铝钢搅拌摩擦连接方法与流程

本发明涉及焊接技术领域的固相连接技术，具体涉及铝钢异种材料对接的固相连接技术。

背景技术：

在工业制造业领域中，异种金属复合结构由于集成了两种材料各自的优点而获得了越来越广泛的应用，特别是铝及铝合金与钢的复合结构。铝材（铝及铝合金）具有质轻、高导热性、高导电性等优点，而钢具有高强度、塑性好等优点，所以铝钢组成的复合结构可以有效减轻结构的重量、改善材料的强度、抗腐蚀性和抗冲击性能。如汽车领域，铝板材与镀锌钢板材的复合连接结构。

由于异种金属材料的物理和化学性能不同，采用传统的连接技术不能实现铝与钢的可靠连接，比如熔化焊、熔钎焊等在铝合金与钢铁材料的连接中遇到了巨大挑战。其根本原因在于，铝与钢铁材料之间将会形成脆性的金属间化合物，金属间化合物界面层厚度的控制成为连接难题。因此，传统的连接手段难以实现异种材料的可靠连接。

搅拌摩擦焊为异种金属的连接提供了一个重要的连接方法，其连接机制是通过搅拌头的旋转摩擦产热，使搅拌针周围材料进入塑性状态，再通过工具的搅拌、被连接材料发生动态回复再结晶从而形成致密的焊缝。这种连接工艺过程中，材料并不发生熔化，从而避免了很多冶金缺陷的产生，例如，搅拌摩擦焊可以有效避免异种材料连接时生成大量金属间化合物。但是，在铝与钢异种材料的搅拌摩擦焊过程中，仍有尚需解决的几个问题：

一是连接工具的磨损问题：由于一般情况下，连接工具采用工具钢制造，如果连接工具直接与钢进行搅拌摩擦连接，连接工具将会很快磨损，并且由于连接工具与钢的剧烈摩擦，将会产生局部高温，导致附近的铝材熔化，与钢进行冶金反应形成脆性的金属间化合物，连接工具直接与钢搅拌摩擦加快了连接工具的磨损。因此，如何严格控制连接工具磨损量，使一个连接工具能发挥更大的经济效益具有极其重要的作用。

二是连接质量的问题：由于铝与钢的连接质量主要取决于两者界面之间的连接强度，为了保证之间的连接强度，必须确保界面反应的有效性和适度性。所谓有效性，是指界面反应需要达到一定程度才能形成良好连接，所谓适度，即界面反应不能过度，否则过厚的金属间化合物将损害接头力学性能。因此，接头界面温度的控制也是影响连接质量的关键。

三是界面材料的传质问题：材料有效流动带来的摩擦热会给界面反应提供足够的温度。传统的搅拌摩擦焊工具，搅拌针端部为圆柱状，在与对接接头中的铝搅拌时，金属的流动性较差。因而传统搅拌摩擦焊过程中，工件表面温度最高，材料流动最剧烈，由表面往下则传质越困难、温度越低，材料的流动性能变差。对于铝与钢的对接接头，其所需要的最好状态是在界面处具有良好的材料流动与足够的温度，这样有助于获得良好的界面连接效果。

上述问题的存在，使得搅拌摩擦焊连接铝材与钢具有特殊性，必须采用新型的连接工艺与连接工具，才能保证这种异种金属材料的高质量、稳定性的连接。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种铝钢搅拌摩擦连接方法。

本发明是铝钢搅拌摩擦连接方法，钢板5在连接前在板厚方向开设锯齿槽，其中齿深δ=1.5～2mm，锯齿槽的第一倾斜角α=25°～30°，第二倾斜角β=45°～50°，齿距D=3～4mm，钢板5的长度为L，L/D为开设的锯齿数；钢板5和铝板4沿铝板4的端线PP′拼合，钢放置在搅拌头的前进侧，而铝材放置在搅拌头的后退侧，端线PP′与搅拌针1的轴心线OO′所在的平面与铝板4、钢板5所在的平面垂直；搅拌针1偏向铝侧但紧贴钢侧锯齿顶部进行连接，在轴向顶锻力和搅拌针1的搅拌作用下，使发生塑性状态的铝材填充到预先开设好的锯齿槽中，而塑态的钢迁移到铝基体中，实现铝与钢的有效连接；连接参数为：搅拌头的旋转速度为1200～1400rpm，行进速度为20～40mm/min，轴肩下压量为0.1～0.2mm。

本发明的有益之处为：1.本发明在连接过程中搅拌针插入到铝合金侧进行搅拌，搅拌针与钢侧锯齿的齿顶的材料适度摩擦，而轴肩与钢上表面适度的摩擦，产生的摩擦热将提供界面反应的热量，连接过程中产生很少的金属间化合物。

2.为了增加铝合金与钢界面反应的面积和减少连接工具的磨损，在钢侧开锯齿状的槽，开槽的方向与搅拌头回转的方向相吻合，这样的目的是将经搅拌摩擦后的塑态金属挤压到预先开设的锯齿状槽中，在顶锻力和摩擦力的共同作用下，完成异种金属间的界面反应，开设锯齿另一目的是由原来的面摩擦变为线摩擦，减小了摩擦面积从而减小了连接工具的磨损。

3.通过增加轴肩面积来增加连接热量的输入，来提高界面反应所需温度。因为界面反应的热量主要由轴肩产生，所以增加搅拌头轴肩面积来增加摩擦面积使得产生更多的热量，特殊形状的连接工具的另一个方面是增加塑性金属的流动性。

附图说明

图1 为本发明的示意图，图2 为图1中M-M向示意图，图3为钢板开设的锯齿形状示意图，图4是连接工具的形状示意图，附图标记及对应名称：搅拌针1，搅拌针1的轴心线OO′，轴肩2，焊缝3，铝板4，铝板4的端线PP′，钢板5，铝板4和钢板5的板厚h，接触摩擦面6，锯齿槽7，端线PP′与锯齿槽所成的第一倾斜角α，第二倾斜角β，轴肩的半径R，搅拌针1的内凹面的半径r。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明是铝钢搅拌摩擦连接方法，钢板5在连接前在板厚方向开设锯齿槽，其中齿深δ=1.5～2mm，锯齿槽的第一倾斜角α=25°～30°，第二倾斜角β=45°～50°，齿距D=3～4mm，钢板5的长度为L，L/D为开设的锯齿数；钢板5和铝板4沿铝板4的端线PP′拼合，钢放置在搅拌头的前进侧，而铝材放置在搅拌头的后退侧，端线PP′与搅拌针1的轴心线OO′所在的平面与铝板4、钢板5所在的平面垂直；搅拌针1偏向铝侧但紧贴钢侧锯齿顶部进行连接，在轴向顶锻力和搅拌针1的搅拌作用下，使发生塑性状态的铝材填充到预先开设好的锯齿槽中，而塑态的钢迁移到铝基体中，实现铝与钢的有效连接；连接参数为：搅拌头的旋转速度为1200～1400rpm，行进速度为20～40mm/min，轴肩下压量为0.1～0.2mm。板厚h为2~3mm。

如图4所示，搅拌针1端面形状为三花瓣凹槽形状，能够在旋转时使塑态材料得到充分的流动；轴肩2的摩擦端面由外向内分别为平面和内凹面，典型的平面段占轴肩摩擦端面的60%。R为轴肩的半径，取值12mm；r为内凹面的半径，取值3mm，其余的是轴肩平面部分。

搅拌针1则随主轴的旋转而对母材进行搅拌，搅拌针并不是对中插入焊缝进行连接，而是搅拌针插入铝材侧进行搅拌铝材，使得铝材达到塑性状态，在搅拌针与轴肩的共同作用下，使达到塑性状态的铝材随着搅拌针的回转填入到预先开设的锯齿状凹槽中，并且使塑性金属与钢发生界面反应，而发生软化的钢随搅拌针迁移到铝基体中，使两种性能相差很大的金属达到可靠地连接。由于搅拌针1与钢发生摩擦的面积减少，故搅拌针的磨损情况很小。