一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具及焊接方法
【專利摘要】本發明提出了一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具及焊接方法。焊具夾持體和攪拌針，攪拌針呈上細下粗狀，中間光滑曲面過渡，攪拌針的最下端呈橢球狀，橢球的長軸垂直于焊具的中心軸線，短軸平行于焊具的中心軸線。根據材料的厚度首先確定攪拌針長以及根部直徑；確定攪拌針最大直徑、圓弧過渡的半徑及攪拌針上球面的半徑；確定攪拌針與軸肩之間傾斜角；進行異種材料搭接接頭的攪拌摩擦焊接。本發明既能保證接頭界面良好結合，接頭的力學性能得到提升，又能保證焊縫表面成型完好，內部無缺陷。
【專利說明】一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具及焊接方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具及焊接方法。
【背景技術】
[0002]隨著全球性的環境問題愈演愈烈，汽車工業為節約能源、保護環境，努力減輕汽車自重。與鋼相比，鋁具有密度低，比強度高等優點，鋁和鋼復合金屬焊接結構已成為汽車輕量化的首選方案，而這勢必會涉及到鋁和鋼異種材料的焊接。然而，鋁和鋼之間熔點、熱力學系數及晶格結構的差異給鋁和鋼的連接帶來了極大的困難。攪拌摩擦焊是一種固相連接方法，不會產生熔焊焊接過程中的熱裂紋、氣孔等問題，并且接頭的變形小，殘余應力低，接頭強度系數高。自問世以來在鋁、鎂等輕質合金的焊接中得到了廣泛的應用，然而對于鋼而言，熔點較高，尋找比“鋼”更硬的攪拌頭材料不那么容易，而對于鋁和鋼的搭接接頭，鋁和鋼物化性質的差異，導致攪拌摩擦焊接后結合面積不夠，接頭的力學性能較低，而通過提高攪拌針的直徑會出現溝槽等缺陷。
【發明內容】
[0003]本發明為了解決鋁和鋼搭接攪拌摩擦焊過程中存在的有效結合面積小，接頭的力學性能差等問題，提供了一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具及焊接方法。
[0004]本發明采用的技術如下:
[0005]一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具，包括夾持體和攪拌針,夾持體包括上圓柱體和下圓柱體，上圓柱體、下圓柱體和攪拌針自上而下為一體結構，上圓柱體上設置有夾持面，上圓柱體直徑小于下圓柱體直徑，下圓柱體上設置有隔熱槽，隔熱槽數目大于等于三個，焊具速度軸肩內凹，焊具的軸肩與攪拌針根部曲面過渡，攪拌針呈上細下粗狀，中間光滑曲面過渡，攪拌針的最下端呈橢球狀，橢球的長軸垂直于焊具的中心軸線，其短軸或與焊具的中心軸線重合或平行。
[0006]本發明還具有如下技術特征:
[0007]1、所述的焊具的材料采用高速工具鋼、鎳基合金、碳化鎢鈷合金、Wo-Co合金鋼或者多晶立方氮化硼。
[0008]2、所述的焊具的軸肩與焊具中心線之間的傾角δ=70° -85°。
[0009]3、所述的攪拌針其上部直徑為Cl1，下部直徑為d2，Cl2=Cl1+!~4mm。
[0010]4、所述的攪拌針的長度應大于被焊接的鋁板厚度的0.05~0.3_。
[0011]5、所述的攪拌針的上部細端直徑Cl1為鋁板厚度的I~1.2倍
[0012]6、所述的焊具的軸肩直徑為攪拌針上端細部直徑的Cl1的2.5~3倍。
[0013]7、一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊接方法，采用如上所述的焊具，方法如下:
[0014]放置鋁板在上，鋼板在下，裝夾固定好后，將焊具移至待焊處，焊具的最下端壓入鋼板內部深度為0.05~0.5mm，焊具以3~5mm / min的速度扎入，停留2s，以200~2000rpm, 10~1000mm / min的速度進行焊接,焊接完成后停留2s,以3~5mm / min的速
度抽出焊具，焊接過程結束。
[0015]本發明具有以下優點:一、攪拌針最下部呈球面，球面直徑大于根部直徑，與柱狀或錐狀帶螺紋的攪拌針相比，攪拌針扎入鋼中部分的面積較大，攪拌摩擦產熱明顯增加，有利于鋼和鋁之間實現原子間的結合，提高接頭的力學性能。二、攪拌針根部直徑不變，攪拌針和軸肩與鋁板內部的摩擦產熱沒有變化，對鋁板的熱影響較小，同時焊縫表面成型較好，焊縫內部無溝槽等缺陷。三、本發明利用高速工具鋼即可實現鋁和鋼搭接的攪拌摩擦焊，操作簡單靈活，可實施性強。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明的焊具的整體結構主剖視圖，
[0017]圖2是圖1攪拌針處的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
[0019]結合圖1、2說明本實施方式，一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具，包括夾持體和攪拌針，夾持體包括上圓柱體I和下圓柱體2，上圓柱體、下圓柱體及攪拌針自上而下制成一體，上圓柱體I上有夾持面1-1，用于固定焊具的位置，上圓柱體I直徑小于下圓柱體2直徑，小圓柱體2上刻有隔熱槽2-1，隔熱槽三個，軸肩內凹，軸肩與攪拌針根部曲面過渡，攪拌針呈上細下粗狀，中間光滑曲面過渡，攪拌針的最下端3呈橢球狀，橢球的長軸垂直于焊具的中心軸線，短軸平行于焊具的中心軸線。焊具的軸肩與焊具中心線之間的傾角δ=70° ,攪拌針的上部直徑為(I1,下部直徑為d2,d2 =屯+lmm ;所述的攪拌針的上部細端直徑Cl1與鋁板厚度相同；所述的攪拌針的長度L應大于被焊接的鋁板厚度的0.05mm。所述的焊具的軸肩直徑D為攪拌針上端細部直徑的Cl1的2.5倍。焊具材料采用高速工具鋼、鎳基合金、碳化鎢鈷合金、Wo-Co合金鋼或者多晶立方氮化硼等，焊具可以重復使用。
[0020]實施例2
[0021]一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具，包括夾持體和攪拌針，夾持體包括上圓柱體1和下圓柱體2，上圓柱體、下圓柱體及攪拌針自上而下制成一體，上圓柱體I上有夾持面1-1，用于固定焊具的位置，上圓柱體I直徑小于下圓柱體2直徑，小圓柱體2上刻有隔熱槽2-1，隔熱槽四個，軸肩內凹，軸肩與攪拌針根部曲面過渡，攪拌針呈上細下粗狀，中間光滑曲面過渡，攪拌針的最下端3呈橢球狀，橢球的長軸垂直于焊具的中心軸線，短軸與焊具的中心軸線重合。焊具的軸肩與焊具中心線之間的傾角3=85°，攪拌針的上部直徑為Cl1，下部直徑為d2，Cl2=Cl1+^ ;所述的攪拌針的上部細端直徑Cl1為鋁板厚度的1.2倍；所述的攪拌針的長度L應大于被焊接的鋁板厚度的0.3mm。所述的焊具的軸肩直徑D為攪拌針上端細部直徑的Cl1的3倍。焊具材料采用高速工具鋼、鎳基合金、碳化鎢鈷合金、Wo-Co合金鋼或者多晶立方氮化硼等，焊具可以重復使用。
[0022]實施例3
[0023]一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊接方法，采用如實施例1或2所述的焊具，放置鋁板在上，鋼板在下，裝夾固定好后，將焊具移至待焊處，焊具壓入深度為0.05?0.5mm，焊具以3?5mm/min的速度扎入，停留2s，以200?2000rpm，10?IOOOmm/min的速度進行焊接，焊接完成后停留2s，以3?5mm/min的速度抽出焊具，焊接過程結束。
【權利要求】
1.一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具，包括夾持體和攪拌針，夾持體包括上圓柱體(1)和下圓柱體(2)，上圓柱體、下圓柱體和攪拌針自上而下為一體結構，其特征在于:上圓柱體(1)上設置有夾持面(1-1)，上圓柱體(1)直徑小于下圓柱體(2)直徑，下圓柱體(2)上設置有隔熱槽(2-1)，隔熱槽數目至少三個，焊具速度軸肩內凹，焊具的軸肩與攪拌針根部曲面過渡，攪拌針呈上細下粗狀，中間光滑曲面過渡，攪拌針的最下端(3)呈橢球狀，橢球的長軸垂直于焊具的中心軸線，其短軸或與焊具的中心軸線重合或平行。
2.根據權利要求1所述的一種能 增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述的焊具的材料采用高速工具鋼、鎳基合金、碳化鎢鈷合金、Wo-Co合金鋼或者多晶立方氮化硼。
3.根據權利要求1所述的一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述的焊具的軸肩與焊具中心線之間的傾角3=70° -85°。
4.根據權利要求1所述的一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述的攪拌針其上部直徑為Cl1，下部直徑為d2，dM+l~4mm。
5.根據權利要求1所述的一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述的攪拌針的長度應大于被焊接的鋁板厚度的0.05~0.3mm。
6.根據權利要求1所述的一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述的攪拌針的上部細端直徑Cl1為鋁板厚度的I~1.2倍。
7.根據權利要求1所述的一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述的焊具的軸肩直徑為攪拌針上端細部直徑的Cl1的2.5~3倍。
8.一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊接方法，采用如權利要求1-7任一項所述的一種能增大鋁鋼搭接結合面積的攪拌摩擦焊具，其特征在于，方法如下: 放置鋁板在上，鋼板在下，裝夾固定好后，將焊具移至待焊處，焊具的最下端壓入鋼板內部深度為0.05~0.5mm,焊具以3~5mm / min的速度扎入，停留2s,以200~2000rpm,10~1000_ / min的速度進行焊接,焊接完成后停留2s,以3~5_ / min的速度抽出焊具，焊接過程結束。
【文檔編號】B23K20/12GK103894723SQ201410102419
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月13日 優先權日:2014年3月13日
【發明者】黃永憲, 郭偉強, 萬龍, 柯熠, 呂世雄 申請人:哈爾濱工業大學