度一般为传统熔焊的1/10至1/100。本技术具有结合强度高、成本低、能耗低、生产效率高等优点，所以连接件的性能优于熔接件。FSW最初是为了解决Al合金本身的连接难题，现在已经被推广到Al合金与其他材料的异种材料连接领域。在专利【2009100725043】和【2011103893550】中，涉及了Al合金与高熔点金属之间的异种金属焊接，但是未将FSW技术延伸至3D接头的场合。专利【2011102932030】中实现了Al合金同材之间的3D箱体连接，但是该技术是否适用于Al合金与其他高熔点金属的焊接，有待考察。本专利技术为异种金属材料Al/Fe棒材、管材或腔体的三维环状连接提供解决方案。应该指出，与同材连接过程有所不同，在包含钢铁材料的异材结合情况下，低熔点Al合金材料性能劣化、界面反应层生长及界面电化学腐蚀等仍有待优化。
技术实现思路
技术问题：本专利技术针对汽车轻量化的应用需求和连接难题，提供一种搅拌摩擦焊接技术，实现棒材或管材轻合金和钢铁材料之间直接、快速、高强度连接。本技术可以解决传统方法存在的诸多问题，如强光、高热、材料熔化和溅射等。技术方案：本专利技术的一种利用搅拌摩擦焊技术环缝连接异种材料的方法包括以下步骤：步骤一：清洗Al合金和钢材棒材的结合表面，设计Al合金和钢材接头，形成对接或者搭接的环形焊缝，利用夹具将二者固定于作业台上；步骤二：根据所需连接材料的不同体系，选择不同尺寸的工具搅拌头和工具轴肩，控制高速旋转的工具搅拌头插入Al合金并调节它与钢材之间的咬合量，工具搅拌头高速旋转提供摩擦热，工具轴肩下压提供压力，随后，利用夹具控制棒材旋转360°，实现Al合金和钢材之间连接；步骤三：设定搅拌摩擦焊接的工艺参数，工具搅拌头转速范围为500rpm～4000rpm，焊接速度范围为1mm/min～1000mm/min，工具前进时倾斜角为-5°～5°，搅拌头插入保持时间为1秒～10秒；通过数控机床输入运转指令，自动完成环状焊缝的连接；焊接完成后进行充分的冷却，即得到Al合金和钢材的连接件。其中：所述的Al合金和钢材为棒材，直径范围为20mm～100mm，焊缝处厚度范围为0.5mm～10mm。所述的其中工具搅拌头的直径范围为1mm～10mm；工具轴肩的直径范围为10mm～30mm。所述的搅拌摩擦焊接过程中，Al合金片和钢片连接温度为300℃～700℃，连接压力为1.5kN～15.0kN。有益效果：本专利技术具有下列优势：一.无需添加过渡层或预加工，通过工具搅拌头提供的摩擦热以及工具轴肩提供的压力，实现Al合金和钢材的连接。二.搅拌摩擦焊接过程通过数控机床程序控制，自动化程度高，连接速度快，从而具有较高的生产效率；三.通过改变焊接工艺参数，可以调整连接部的温度和压力等关键因素，热量输入的利用率较高。四.结合夹具的设计和数控机床的程序编程，可以实现Al合金和钢材之间自动化环缝连接。五.表1本技术与传统技术的优缺点比较成本能耗生产效率连接件强度FSW○◎◎◎熔焊◎△◎○激光焊△○◎△摩擦焊◎◎△○电阻焊◎△◎△注：◎良好；○中等；△较差。附图说明图1是Al合金片A和钢片B的搅拌摩擦焊对焊示意图。图2是Al合金片A和钢片B的搅拌摩擦焊搭焊示意图。图3按照实施方案一得到的Al合金片A和钢片B连接件表面。具体实施方式本专利技术通过下述实验步骤实现轻合金和树脂基复合材料的连接：步骤一：清洗Al合金A和钢材B的结合表面，设计Al片A和钢片B接头，形成对接或者搭接的环形焊缝，利用夹具将二者固定于作业台上。步骤二：根据所需连接材料的不同体系，选择不同尺寸的工具搅拌头和工具轴肩。控制高速旋转的工具搅拌头C插入Al片A并调节它与钢片B之间的咬合量，工具搅拌头C高速旋转提供摩擦热，工具轴肩D下压提供压力。随后，利用夹具控制棒材旋转360°，实现Al片A和钢片B之间连接。步骤三：设定搅拌摩擦焊接的工艺参数，工具转速范围为500rpm～4000rpm，焊接速度范围为0mm/min～1000mm/min，工具前进时倾斜角为-5°～5°，搅拌头插入保持时间为0秒～10秒；通过数控机床输入运转指令，自动完成环状焊缝的连接；焊接完成后进行充分的冷却，即得到Al片A和钢片B的连接件。下面结合实例对本专利技术进行详细的描述：实施方案一：结合图1，本实施方案步骤如下：步骤一：用酒精清洗直径为50.0mm、搭接部分厚度为5.0mm的Al合金棒A和S45C钢棒B，通过接头设计使得Al合金片A与钢棒B相互咬合，然后利用夹具将二者固定于作业台上。步骤二：控制高速旋转的工具搅拌头3插入Al片A并调节它与钢片B之间的咬合量，工具搅拌头C高速旋转提供摩擦热，工具轴肩D下压提供压力。随后，利用夹具控制棒材旋转360°，实现Al片A和钢片B之间连接。其中搅拌头直径5.0mm，工具轴肩的直径为20mm。步骤三：设定搅拌摩擦焊接的工艺参数，工具转速为2000rpm，夹具转速即焊接速度为0.5rpm，工具前进时倾斜角为0°，搅拌头插入保持时间为10秒；通过数控机床输入运转指令，自动完成两种材料之间的环缝对焊焊接；焊接完成后进行充分的冷却，即得到Al片A和钢片B的连接件。实施方案二：设定工具转速为2500rpm，焊接速度为1.0rpm，工具前进时倾斜角为0°，搅拌头插入保持时间为10秒，其他与实施方案一相同。通过数控机床输入运转指令，自动完成两种材料之间的环缝焊接；焊接完成后进行充分的冷却，即得到Al片A和钢片B的连接件。实施方案三：设定工具转速为3000rpm，焊接速度为2.0rpm，工具前进时倾斜角为0°，搅拌头插入保持时间为5秒，其他与实施方案二相同。通过数控机床输入运转指令，自动完成两种材料之间的环缝焊接；焊接完成后进行充分的冷却，即得到Al片A和钢片B的连接件。实施方案四：设定工具转速为2000rpm，焊接速度为1.0rpm，工具前进时倾斜角为0°，搅拌头插入保持时间为10秒，其他与实施方案二相同。通过数控机床输入运转指令，自动完成两种材料之间的环缝搭焊焊接；焊接完成后进行充分的冷却，即得到Al片A和钢片B的连接件。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用搅拌摩擦焊技术环缝连接异种材料的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一：清洗Al合金(A)和钢材(B)棒材的结合表面，设计Al合金(A)和钢材(B)接头，形成对接或者搭接的环形焊缝，利用夹具将二者固定于作业台上；步骤二：根据所需连接材料的不同体系，选择不同尺寸的工具搅拌头和工具轴肩，控制高速旋转的工具搅拌头(C)插入Al合金(A)并调节它与钢材(B)之间的咬合量，工具搅拌头(C)高速旋转提供摩擦热，工具轴肩(D)下压提供压力，随后，利用夹具控制棒材旋转360°，实现Al合金(A)和钢材(B)之间连接；步骤三：设定搅拌摩擦焊接的工艺参数，工具搅拌头(C)转速范围为500rpm～4000rpm，焊接速度范围为1mm/min～1000mm/min，工具前进时倾斜角为‑5°～5°，搅拌头插入保持时间为1秒～10秒；通过数控机床输入运转指令，自动完成环状焊缝的连接；焊接完成后进行充分的冷却，即得到Al合金(A)和钢材(B)的连接件。

【技术特征摘要】
1.一种利用搅拌摩擦焊技术环缝连接异种材料的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一：清洗Al合金(A)和钢材(B)棒材的结合表面，设计Al合金(A)和钢材(B)接头，形成对接或者搭接的环形焊缝，利用夹具将二者固定于作业台上；步骤二：根据所需连接材料的不同体系，选择不同尺寸的工具搅拌头和工具轴肩，控制高速旋转的工具搅拌头(C)插入Al合金(A)并调节它与钢材(B)之间的咬合量，工具搅拌头(C)高速旋转提供摩擦热，工具轴肩(D)下压提供压力，随后，利用夹具控制棒材旋转360°，实现Al合金(A)和钢材(B)之间连接；步骤三：设定搅拌摩擦焊接的工艺参数，工具搅拌头(C)转速范围为500rpm～4000rpm，焊接速度范围为1mm/min～1000mm/min，工具前进时倾斜角为-5°～5°，搅拌头插...

【专利技术属性】
技术研发人员：田无边，孙正明，张培根，张亚梅，施锦杰，丁健翔，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32