一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具及焊接方法
【专利摘要】本发明提出了一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具及焊接方法。焊具夹持体和搅拌针，搅拌针呈上细下粗状，中间光滑曲面过渡，搅拌针的最下端呈椭球状，椭球的长轴垂直于焊具的中心轴线，短轴平行于焊具的中心轴线。根据材料的厚度首先确定搅拌针长以及根部直径；确定搅拌针最大直径、圆弧过渡的半径及搅拌针上球面的半径；确定搅拌针与轴肩之间倾斜角；进行异种材料搭接接头的搅拌摩擦焊接。本发明既能保证接头界面良好结合，接头的力学性能得到提升，又能保证焊缝表面成型完好，内部无缺陷。
【专利说明】一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具及焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具及焊接方法。
【背景技术】
[0002]随着全球性的环境问题愈演愈烈，汽车工业为节约能源、保护环境，努力减轻汽车自重。与钢相比，铝具有密度低，比强度高等优点，铝和钢复合金属焊接结构已成为汽车轻量化的首选方案，而这势必会涉及到铝和钢异种材料的焊接。然而，铝和钢之间熔点、热力学系数及晶格结构的差异给铝和钢的连接带来了极大的困难。搅拌摩擦焊是一种固相连接方法，不会产生熔焊焊接过程中的热裂纹、气孔等问题，并且接头的变形小，残余应力低，接头强度系数高。自问世以来在铝、镁等轻质合金的焊接中得到了广泛的应用，然而对于钢而言，熔点较高，寻找比“钢”更硬的搅拌头材料不那么容易，而对于铝和钢的搭接接头，铝和钢物化性质的差异，导致搅拌摩擦焊接后结合面积不够，接头的力学性能较低，而通过提高搅拌针的直径会出现沟槽等缺陷。
【发明内容】
[0003]本发明为了解决铝和钢搭接搅拌摩擦焊过程中存在的有效结合面积小，接头的力学性能差等问题，提供了一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具及焊接方法。
[0004]本发明采用的技术如下:
[0005]一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具，包括夹持体和搅拌针,夹持体包括上圆柱体和下圆柱体，上圆柱体、下圆柱体和搅拌针自上而下为一体结构，上圆柱体上设置有夹持面，上圆柱体直径小于下圆柱体直径，下圆柱体上设置有隔热槽，隔热槽数目大于等于三个，焊具速度轴肩内凹，焊具的轴肩与搅拌针根部曲面过渡，搅拌针呈上细下粗状，中间光滑曲面过渡，搅拌针的最下端呈椭球状，椭球的长轴垂直于焊具的中心轴线，其短轴或与焊具的中心轴线重合或平行。
[0006]本发明还具有如下技术特征:
[0007]1、所述的焊具的材料采用高速工具钢、镍基合金、碳化钨钴合金、Wo-Co合金钢或者多晶立方氮化硼。
[0008]2、所述的焊具的轴肩与焊具中心线之间的倾角δ=70° -85°。
[0009]3、所述的搅拌针其上部直径为Cl1，下部直径为d2，Cl2=Cl1+!~4mm。
[0010]4、所述的搅拌针的长度应大于被焊接的铝板厚度的0.05~0.3_。
[0011]5、所述的搅拌针的上部细端直径Cl1为铝板厚度的I~1.2倍
[0012]6、所述的焊具的轴肩直径为搅拌针上端细部直径的Cl1的2.5~3倍。
[0013]7、一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊接方法，采用如上所述的焊具，方法如下:
[0014]放置铝板在上，钢板在下，装夹固定好后，将焊具移至待焊处，焊具的最下端压入钢板内部深度为0.05~0.5mm，焊具以3~5mm / min的速度扎入，停留2s，以200~2000rpm, 10~1000mm / min的速度进行焊接,焊接完成后停留2s,以3~5mm / min的速
度抽出焊具，焊接过程结束。
[0015]本发明具有以下优点:一、搅拌针最下部呈球面，球面直径大于根部直径，与柱状或锥状带螺纹的搅拌针相比，搅拌针扎入钢中部分的面积较大，搅拌摩擦产热明显增加，有利于钢和铝之间实现原子间的结合，提高接头的力学性能。二、搅拌针根部直径不变，搅拌针和轴肩与铝板内部的摩擦产热没有变化，对铝板的热影响较小，同时焊缝表面成型较好，焊缝内部无沟槽等缺陷。三、本发明利用高速工具钢即可实现铝和钢搭接的搅拌摩擦焊，操作简单灵活，可实施性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的焊具的整体结构主剖视图，
[0017]图2是图1搅拌针处的局部放大图。
【具体实施方式】
[0018]实施例1
[0019]结合图1、2说明本实施方式，一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具，包括夹持体和搅拌针，夹持体包括上圆柱体I和下圆柱体2，上圆柱体、下圆柱体及搅拌针自上而下制成一体，上圆柱体I上有夹持面1-1，用于固定焊具的位置，上圆柱体I直径小于下圆柱体2直径，小圆柱体2上刻有隔热槽2-1，隔热槽三个，轴肩内凹，轴肩与搅拌针根部曲面过渡，搅拌针呈上细下粗状，中间光滑曲面过渡，搅拌针的最下端3呈椭球状，椭球的长轴垂直于焊具的中心轴线，短轴平行于焊具的中心轴线。焊具的轴肩与焊具中心线之间的倾角δ=70° ,搅拌针的上部直径为(I1,下部直径为d2,d2 =屯+lmm ;所述的搅拌针的上部细端直径Cl1与铝板厚度相同；所述的搅拌针的长度L应大于被焊接的铝板厚度的0.05mm。所述的焊具的轴肩直径D为搅拌针上端细部直径的Cl1的2.5倍。焊具材料采用高速工具钢、镍基合金、碳化钨钴合金、Wo-Co合金钢或者多晶立方氮化硼等，焊具可以重复使用。
[0020]实施例2
[0021]一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具，包括夹持体和搅拌针，夹持体包括上圆柱体1和下圆柱体2，上圆柱体、下圆柱体及搅拌针自上而下制成一体，上圆柱体I上有夹持面1-1，用于固定焊具的位置，上圆柱体I直径小于下圆柱体2直径，小圆柱体2上刻有隔热槽2-1，隔热槽四个，轴肩内凹，轴肩与搅拌针根部曲面过渡，搅拌针呈上细下粗状，中间光滑曲面过渡，搅拌针的最下端3呈椭球状，椭球的长轴垂直于焊具的中心轴线，短轴与焊具的中心轴线重合。焊具的轴肩与焊具中心线之间的倾角3=85°，搅拌针的上部直径为Cl1，下部直径为d2，Cl2=Cl1+^ ;所述的搅拌针的上部细端直径Cl1为铝板厚度的1.2倍；所述的搅拌针的长度L应大于被焊接的铝板厚度的0.3mm。所述的焊具的轴肩直径D为搅拌针上端细部直径的Cl1的3倍。焊具材料采用高速工具钢、镍基合金、碳化钨钴合金、Wo-Co合金钢或者多晶立方氮化硼等，焊具可以重复使用。
[0022]实施例3
[0023]一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊接方法，采用如实施例1或2所述的焊具，放置铝板在上，钢板在下，装夹固定好后，将焊具移至待焊处，焊具压入深度为0.05?0.5mm，焊具以3?5mm/min的速度扎入，停留2s，以200?2000rpm，10?IOOOmm/min的速度进行焊接，焊接完成后停留2s，以3?5mm/min的速度抽出焊具，焊接过程结束。
【权利要求】
1.一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具，包括夹持体和搅拌针，夹持体包括上圆柱体(1)和下圆柱体(2)，上圆柱体、下圆柱体和搅拌针自上而下为一体结构，其特征在于:上圆柱体(1)上设置有夹持面(1-1)，上圆柱体(1)直径小于下圆柱体(2)直径，下圆柱体(2)上设置有隔热槽(2-1)，隔热槽数目至少三个，焊具速度轴肩内凹，焊具的轴肩与搅拌针根部曲面过渡，搅拌针呈上细下粗状，中间光滑曲面过渡，搅拌针的最下端(3)呈椭球状，椭球的长轴垂直于焊具的中心轴线，其短轴或与焊具的中心轴线重合或平行。
2.根据权利要求1所述的一种能 增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具，其特征在于:所述的焊具的材料采用高速工具钢、镍基合金、碳化钨钴合金、Wo-Co合金钢或者多晶立方氮化硼。
3.根据权利要求1所述的一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具，其特征在于:所述的焊具的轴肩与焊具中心线之间的倾角3=70° -85°。
4.根据权利要求1所述的一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具，其特征在于:所述的搅拌针其上部直径为Cl1，下部直径为d2，dM+l~4mm。
5.根据权利要求1所述的一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具，其特征在于:所述的搅拌针的长度应大于被焊接的铝板厚度的0.05~0.3mm。
6.根据权利要求1所述的一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具，其特征在于:所述的搅拌针的上部细端直径Cl1为铝板厚度的I~1.2倍。
7.根据权利要求1所述的一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具，其特征在于:所述的焊具的轴肩直径为搅拌针上端细部直径的Cl1的2.5~3倍。
8.一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊接方法，采用如权利要求1-7任一项所述的一种能增大铝钢搭接结合面积的搅拌摩擦焊具，其特征在于，方法如下: 放置铝板在上，钢板在下，装夹固定好后，将焊具移至待焊处，焊具的最下端压入钢板内部深度为0.05~0.5mm,焊具以3~5mm / min的速度扎入，停留2s,以200~2000rpm,10~1000_ / min的速度进行焊接,焊接完成后停留2s,以3~5_ / min的速度抽出焊具，焊接过程结束。
【文档编号】B23K20/12GK103894723SQ201410102419
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2014年3月13日
【发明者】黄永宪, 郭伟强, 万龙, 柯熠, 吕世雄 申请人:哈尔滨工业大学