一種鋁?鋼異種金屬鉚焊復合連接的方法與流程

本發明涉及金屬材料加工技術領域，特別涉及一種鋁-鋼異種金屬鉚焊復合連接的方法。

背景技術：

隨著汽車、飛機工業的發展，對輕量化的要求也越來越高。結構設計過程中，優化結構和選擇輕質材料成為了減輕結構重量的重要設計思路，因此異種金屬的連接受到越來越廣泛的應用，比如在汽車工業中應用較廣泛的鋁合金和高強鋼的連接，在新型飛機設計中，為增加飛機結構強度，提高疲勞壽命，同時減輕飛機重量，大量采用高強鋼和輕合金材料復合結構。但是異種材料的連接時由于熔焊熱輸入過大，會導致大量脆性金屬間化合物的生成，影響接頭性能，因此鉚接技術在異種材料的連接中得到廣泛的應用。

目前由于傳統的錘鉚和壓鉚工藝復雜、外觀成型差，效率低且不容易進行自動化，出現了電磁鉚接和自沖鉚技術。電磁鉚是利用在電磁設備中初級線圈和次級線圈以及放大器和調制器，在工作時初級線圈和次級線圈產生強大的渦流磁場，形成強大的沖擊力，并以應力波的形式傳播，應力波在放大器中傳播并經過反射和折射，能使鉚釘在極短的時間完成塑性變形，相比傳統的鉚接，電磁鉚接加載速率高，接頭疲勞壽命長，同時也能鉚接普通鉚接難以鉚接的材料。但是電磁鉚接設備昂貴，使用成本高，由于電磁鉚接技術較新，關于電磁鉚的工藝研究還不是很成熟。自沖鉚是一種較新的鉚接技術，它的原理是：沖頭推動實心鉚釘向下運動，鉚釘下部的刃口將鉚接材料加壓，鉚釘到達凹模后停止運動，隨著沖頭的繼續下行，使鉚釘發生塑性變形而向內作徑向流動，使其緊緊包住鉚釘，形成穩定的鎖止狀態。這種工藝不需要對板材進行鉆孔處理，鉚接效率高，且容易實現自動化。目前自沖鉚的主要問題在于連接一些韌性不高的材料時容易出現脆裂，同時需要根據鉚接材料的種類厚度設計不同的模具。

目前的鉚接連接還只是簡單的機械連接，國家專利cn105290608a公開了一種鉚釘式機械連接輔助鋁/鋼異種材料攪拌摩擦搭接方法，為解決現有的鋁/鋼異種金屬之間連接采用釬焊或熔焊過程中兩者易反應生成脆性的金屬間化合物，以及攪拌摩擦焊搭接過程中接頭承載面積小，消弱鋁/鋼異種接頭承載能力的問題。方法：一、在鋼板的搭接寬度b上沿縱向中心線鉆一排預鉆孔；二、將鋼板和鋁板的接觸表面及周圍清理干凈，去除鋼板和鋁板表面氧化物；三、采用有機溶劑或清洗劑擦拭鋼板與鋁板的表面；四、用夾具將鋁板和鋼板固定，攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭與鋁板摩擦，軟化的鋁向下流動填充鋼板上的預鉆孔，形成鉚釘式的連接結構，從而獲得到經機械連接強化的鋁/鋼攪拌摩擦搭接接頭。這種方法不需要添加鉚釘，利用塑性的鋁流向鋼中形成鉚接。這種鉚接技術主要問題在于利用軟化的鋁向下填充預鉆孔，必須增大下壓量，這樣會導致上板壓痕較深，影響接頭性能和美觀，同時也存在下填金屬會存在填充不充分等填充缺陷。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種鋁-鋼異種金屬鉚焊復合連接的方法。本發明提供的方法解決了鋁和鋼異種材料熔化焊時接頭產生過多的脆性金屬間化合物，鉚接中冷沖引起的開裂、疲勞性能較差的缺點，具有鉚接和焊接的雙重優點，增加了接頭抗拉強度和疲勞性能。

本發明提供了一種鋁-鋼異種金屬鉚焊復合連接的方法，包括以下步驟：

(1)在待連接的鋁板和鋼板的搭接處進行預鉆，得到預鉆孔；

(2)將鉚釘穿入所述預鉆孔，使鉚釘的釘帽端面與鋁板的表面平齊，鉚釘的另一端高于鋼板表面；

(3)用旋轉的無針攪拌頭對所述高于鋼板表面鉚釘進行第一下壓，使無針攪拌頭的端面與鋼板表面接觸；然后繼續進行第二下壓后進行摩擦焊。

優選的，所述步驟(1)中預鉆孔的孔徑為4～8mm。

優選的，所述步驟(2)中鉚釘的材質為鋁合金。

優選的，所述步驟(2)中鉚釘與預鉆孔之間為間隙配合。

優選的，所述步驟(2)中鉚釘高于鋼板表面2～6mm。

優選的，所述步驟(3)中無針攪拌頭的端面直徑為鉚釘直徑的2～3倍。

優選的，所述步驟(3)中無針攪拌頭的端面具有凹型紋路。

優選的，所述步驟(3)中旋轉的速率為800～2000r/min。

優選的，所述步驟(3)中第二下壓的深度為0.1～0.3mm。

優選的，所述步驟(3)中摩擦焊的時間為10～120s。

本發明提供了一種鋁-鋼異種金屬鉚焊復合連接的方法，包括以下步驟：在待連接的鋁板和鋼板的搭接處進行預鉆，得到預鉆孔；將鉚釘穿入所述預鉆孔，使鉚釘的釘帽端面與鋁板的表面平齊，鉚釘的另一端高于鋼板表面；用旋轉的無針攪拌頭對所述高于鋼板表面鉚釘進行第一下壓，使無針攪拌頭的端面與鋼板表面接觸；然后繼續進行第二下壓后進行摩擦焊。本發明通過鉚接和攪拌摩擦焊復合連接技術，利用無針攪拌頭與鉚釘和上板鋼板的摩擦產熱，實現端面覆蓋區域的鋁/鋼擴散連接，同時在壓力作用下使塑化的鉚釘膨脹后填充了鉚釘和預沖孔之間的間隙，上部鉚釘塑化被壓入上板中，形成沉頭鉚頭，解決了鋁/鋼異種材料熔化焊時接頭產生過多的脆性金屬間化合物，鉚接中接頭密閉性不好、疲勞性能較差的缺點，實現鉚接和焊接的雙重優點，增加了接頭抗拉強度和疲勞性能。實驗結果表明，本發明提供的方法得到的連接件最大剪切強度為12.96kn，比直接鉚接得到的接頭強度8.58kn提高了51％，在疲勞載荷為4.0kn，應力比r＝0.1時，傳統鉚接接頭疲勞壽命為7.9×10⁴，復合鉚接接頭疲勞為1.2×10⁶，疲勞壽命提高兩個數量級。

附圖說明

圖1為本發明中鉚焊復合連接結構示意圖；

圖中1為無針攪拌頭，2為鋼板，3為鉚釘，4為鋁板；

圖2為本發明中鉚焊復合連接完成后結構示意圖。

具體實施方式

本發明提供了一種鋁-鋼異種金屬鉚焊復合連接的方法，包括以下步驟：

(1)在待連接的鋁板和鋼板的搭接處進行預鉆，得到預鉆孔；

(2)將鉚釘穿入所述預鉆孔，使鉚釘的釘帽端面與鋁板的表面平齊，鉚釘的另一端高于鋼板表面；

(3)用旋轉的無針攪拌頭對所述高于鋼板表面鉚釘進行第一下壓，使無針攪拌頭的端面與鋼板表面接觸；然后繼續進行第二下壓后進行摩擦焊。

本發明在待連接的鋁板和鋼板的搭接處進行預鉆，得到預鉆孔。在本發明中，所述預鉆孔的孔徑優選為4～8mm，更優選為5～7mm，最優選為6mm。本發明對所述預鉆的操作沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的鉆孔的技術方案即可，如采用電鉆或鉆孔機進行鉆孔。

在本發明中，所述鋁板外表面的預鉆孔優選具有與鉚釘配合的沉頭孔。本發明對所述沉頭孔的形狀沒有特殊的限定，根據鉚釘的釘帽形狀進行調整即可。

本發明對所述鋁板和鋼板的厚度沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的鋁板和鋼板即可。在本發明中，所述鋁板和鋼板的厚度優選獨立地為2～5mm，更優選為3～4mm。在本發明中，所述鋁板的材質優選為純鋁或鋁合金。在本發明中，所述鋼板的材質優選為碳鋼或合金鋼；所述鋼板表面更優選包括鍍鋅層，即鍍鋅鋼；所述鍍鋅層使攪拌頭端面下的擴散連接更好。

預鉆完成后，本發明優選對所述待連接鋁板和鋼板表面進行清理。本發明對所述清理的操作沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的表面清理的技術方案即可。在本發明中，所述清理優選依次包括去毛刺、打磨和清洗。本發明對所述去毛刺的操作沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的去毛刺的技術方案即可。在本發明中，所述去毛刺使鉚釘與預鉆孔之間、鋁板與鋼板之間形成較好的配合。在本發明中，所述打磨優選采用砂紙，更優選為400#砂紙。在本發明中，所述清洗優選為用丙酮擦拭。在本發明中，所述打磨和清洗能夠是板材表面光亮，去除表面的氧化層和油污。

得到預鉆孔后，本發明將鉚釘穿入所述預鉆孔，使鉚釘的釘帽端面與鋁板的表面平齊，鉚釘的另一端高于鋼板表面。在本發明中，所述鉚釘的材質優選為鋁合金，更優選為2xxx系列或7xxx系列鋁合金，最優選為2a14鋁合金或7a04鋁合金。在本發明中，所述2a14鋁合金或7a04鋁合金具有較高的強度，能夠進一步提高連接性能。

在本發明中，所述鉚釘與預鉆孔之間優選為間隙配合。在本發明中，所述鉚釘的直徑優選為4～8mm，更優選為5～7mm，最優選為6mm。在本發明中，所述間隙配合使鉚釘容易穿入預鉆孔。在本發明中，所述鉚釘優選高于鋼板表面2～6mm，更優選為3～5mm，最優選為4mm。

本發明優選在使用前將所述鉚釘進行清洗。本發明對所述清洗的操作沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的清洗的技術方案即可。在本發明中，所述清洗優選為：將鉚釘放入質量濃度為25～35％的氫氧化鈉溶液中25～35s后取出；然后放入濃度為8～12％硝酸的溶液中8～12s后取出，清水沖洗，然后再用酒精擦拭后吹干。

鉚釘穿入所述預鉆孔后，本發明優選將所述鋁板、鋼板和鉚釘進行裝夾。本發明對所述裝夾的操作沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的裝夾方式即可。為方便攪拌摩擦焊的操作，在本發明優選按照鋁板在下，鋼板在上的方式進行裝夾。

本發明鉚焊復合連接結構示意圖如圖1所示。裝夾完成后，本發明用旋轉的無針攪拌頭對所述高于鋼板表面鉚釘進行第一下壓，使無針攪拌頭的端面與鋼板表面接觸；然后繼續進行第二下壓后進行摩擦焊。在本發明中，所述無針攪拌頭的端面直徑優選為鉚釘直徑的2～3倍；更優選為6～18mm，最優選為12mm。在本發明中，所述無針攪拌頭的端面優選具有凹型紋路。本發明對所述凹型紋路的形狀和密度沒有特殊的限定，能夠增大攪拌頭端面的摩擦即可。本發明對所述無針攪拌頭的種類沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的攪拌摩擦焊機的攪拌頭即可。在本發明中，所述無針攪拌頭的材質優選為高溫合金鋼或硬質合金。

在本發明中，所述旋轉的速率優選為800～2000r/min，更優選為1000～1800r/min，最優選為1200～1600r/min。本發明對所述第一下壓的速率沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的下壓速率即可。在本發明中，所述第一下壓過程中，當所述攪拌頭接觸鉚釘后，所述下壓速率優選為1.5～2.5mm/min，更優選為2mm/min。在本發明中，所述第一下壓的壓力優選為5000～15000n，更優選為8000～12000n，最優選為10000n。在本發明中，所述第一下壓過程中，在無針攪拌頭壓力和摩擦熱作用下，塑化的鉚釘被墩粗膨脹，填充鉚釘與預鉆孔之間的間隙，并且使鉚釘上部被壓入鋼板中，形成沉頭鉚頭。

無針攪拌頭的端面與鋼板表面接觸后，本發明使旋轉的無針攪拌頭繼續進行第二下壓。在本發明中，所述第二下壓速率優選為1.5～2.5mm/min，更優選為2mm/min。在本發明中，所述第二下壓的壓力優選為5000～15000n，更優選為8000～12000n，最優選為10000n。在本發明中，所述第二下壓的深度優選為0.1～0.3mm，更優選為0.2mm。

本發明在所述第二下壓完成后，停止下壓，進行摩擦焊。在本發明中，所述摩擦焊的時間優選為10～120s，更優選為20～40s。在本發明中，所述摩擦焊過程中，在無針攪拌頭端面與鋼板摩擦區域以下的鋁/鋼界面上形成了擴散連接。鉚焊復合連接完成后工件結構示意圖如圖2所示。

本發明利用無針攪拌頭與鉚釘和鋼板的摩擦產熱，在摩擦熱和攪拌頭壓力作用下，塑化的鋁鉚釘被墩粗，填充了鉚釘和預沖孔之間的間隙，上部鉚釘塑化被壓入上板中，形成沉頭鉚頭，避免了鉚接接頭的純機械連接，沒有冶金結合，密閉性不好的問題以及鉚接中冷沖引起的開裂、疲勞性能較差的缺點；同時在攪拌頭端面與上板摩擦區域以下的鋁/鋼界面上形成了擴散連接，金屬不熔化，解決了鋁和鋼異種材料熔化焊時接頭產生過多的脆性金屬間化合物的問題；具有鉚接和焊接的雙重優點，增加了接頭抗拉強度和疲勞性能。

為了進一步說明本發明，下面結合實施例對本發明提供的鋁-鋼異種金屬鉚焊復合連接的方法進行詳細地描述，但不能將它們理解為對本發明保護范圍的限定。

實施例1:

首先將4mm厚的2a14鋁合金切割成100mm×40mm×4mm規格大小的板材，同樣選取2mm厚的鍍鋅鋼板切割成100mm×40mm×2mm大小的待焊樣，用直徑為4mm的鉆頭在鉚接點鉆孔，在鋼板下部鉆錐形沉頭孔，用400#的砂紙打磨對接面，同時用銼刀對鉆孔毛刺進行清理，最后用丙酮對接頭進行清洗；

將清洗過的帶有錐形鉚頭的鉚釘從下方穿入，鉚釘材料為2a14鋁合金，鉚釘底部與下板底部齊平，上部高出上板面4mm，裝夾待焊；

采用12mm直徑端面的無攪拌針的攪拌頭旋轉壓入，攪拌頭旋轉速度為1500r/min，當攪拌頭端面與上板接觸時，再下壓0.2mm，保持30s即完成焊接。

采用拉伸機對鉚焊復合連接試樣進行拉伸，斷裂發生在界面，鉚釘發生剪切斷裂，最大剪切強度為6.53kn，而傳統鉚接的接頭抗拉剪力僅為4.39kn，采用攪拌摩擦鉚接焊得到的復合接頭比單一鉚接焊的接頭強度提高了48.7％；在疲勞載荷為2.5kn，應力比r＝0.1時，傳統鉚接接頭疲勞壽命為5.2×10⁴，復合鉚接接頭疲勞為9.2×10⁵，疲勞壽命提高一個數量級。

實施例2:

首先將4mm厚的2a14鋁合金切割成100mm×40mm×4mm規格大小的板材，同樣選取2mm厚的鍍鋅鋼板切割成100mm×40mm×2mm大小的待焊樣，用直徑為6mm的鉆頭在鉚接點鉆孔，在鋼板下部鉆錐形沉頭孔，用400#的砂紙打磨對接面，同時用銼刀對鉆孔毛刺進行清理，最后用丙酮對接頭進行清洗；

將清洗過的帶有錐形鉚頭的鉚釘從下方穿入，鉚釘材料為7a04鋁合金，鉚釘底部與下板底部齊平，上部高出上板面4mm，裝夾待焊；

采用16mm直徑端面的無攪拌針的攪拌頭旋轉壓入，攪拌頭旋轉速度為1500r/min，當攪拌頭端面與上板接觸時，再下壓0.2mm，焊接時間為30s。

采用拉伸機對焊接試樣進行拉伸，斷裂發生在界面，鉚釘發生剪切斷裂，最大剪切強度為12.96kn，比直接鉚接得到的接頭強度8.58kn提高了51％；在疲勞載荷為4.0kn，應力比r＝0.1時，傳統鉚接接頭疲勞壽命為7.9×10⁴，復合鉚接接頭疲勞為1.2×10⁶，疲勞壽命提高兩個數量級。

從以上實施例可以看出，本發明提供的方法解決了鋁/鋼異種材料熔化焊時接頭產生過多的脆性金屬間化合物，鉚接中接頭密閉性不好、疲勞性能較差的缺點，實現鉚接和焊接的雙重優點，增加了接頭抗拉強度和疲勞性能。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，并非對本發明作任何形式上的限制。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。