用于铝钢材料对接的钢侧高频感应加热搅拌摩擦焊方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种异种材料搅拌摩擦焊接的方法，具体涉及一种用于铝钢异种材料对接的钢侧高频感应加热预先软化辅助的搅拌摩擦焊方法。
【背景技术】
[0002]近年来，环境保护问题越来越受到世界各国的关注，汽车制造行业为了保护环境、节约燃料，不断努力使汽车实现轻量化，因此对汽车用材料提出了特殊要求。铝合金质量轻，强度高，增加铝合金材料的使用量便成为了其中的重要措施之一，所以在汽车生产过程中，采用“铝和钢”双金属焊接结构成为汽车轻量化的首选方案，这必然涉及到铝和钢异种材料之间的连接问题。从21世纪初开始，许多国内外汽车研究机构和生产厂家不断在寻找能够实现铝/钢异种金属之间有效连接的焊接方法。铝钢异种金属焊接的主要问题是两者之间的热物理性能差异较大、固溶度较低，并易生成脆性的金属间化合物，极大地降低焊接接头的力学性能。目前，铝钢异种材料之间的连接通常采用钎焊、压焊和熔焊。采用压焊或者钎焊的方法效率较低，并且对工件的形状和尺寸也有特殊要求，不适于大批量生产。而熔焊方法中生成的金属间化合物又是不可避免的附加产物，会削弱铝钢焊接接头的承载能力。因此急需一种新的高效、高质量的焊接方法来解决上述问题。搅拌摩擦焊作为固相连接技术，具有焊接残余应力小、焊接变形小，接头质量高，不需要保护气体和填充材料，可消除夹杂、气孔、裂纹等焊接缺陷，以及不产生烟尘、弧光、噪音等，同时具有操作简单、易于自动化焊接、焊接效率高等特点。焊接过程中材料不发生熔化，热输入较低，在异种材料的焊接方面具有独特的优势。然而，由于钢的强度和熔点高，在焊接过程中搅拌针的磨损严重，采用聚晶立方氮化硼、钨铼合金等超硬焊具在某种程度上解决焊具磨损问题，但是它们存在断裂韧性低、制备难、加工难、价格高等经济与技术不足等缺点，难以普遍应用。
【发明内容】
[0003]本发明为解决铝钢异种材料对接时由于钢的硬度较高而导致的搅拌针磨损严重，焊接缺陷多，连接强度低而引起的接头失效的问题，提供了一种用于铝钢材料对接的钢侧高频感应加热搅拌摩擦焊方法。
[0004]本发明的方法是通过以下步骤实现的:
[0005]步骤一、将待焊钢板和待焊铝板的对接端面及上下端面焊接区清理干净，焊接区为20mm?30mm，去除待焊钢板和待焊招板表面的氧化物；
[0006]步骤二、采用有机溶剂擦拭经机械处理过后的待焊钢板和待焊铝板的表面，将待焊钢板和待焊铝板以对接的方式置于工作台上，并用夹具进行刚性装夹；
[0007]步骤三、高频感应加热装置设置在搅拌头的前方且位于待焊钢板的待焊区域，高频感应加热装置距搅拌头之间的距离b为5mm?25mm，将高频感应加热装置与搅拌摩擦焊机一体化连接，高频感应加热装置在焊接过程中随着搅拌头沿着焊接方向同步移动；
[0008]步骤四、在待焊钢板的焊接背面铺设薄膜阻热材料，薄膜阻热材料可降低因待焊钢板导热导致的钢板厚度方向温度分布不均；
[0009]步骤五、合理设置高频感应加热装置的电流频率与线圈匝数，电流频率在20kHz?10kHz之间，线圈匝数在10匝?40匝之间，利用线圈端部磁场在待焊钢板中引起的电磁效应对待焊钢板进行加热，控制待焊钢板的温度在焊接之前维持在400°C?550°C之间；
[0010]步骤六、启动搅拌摩擦焊机，搅拌针中心位置偏向待焊铝板一侧，偏移距离为搅拌针直径数值的1/4?1/3，搅拌头以转速200r/min?3000r/min，焊接速度10mm/min?1000mm/min，轴肩下压量0.05mm?Imm的焊接参数沿焊接方向焊接。
[0011]本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
[0012]—、本发明是钢侧高频感应加热预软化辅助搅拌摩擦焊的方法，是一种固相连接方法，利用高频感应对待焊钢板进行局部快速加热，使钢板在焊接之前达到400-550°C，材料出现一定程度软化，既可以在搅拌摩擦焊过程中减轻钢材料对搅拌头的磨损，还能在同种条件下增大焊接速度，提高焊接效率。
[0013]二、软化条件下的钢材料，在焊接过程中能与铝材料充分混合，消除了常规焊接过程中出现的沟槽、夹杂等由于流动不充分引起的缺陷，改善了焊缝成形，焊接质量提高。
[0014]三、高频感应加热辅助焊接铝-钢材料时，加热只施加在钢板一侧，而不施加在铝板一侧，避免了常规加热方式下的铝板熔化；该方法具有局部性和高效性。
[0015]四、在待焊钢板的焊接背面铺设薄膜阻热材料，可有效减小在厚度方向产生过大的温度梯度，防止厚度方向因温差过大引起的组织结构缺欠。
[0016]五、高频感应加热过程简单，易于控制，温度控制精度高，易于实现自动化。
【附图说明】
[0017]图1是本发明铝钢材料对接的钢侧高频感应加热预软化辅助搅拌摩擦焊接过程示意图(图中标记7的前头所指为加热区域，标记8的焊接方向)。
【具体实施方式】
[0018]【具体实施方式】一:结合图1说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的:
[0019]步骤一、将待焊钢板I和待焊铝板2的对接端面及上下端面焊接区W清理干净，焊接区W为20mm?30mm，去除待焊钢板I和待焊招板2表面的氧化物；
[0020]步骤二、采用有机溶剂擦拭经机械处理过后的待焊钢板I和待焊铝板2的表面，去除金属粉尘和油污等杂物，将待焊钢板I和待焊铝板2以对接的方式置于工作台上，并用夹具进行刚性装夹；
[0021]步骤三、高频感应加热装置3设置在搅拌头4的前方且位于待焊钢板I的待焊区域，预热使钢板局部软化，减轻搅拌针磨损，提高焊接速度，高频感应加热装置3距搅拌头4之间的距离b为5_?25_，将高频感应加热装置3与搅拌摩擦焊机5 —体化连接，高频感应加热装置3在焊接过程中随着搅拌头3沿着焊接方向同步移动；
[0022]步骤四、在待焊钢板I的焊接背面铺设薄膜阻热材料6，可防止在厚度方向产生过大温度梯度；薄膜阻热材料6可降低因待焊钢板I导热导致的钢板厚度方向温度分布不均，薄膜阻热材料6的厚度对待焊钢板I整体厚度的影响可忽略；
[0023]步骤五、合理设置高频感应加热装置3的电流频率与线圈匝数，电流频率在20kHz?10kHz之间，线圈匝数在10匝?40匝之间，利用线圈端部磁场在待焊钢板I中引起的电磁效应对待焊钢板I进行加热，控制待焊钢板I的温度在焊接之前维持在400°C?550°C之间，这样一方面使待焊钢板I尽可能受热软化，另一方面防止因热传导使待焊铝板2温度过高；
[0024]步骤六、启动搅拌摩擦焊机5，搅拌针中心位置偏向待焊铝板2 —侧，偏移距离为搅拌针直径数值的1/4?1/3，搅拌头4以转速200r/min?3000r/min，焊接速度1mm/min?1000mm/min