一种铝‑钢异种金属铆焊复合连接的方法与流程

本发明涉及金属材料加工技术领域，特别涉及一种铝-钢异种金属铆焊复合连接的方法。

背景技术：

随着汽车、飞机工业的发展，对轻量化的要求也越来越高。结构设计过程中，优化结构和选择轻质材料成为了减轻结构重量的重要设计思路，因此异种金属的连接受到越来越广泛的应用，比如在汽车工业中应用较广泛的铝合金和高强钢的连接，在新型飞机设计中，为增加飞机结构强度，提高疲劳寿命，同时减轻飞机重量，大量采用高强钢和轻合金材料复合结构。但是异种材料的连接时由于熔焊热输入过大，会导致大量脆性金属间化合物的生成，影响接头性能，因此铆接技术在异种材料的连接中得到广泛的应用。

目前由于传统的锤铆和压铆工艺复杂、外观成型差，效率低且不容易进行自动化，出现了电磁铆接和自冲铆技术。电磁铆是利用在电磁设备中初级线圈和次级线圈以及放大器和调制器，在工作时初级线圈和次级线圈产生强大的涡流磁场，形成强大的冲击力，并以应力波的形式传播，应力波在放大器中传播并经过反射和折射，能使铆钉在极短的时间完成塑性变形，相比传统的铆接，电磁铆接加载速率高，接头疲劳寿命长，同时也能铆接普通铆接难以铆接的材料。但是电磁铆接设备昂贵，使用成本高，由于电磁铆接技术较新，关于电磁铆的工艺研究还不是很成熟。自冲铆是一种较新的铆接技术，它的原理是：冲头推动实心铆钉向下运动，铆钉下部的刃口将铆接材料加压，铆钉到达凹模后停止运动，随着冲头的继续下行，使铆钉发生塑性变形而向内作径向流动，使其紧紧包住铆钉，形成稳定的锁止状态。这种工艺不需要对板材进行钻孔处理，铆接效率高，且容易实现自动化。目前自冲铆的主要问题在于连接一些韧性不高的材料时容易出现脆裂，同时需要根据铆接材料的种类厚度设计不同的模具。

目前的铆接连接还只是简单的机械连接，国家专利cn105290608a公开了一种铆钉式机械连接辅助铝/钢异种材料搅拌摩擦搭接方法，为解决现有的铝/钢异种金属之间连接采用钎焊或熔焊过程中两者易反应生成脆性的金属间化合物，以及搅拌摩擦焊搭接过程中接头承载面积小，消弱铝/钢异种接头承载能力的问题。方法：一、在钢板的搭接宽度b上沿纵向中心线钻一排预钻孔；二、将钢板和铝板的接触表面及周围清理干净，去除钢板和铝板表面氧化物；三、采用有机溶剂或清洗剂擦拭钢板与铝板的表面；四、用夹具将铝板和钢板固定，搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头与铝板摩擦，软化的铝向下流动填充钢板上的预钻孔，形成铆钉式的连接结构，从而获得到经机械连接强化的铝/钢搅拌摩擦搭接接头。这种方法不需要添加铆钉，利用塑性的铝流向钢中形成铆接。这种铆接技术主要问题在于利用软化的铝向下填充预钻孔，必须增大下压量，这样会导致上板压痕较深，影响接头性能和美观，同时也存在下填金属会存在填充不充分等填充缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铝-钢异种金属铆焊复合连接的方法。本发明提供的方法解决了铝和钢异种材料熔化焊时接头产生过多的脆性金属间化合物，铆接中冷冲引起的开裂、疲劳性能较差的缺点，具有铆接和焊接的双重优点，增加了接头抗拉强度和疲劳性能。

本发明提供了一种铝-钢异种金属铆焊复合连接的方法，包括以下步骤：

(1)在待连接的铝板和钢板的搭接处进行预钻，得到预钻孔；

(2)将铆钉穿入所述预钻孔，使铆钉的钉帽端面与铝板的表面平齐，铆钉的另一端高于钢板表面；

(3)用旋转的无针搅拌头对所述高于钢板表面铆钉进行第一下压，使无针搅拌头的端面与钢板表面接触；然后继续进行第二下压后进行摩擦焊。

优选的，所述步骤(1)中预钻孔的孔径为4～8mm。

优选的，所述步骤(2)中铆钉的材质为铝合金。

优选的，所述步骤(2)中铆钉与预钻孔之间为间隙配合。

优选的，所述步骤(2)中铆钉高于钢板表面2～6mm。

优选的，所述步骤(3)中无针搅拌头的端面直径为铆钉直径的2～3倍。

优选的，所述步骤(3)中无针搅拌头的端面具有凹型纹路。

优选的，所述步骤(3)中旋转的速率为800～2000r/min。

优选的，所述步骤(3)中第二下压的深度为0.1～0.3mm。

优选的，所述步骤(3)中摩擦焊的时间为10～120s。

本发明提供了一种铝-钢异种金属铆焊复合连接的方法，包括以下步骤：在待连接的铝板和钢板的搭接处进行预钻，得到预钻孔；将铆钉穿入所述预钻孔，使铆钉的钉帽端面与铝板的表面平齐，铆钉的另一端高于钢板表面；用旋转的无针搅拌头对所述高于钢板表面铆钉进行第一下压，使无针搅拌头的端面与钢板表面接触；然后继续进行第二下压后进行摩擦焊。本发明通过铆接和搅拌摩擦焊复合连接技术，利用无针搅拌头与铆钉和上板钢板的摩擦产热，实现端面覆盖区域的铝/钢扩散连接，同时在压力作用下使塑化的铆钉膨胀后填充了铆钉和预冲孔之间的间隙，上部铆钉塑化被压入上板中，形成沉头铆头，解决了铝/钢异种材料熔化焊时接头产生过多的脆性金属间化合物，铆接中接头密闭性不好、疲劳性能较差的缺点，实现铆接和焊接的双重优点，增加了接头抗拉强度和疲劳性能。实验结果表明，本发明提供的方法得到的连接件最大剪切强度为12.96kn，比直接铆接得到的接头强度8.58kn提高了51％，在疲劳载荷为4.0kn，应力比r＝0.1时，传统铆接接头疲劳寿命为7.9×10⁴，复合铆接接头疲劳为1.2×10⁶，疲劳寿命提高两个数量级。

附图说明

图1为本发明中铆焊复合连接结构示意图；

图中1为无针搅拌头，2为钢板，3为铆钉，4为铝板；

图2为本发明中铆焊复合连接完成后结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种铝-钢异种金属铆焊复合连接的方法，包括以下步骤：

(1)在待连接的铝板和钢板的搭接处进行预钻，得到预钻孔；

(2)将铆钉穿入所述预钻孔，使铆钉的钉帽端面与铝板的表面平齐，铆钉的另一端高于钢板表面；

(3)用旋转的无针搅拌头对所述高于钢板表面铆钉进行第一下压，使无针搅拌头的端面与钢板表面接触；然后继续进行第二下压后进行摩擦焊。

本发明在待连接的铝板和钢板的搭接处进行预钻，得到预钻孔。在本发明中，所述预钻孔的孔径优选为4～8mm，更优选为5～7mm，最优选为6mm。本发明对所述预钻的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的钻孔的技术方案即可，如采用电钻或钻孔机进行钻孔。

在本发明中，所述铝板外表面的预钻孔优选具有与铆钉配合的沉头孔。本发明对所述沉头孔的形状没有特殊的限定，根据铆钉的钉帽形状进行调整即可。

本发明对所述铝板和钢板的厚度没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的铝板和钢板即可。在本发明中，所述铝板和钢板的厚度优选独立地为2～5mm，更优选为3～4mm。在本发明中，所述铝板的材质优选为纯铝或铝合金。在本发明中，所述钢板的材质优选为碳钢或合金钢；所述钢板表面更优选包括镀锌层，即镀锌钢；所述镀锌层使搅拌头端面下的扩散连接更好。

预钻完成后，本发明优选对所述待连接铝板和钢板表面进行清理。本发明对所述清理的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的表面清理的技术方案即可。在本发明中，所述清理优选依次包括去毛刺、打磨和清洗。本发明对所述去毛刺的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的去毛刺的技术方案即可。在本发明中，所述去毛刺使铆钉与预钻孔之间、铝板与钢板之间形成较好的配合。在本发明中，所述打磨优选采用砂纸，更优选为400#砂纸。在本发明中，所述清洗优选为用丙酮擦拭。在本发明中，所述打磨和清洗能够是板材表面光亮，去除表面的氧化层和油污。

得到预钻孔后，本发明将铆钉穿入所述预钻孔，使铆钉的钉帽端面与铝板的表面平齐，铆钉的另一端高于钢板表面。在本发明中，所述铆钉的材质优选为铝合金，更优选为2xxx系列或7xxx系列铝合金，最优选为2a14铝合金或7a04铝合金。在本发明中，所述2a14铝合金或7a04铝合金具有较高的强度，能够进一步提高连接性能。

在本发明中，所述铆钉与预钻孔之间优选为间隙配合。在本发明中，所述铆钉的直径优选为4～8mm，更优选为5～7mm，最优选为6mm。在本发明中，所述间隙配合使铆钉容易穿入预钻孔。在本发明中，所述铆钉优选高于钢板表面2～6mm，更优选为3～5mm，最优选为4mm。

本发明优选在使用前将所述铆钉进行清洗。本发明对所述清洗的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的清洗的技术方案即可。在本发明中，所述清洗优选为：将铆钉放入质量浓度为25～35％的氢氧化钠溶液中25～35s后取出；然后放入浓度为8～12％硝酸的溶液中8～12s后取出，清水冲洗，然后再用酒精擦拭后吹干。

铆钉穿入所述预钻孔后，本发明优选将所述铝板、钢板和铆钉进行装夹。本发明对所述装夹的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的装夹方式即可。为方便搅拌摩擦焊的操作，在本发明优选按照铝板在下，钢板在上的方式进行装夹。

本发明铆焊复合连接结构示意图如图1所示。装夹完成后，本发明用旋转的无针搅拌头对所述高于钢板表面铆钉进行第一下压，使无针搅拌头的端面与钢板表面接触；然后继续进行第二下压后进行摩擦焊。在本发明中，所述无针搅拌头的端面直径优选为铆钉直径的2～3倍；更优选为6～18mm，最优选为12mm。在本发明中，所述无针搅拌头的端面优选具有凹型纹路。本发明对所述凹型纹路的形状和密度没有特殊的限定，能够增大搅拌头端面的摩擦即可。本发明对所述无针搅拌头的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的搅拌摩擦焊机的搅拌头即可。在本发明中，所述无针搅拌头的材质优选为高温合金钢或硬质合金。

在本发明中，所述旋转的速率优选为800～2000r/min，更优选为1000～1800r/min，最优选为1200～1600r/min。本发明对所述第一下压的速率没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的下压速率即可。在本发明中，所述第一下压过程中，当所述搅拌头接触铆钉后，所述下压速率优选为1.5～2.5mm/min，更优选为2mm/min。在本发明中，所述第一下压的压力优选为5000～15000n，更优选为8000～12000n，最优选为10000n。在本发明中，所述第一下压过程中，在无针搅拌头压力和摩擦热作用下，塑化的铆钉被墩粗膨胀，填充铆钉与预钻孔之间的间隙，并且使铆钉上部被压入钢板中，形成沉头铆头。

无针搅拌头的端面与钢板表面接触后，本发明使旋转的无针搅拌头继续进行第二下压。在本发明中，所述第二下压速率优选为1.5～2.5mm/min，更优选为2mm/min。在本发明中，所述第二下压的压力优选为5000～15000n，更优选为8000～12000n，最优选为10000n。在本发明中，所述第二下压的深度优选为0.1～0.3mm，更优选为0.2mm。

本发明在所述第二下压完成后，停止下压，进行摩擦焊。在本发明中，所述摩擦焊的时间优选为10～120s，更优选为20～40s。在本发明中，所述摩擦焊过程中，在无针搅拌头端面与钢板摩擦区域以下的铝/钢界面上形成了扩散连接。铆焊复合连接完成后工件结构示意图如图2所示。

本发明利用无针搅拌头与铆钉和钢板的摩擦产热，在摩擦热和搅拌头压力作用下，塑化的铝铆钉被墩粗，填充了铆钉和预冲孔之间的间隙，上部铆钉塑化被压入上板中，形成沉头铆头，避免了铆接接头的纯机械连接，没有冶金结合，密闭性不好的问题以及铆接中冷冲引起的开裂、疲劳性能较差的缺点；同时在搅拌头端面与上板摩擦区域以下的铝/钢界面上形成了扩散连接，金属不熔化，解决了铝和钢异种材料熔化焊时接头产生过多的脆性金属间化合物的问题；具有铆接和焊接的双重优点，增加了接头抗拉强度和疲劳性能。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的铝-钢异种金属铆焊复合连接的方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1:

首先将4mm厚的2a14铝合金切割成100mm×40mm×4mm规格大小的板材，同样选取2mm厚的镀锌钢板切割成100mm×40mm×2mm大小的待焊样，用直径为4mm的钻头在铆接点钻孔，在钢板下部钻锥形沉头孔，用400#的砂纸打磨对接面，同时用锉刀对钻孔毛刺进行清理，最后用丙酮对接头进行清洗；

将清洗过的带有锥形铆头的铆钉从下方穿入，铆钉材料为2a14铝合金，铆钉底部与下板底部齐平，上部高出上板面4mm，装夹待焊；

采用12mm直径端面的无搅拌针的搅拌头旋转压入，搅拌头旋转速度为1500r/min，当搅拌头端面与上板接触时，再下压0.2mm，保持30s即完成焊接。

采用拉伸机对铆焊复合连接试样进行拉伸，断裂发生在界面，铆钉发生剪切断裂，最大剪切强度为6.53kn，而传统铆接的接头抗拉剪力仅为4.39kn，采用搅拌摩擦铆接焊得到的复合接头比单一铆接焊的接头强度提高了48.7％；在疲劳载荷为2.5kn，应力比r＝0.1时，传统铆接接头疲劳寿命为5.2×10⁴，复合铆接接头疲劳为9.2×10⁵，疲劳寿命提高一个数量级。

实施例2:

首先将4mm厚的2a14铝合金切割成100mm×40mm×4mm规格大小的板材，同样选取2mm厚的镀锌钢板切割成100mm×40mm×2mm大小的待焊样，用直径为6mm的钻头在铆接点钻孔，在钢板下部钻锥形沉头孔，用400#的砂纸打磨对接面，同时用锉刀对钻孔毛刺进行清理，最后用丙酮对接头进行清洗；

将清洗过的带有锥形铆头的铆钉从下方穿入，铆钉材料为7a04铝合金，铆钉底部与下板底部齐平，上部高出上板面4mm，装夹待焊；

采用16mm直径端面的无搅拌针的搅拌头旋转压入，搅拌头旋转速度为1500r/min，当搅拌头端面与上板接触时，再下压0.2mm，焊接时间为30s。

采用拉伸机对焊接试样进行拉伸，断裂发生在界面，铆钉发生剪切断裂，最大剪切强度为12.96kn，比直接铆接得到的接头强度8.58kn提高了51％；在疲劳载荷为4.0kn，应力比r＝0.1时，传统铆接接头疲劳寿命为7.9×10⁴，复合铆接接头疲劳为1.2×10⁶，疲劳寿命提高两个数量级。

从以上实施例可以看出，本发明提供的方法解决了铝/钢异种材料熔化焊时接头产生过多的脆性金属间化合物，铆接中接头密闭性不好、疲劳性能较差的缺点，实现铆接和焊接的双重优点，增加了接头抗拉强度和疲劳性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。