专利名称：适用于铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法，属于焊接技术领域。
背景技术：
铝及其合金具有强度高、耐腐蚀性好、塑性好、密度小、导热和导电性能优良的特性，这使其成为航空、航天、造船及其他工业领域重要的结构材料；然而，铝及其合金的抗腐蚀性差、线膨胀系数大等缺点导致其在上述应用中受到很大的局 限。不锈钢抗腐蚀性好，但其具有导热性差、比强度不高等缺陷。将铝合金和不锈钢连接形成复合结构可以汲取不锈钢和铝合金的优点，故两者的连接具有极高的研究价值。然而，铝合金和不锈钢的物理化学性质相差很大，这使得现有技术中采用一般的熔焊方式连接的铝合金和不锈钢产品在工艺应用中主要存在以下缺陷
熔焊过程中，铝和不锈钢中的铁以及其它元素生成大量的Al13Fe4、AlFe, AIFe3等脆性金属间化合物，严重降低了连接面的塑强度，由于铝与不锈钢的线膨胀系数相差较大，较低的强度使得连接件在骤冷骤热情况下特别容易开裂，从而影响铝合金和不锈钢复合结构的力学性能，进而导致其应用性变差。因此，现有技术中急需要一种能够通过提高铝合金和不锈钢复合结构的强度来提高其应用性的焊接方式。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中熔焊技术应用于铝合金和不锈钢焊接时连接面塑性较低的缺陷，从而提供一种能够提高连接面塑性的反应搅拌摩擦焊接方法。为此，本发明提供一种适用于铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法，至少包括以下步骤
A.在不锈钢母材的焊接面上形成Ni-Cu镀层；
B.将不锈钢母材和铝/铝合金母材拼合形成待焊接头；
C.采用搅拌头对所述接头进行搅拌摩擦焊接，采用搅拌头对所述待焊接
头进行搅拌摩擦焊接，所述焊接的速度是50 150mm/min,所述搅拌头的转速400 800r/min,所述搅拌头端部的搅拌针的长度为所述待焊接头厚度的O. 7-0. 9倍。在所述步骤A中形成的所述Ni-Cu镀层的厚度为100 μ m-200 μ m。在所述步骤A中采用热喷涂的方式形成所述Ni-Cu镀层。所述热喷涂在1100 1400°C的温度范围内进行。在所述热喷涂之前将所述将Ni粉和Cu粉混合均匀，制备成喷涂液。在所述步骤B中将具有Ni-Cu镀层的所述不锈钢母材和所述铝/铝合金母 材制成对接接头。
在所述步骤B中，所述铝/铝合金母材和不锈钢母材至少分别具有倾斜的搭接界面，所述铝/铝合金母材的搭接界面的水平倾斜角Θ与所述不锈钢母材的搭接界面的水平倾斜角互为补角，两者通过搭接界面配合后形成水平搭接接头。将所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝/铝合金母材和不锈钢
母材的厚度a的关系设置为d > 2a cot Θ 。所述铝/铝合金母材和所述钛合金母材还分别具有高度为h的竖直的搭 接界面，所述竖直的搭接界面位于所述倾斜的搭接界面的上部或下部，将所述高度h、
所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝/铝合金母材和不锈钢母材的厚度a的关
系设置为d > 2(α — h} cot Θ 。本发明还提供一种用于铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接中的接
头，包括铝/铝合金母材和不锈钢母材，在所述不锈钢母材的焊接面上具有Ni-Cu镀层，所述Ni-Cu镀层的厚度为100 μ m-200 μ m。本发明提供的用于铝/铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法及接头，具有以下优点
本发明提供一种用于铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法，在不锈钢母材的焊接面上形成Ni-Cu镀层，将Ni作为不锈钢与Al连接的中间过渡层，由于不锈钢中有含量较高的Ni，而Ni、Al都是面心立方结构，易于实现晶体间的结合；同时，将Cu作为Al与Ni的过渡层，由于Cu也是面心立方结构，且其晶格常数介于Ni、Al之间，在不锈钢母材的焊接面形成Ni-Cu复合镀层后，在搅拌摩擦作用下，在层界面处形成了金属键或较强的化合键，使各层介质之间有较强的结合力，提高了连接面的强度；同时，通过阻隔延迟效应限制了铝合金和/锈钢异种材料间All3Fe4、AlFe, AlFe3等脆性化合物的生成量，从而提高了连接面塑性；另外，采用搅拌摩擦反应焊接方式，不需要母材的熔化，不存在熔化缺陷、焊接热裂倾向和组织热影响区，连接接头质量及其稳定性较好。另外，通过摩擦焊接方法获得铝钢异种金属接头比较容易，界面变形可以除掉铝表面顽固的氧化膜，使两者之间结合变得相对容易。操作简单，成本低。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。其中
图I是本发明的实施例I中采用的对接接头与搅拌头配合的结构示意图。图2是本发明的实施例2中采用的搭接接头与搅拌头配合的结构示意图。图3是本发明的实施例3中采用的搭接接头与搅拌头配合的结构示意图。图中附图标记表不为
I-铝/铝合金板；2_不锈钢板；3-Ni-Cu镀层。
具体实施例方式实施例I实施例提供一种用于铝合金板和不锈钢板连接的反应搅拌摩擦焊接方法及用于铝合金板和不锈钢板连接的反应搅拌摩擦焊接方法中的接头，其中所述反应搅拌摩擦焊接方法包括以下步骤
A.将Ni粉和Cu粉混合均匀，制备成喷涂液，可以在1100-1400V温度下选择任意温度进行火焰喷涂，从而将所述喷涂液喷涂到所述不锈钢板2的焊接面上，形成厚度为IOOym的Ni-Cu镀层，在本实施例中，所述温度具体选择为1200°C ；
B.将经过步骤A的不锈钢板2和铝合金板I拼合形成对接接头，见图I;
C.采用搅拌头对所述接头进行搅拌摩擦焊接，所述搅拌头的转速为500r/min，所述焊接速度为100mm/min,所述搅拌头端部的搅拌针的长度为接头厚度a的O. 8倍,搅拌头的轴肩直径d是搅拌针直径的3倍，顶端压力为200MPa。当然，对于实现本发明的目的来说，上述参数的选择并不是唯一的，所述搅拌头的 转速可以在400 800r/min内进行具体选择，所述焊接速度可以在50 150mm/min内进行具体选择，所述搅拌头端部的搅拌针的长度可以在工件厚度的O. 7-0. 9倍范围内进行具体选择，当搅拌头的轴肩直径是搅拌针直径的3倍。顶端压力200MPa。本实施例中的所述Ni-Cu镀层的厚度只是较佳的实施方式，对于实现本发明的核心目的来说，所述Ni-Cu镀层的厚度为100 μ m-200 μ m时，都能满
足焊接要求。实施例2
本实施例提供一种用于铝合金板和不锈钢板连接的反应搅拌摩擦焊接方法及用于铝合金板和不锈钢板连接的反应搅拌摩擦焊接方法中的接头，其中所述反应搅拌摩擦焊接方法包括以下步骤
A.制备成喷涂液，可以在1100-1400V温度下选择任意温度进行火焰喷涂，从而将所述喷涂液喷涂到所述不锈钢板2的焊接面上，形成厚度为200 μ m的Ni-Cu镀层，在本实施例中，所述温度具体选择为1100°C ；
B.将经过步骤A的不锈钢板2和铝合金板I拼合形成水平搭接接头，所述铝合金母材和不锈钢母材分别具有倾斜的搭接界面，所述铝合金
母材的搭接界面的水平倾斜角Θ与所述不锈钢母材的搭接界面的水平倾斜角互为补角，两者通过搭接界面配合后形成所述水平搭接接头，见图2 ；
C.采用搅拌头对所述接头进行搅拌摩擦焊接，所述搅拌头的转速为400r/min，所述焊接速度为50mm/min，所述搅拌头端部的搅拌针的长度为接头厚度a的O. 7倍，搅拌头的轴肩直径d是搅拌针直径的3倍，顶端压力为200MPa。当然，对于实现本发明的目的来说，上述参数的选择并不是唯一的，所述搅拌头的转速可以在400 800r/min内进行具体选择，所述焊接速度可以在50 150mm/min内进行具体选择，所述搅拌头端部的搅拌针的长度可以在工件厚度的O. 7-0. 9倍范围内进行具体选择，当搅拌头的轴肩直径是搅拌针直径的3倍。顶端压力200MPa。其中，将所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝合金母材和不锈钢母材
的厚度a的关系设置为d > 2a cof Θ ，更为具体的，所述铝合金板I的搭接界面的水平倾斜角Θ为45°，所述不锈钢板2的搭接界面的水平倾斜角为135°，所述厚度a均为30mm,所述轴肩直径d至少为60mm。本实施例中的所述Ni-Cu镀层的厚度只是较佳的实施方式，对于实现本发明的核心目的来说，所述Ni-Cu镀层的厚度为100 μ m-200 μ m时，都能满足焊接要求。实施例3
实施例提供一种用于铝板和不锈钢板连接的反应搅拌摩擦焊接方法及用于铝合金板和不锈钢板连接的反应搅拌摩擦焊接方法中的接头，其中所述反应搅拌摩擦焊接方法包括以下步骤
A.制备成喷涂液，可以在1100-1400V温度下选择任意温度进行火焰
喷涂，从而将所述喷涂液喷涂到所述不锈钢板2的焊接面上，形成厚度为150 μ m的Ni-Cu镀层，在本实施例中，所述温度具体选择为1400°C ； B.将经过步骤A的不锈钢板2和铝板I拼合形成水平搭接接头，所述铝合金母材和不锈钢母材分别具有倾斜的搭接界面和位于所述倾斜的搭接界面上部的高度为h的竖直的搭接界面，所述铝合金母材的搭接界面的水平倾斜角Θ与所述不锈钢母材的搭接界面的水平倾斜角互为补角，两者通过搭接界面配合后形成所述水平搭接接头，见图3 ；
C.采用搅拌头对所述接头进行搅拌摩擦焊接，所述搅拌头的转速为800r/min，所述焊接速度为150mm/min,所述搅拌头端部的搅拌针的长度为接头厚度a的O. 9倍,搅拌头的轴肩直径d是搅拌针直径的3倍，顶端压力为200MPa。当然，对于实现本发明的目的来说，上述参数的选择并不是唯一的，所述搅拌头的转速可以在400 800r/min内进行具体选择，所述焊接速度可以在50 150mm/min内进行具体选择，所述搅拌头端部的搅拌针的长度可以在工件厚度的O. 7-0. 9倍范围内进行具体选择，当搅拌头的轴肩直径是搅拌针直径的3倍。顶端压力200MPa。其中，将所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d、竖直搭接界面的高
度h以及铝合金母材和不锈钢母材的厚度a的关系设置为
d > 2 (a - h) cot & ，更为具体的，所述铝合金板I的搭接界面的水平倾斜角θ
为30°，所述不锈钢板2的搭接界面的水平倾斜角为150°，所述厚度a均为30mm，所述高度h为10mm，所述轴肩直径d至少为69mm。本实施例中的所述Ni-Cu镀层的厚度只是较佳的实施方式，对于实现本发明的核心目的来说，所述Ni-Cu镀层的厚度为100 μ m-200 μ m时，都能满足焊接要求。上述实施例1-3中采用的焊接设备以通用的搅拌摩擦焊接设备为主。采用上述实施例1-3中的焊接方法能显著降低脆性金属间化合物的含量，提高接头强度。拉伸强度一般可达到270. OMPa以上。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
权利要求
1.适用于铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于至少包括以下步骤 A.在不锈钢母材的焊接面上形成Ni-Cu镀层； B.将不锈钢母材和铝/铝合金母材拼合形成待焊接头； C.采用搅拌头对所述待焊接头进行搅拌摩擦焊接，所述焊接的速度是50 150mm/min,所述搅拌头的转速为400 800r/min，所述搅拌头端部的搅拌针的长度为所述待焊接头厚度的0. 7-0. 9倍。
2.根据权利要求I所述的用于铝/铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于在所述步骤A中形成的所述Ni-Cu镀层的厚度为100 u m-200 u m。
3.根据权利要求I或2所述的用于铝/铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于在所述步骤A中采用热喷涂的方式形成所述Ni-Cu镀层。
4.根据权利要求3所述的用于铝/铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于所述热喷涂在1100 1400°C的温度范围内进行。
5.根据权利要求3或4所述的用于铝/铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于在所述热喷涂之前将所述将Ni粉和Cu粉混合均匀，制备成喷涂液。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于铝/铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于在所述步骤B中将具有Ni-Cu镀层的所述不锈钢母材和所述铝/铝合金母材制成对接接头。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的用于铝/铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于在所述步骤B中，所述铝/铝合金母材和不锈钢母材至少分别具有倾斜的搭接界面，所述铝/铝合金母材的搭接界面的水平倾斜角e与所述不锈钢母材的搭接界面的水平倾斜角互为补角，两者通过搭接界面配合后形成水平搭接接头。
8.根据权利要求7所述的用于铝/铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于将所述水平倾斜角0、搅拌头的轴肩直径d以及铝合金母材和不锈钢母材的厚度a的关系设置为d2acot 0。
9.根据权利要求7所述的用于铝/铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于所述铝/铝合金母材和所述钛合金母材还分别具有高度为h的竖直的搭接界面，所述竖直的搭接界面位于所述倾斜的搭接界面的上部或下部，将所述高度h、所述水平倾斜角9、搅拌头的轴肩直径d以及铝合金母材和不锈钢母材的厚度a的关系设置为d ^ 2 (a~h) cot 0。
10.一种用于铝/铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接中的接头，包括铝/铝合金母材和不锈钢母材，其特征在于在所述不锈钢母材的焊接面上具有Ni-Cu镀层，所述Ni-Cu镀层的厚度为100 u m-200 u m。
全文摘要
本发明提供的一种适用于铝合金和不锈钢连接的反应搅拌摩擦焊接方法，在不锈钢母材的焊接面上形成Ni-Cu镀层后，在搅拌摩擦作用下，在层界面处形成了金属键或较强的化合键，使各层介质之间有较强的结合力，提高了连接面的强度；同时，通过阻隔延迟效应限制了铝合金和/锈钢异种材料间Al13Fe4、AlFe、AlFe3等脆性化合物的生成量，从而提高了连接面塑性；另外，采用搅拌摩擦反应焊接方式，不需要母材的熔化，不存在熔化缺陷、焊接热裂倾向和组织热影响区，连接接头质量及其稳定性较好。
文档编号B23K20/16GK102794561SQ20121030677
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者张华 , 马芳芳, 吴会强, 黄继华, 赵兴科, 陈树海 申请人:北京科技大学