本發(fā)明涉及金屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋁-鋼異種金屬鉚焊復(fù)合連接的方法。

背景技術(shù)：

隨著汽車、飛機(jī)工業(yè)的發(fā)展，對(duì)輕量化的要求也越來越高。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和選擇輕質(zhì)材料成為了減輕結(jié)構(gòu)重量的重要設(shè)計(jì)思路，因此異種金屬的連接受到越來越廣泛的應(yīng)用，比如在汽車工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的鋁合金和高強(qiáng)鋼的連接，在新型飛機(jī)設(shè)計(jì)中，為增加飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高疲勞壽命，同時(shí)減輕飛機(jī)重量，大量采用高強(qiáng)鋼和輕合金材料復(fù)合結(jié)構(gòu)。但是異種材料的連接時(shí)由于熔焊熱輸入過大，會(huì)導(dǎo)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(shù)在異種材料的連接中得到廣泛的應(yīng)用。

目前由于傳統(tǒng)的錘鉚和壓鉚工藝復(fù)雜、外觀成型差，效率低且不容易進(jìn)行自動(dòng)化，出現(xiàn)了電磁鉚接和自沖鉚技術(shù)。電磁鉚是利用在電磁設(shè)備中初級(jí)線圈和次級(jí)線圈以及放大器和調(diào)制器，在工作時(shí)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流磁場，形成強(qiáng)大的沖擊力，并以應(yīng)力波的形式傳播，應(yīng)力波在放大器中傳播并經(jīng)過反射和折射，能使鉚釘在極短的時(shí)間完成塑性變形，相比傳統(tǒng)的鉚接，電磁鉚接加載速率高，接頭疲勞壽命長，同時(shí)也能鉚接普通鉚接難以鉚接的材料。但是電磁鉚接設(shè)備昂貴，使用成本高，由于電磁鉚接技術(shù)較新，關(guān)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(shù)，它的原理是：沖頭推動(dòng)實(shí)心鉚釘向下運(yùn)動(dòng)，鉚釘下部的刃口將鉚接材料加壓，鉚釘?shù)竭_(dá)凹模后停止運(yùn)動(dòng)，隨著沖頭的繼續(xù)下行，使鉚釘發(fā)生塑性變形而向內(nèi)作徑向流動(dòng)，使其緊緊包住鉚釘，形成穩(wěn)定的鎖止?fàn)顟B(tài)。這種工藝不需要對(duì)板材進(jìn)行鉆孔處理，鉚接效率高，且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)容易出現(xiàn)脆裂，同時(shí)需要根據(jù)鉚接材料的種類厚度設(shè)計(jì)不同的模具。

目前的鉚接連接還只是簡單的機(jī)械連接，國家專利cn105290608a公開了一種鉚釘式機(jī)械連接輔助鋁/鋼異種材料攪拌摩擦搭接方法，為解決現(xiàn)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(yīng)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(yù)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(jī)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(dòng)填充鋼板上的預(yù)鉆孔，形成鉚釘式的連接結(jié)構(gòu)，從而獲得到經(jīng)機(jī)械連接強(qiáng)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(shù)主要問題在于利用軟化的鋁向下填充預(yù)鉆孔，必須增大下壓量，這樣會(huì)導(dǎo)致上板壓痕較深，影響接頭性能和美觀，同時(shí)也存在下填金屬會(huì)存在填充不充分等填充缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種鋁-鋼異種金屬鉚焊復(fù)合連接的方法。本發(fā)明提供的方法解決了鋁和鋼異種材料熔化焊時(shí)接頭產(chǎn)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(diǎn)，具有鉚接和焊接的雙重優(yōu)點(diǎn)，增加了接頭抗拉強(qiáng)度和疲勞性能。

本發(fā)明提供了一種鋁-鋼異種金屬鉚焊復(fù)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(jìn)行預(yù)鉆，得到預(yù)鉆孔；

(2)將鉚釘穿入所述預(yù)鉆孔，使鉚釘?shù)尼斆倍嗣媾c鋁板的表面平齊，鉚釘?shù)牧硪欢烁哂阡摪灞砻妫?/p>

(3)用旋轉(zhuǎn)的無針攪拌頭對(duì)所述高于鋼板表面鉚釘進(jìn)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(xù)進(jìn)行第二下壓后進(jìn)行摩擦焊。

優(yōu)選的，所述步驟(1)中預(yù)鉆孔的孔徑為4～8mm。

優(yōu)選的，所述步驟(2)中鉚釘?shù)牟馁|(zhì)為鋁合金。

優(yōu)選的，所述步驟(2)中鉚釘與預(yù)鉆孔之間為間隙配合。

優(yōu)選的，所述步驟(2)中鉚釘高于鋼板表面2～6mm。

優(yōu)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(yōu)選的，所述步驟(3)中無針攪拌頭的端面具有凹型紋路。

優(yōu)選的，所述步驟(3)中旋轉(zhuǎn)的速率為800～2000r/min。

優(yōu)選的，所述步驟(3)中第二下壓的深度為0.1～0.3mm。

優(yōu)選的，所述步驟(3)中摩擦焊的時(shí)間為10～120s。

本發(fā)明提供了一種鋁-鋼異種金屬鉚焊復(fù)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(jìn)行預(yù)鉆，得到預(yù)鉆孔；將鉚釘穿入所述預(yù)鉆孔，使鉚釘?shù)尼斆倍嗣媾c鋁板的表面平齊，鉚釘?shù)牧硪欢烁哂阡摪灞砻?；用旋轉(zhuǎn)的無針攪拌頭對(duì)所述高于鋼板表面鉚釘進(jìn)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(xù)進(jìn)行第二下壓后進(jìn)行摩擦焊。本發(fā)明通過鉚接和攪拌摩擦焊復(fù)合連接技術(shù)，利用無針攪拌頭與鉚釘和上板鋼板的摩擦產(chǎn)熱，實(shí)現(xiàn)端面覆蓋區(qū)域的鋁/鋼擴(kuò)散連接，同時(shí)在壓力作用下使塑化的鉚釘膨脹后填充了鉚釘和預(yù)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(shí)接頭產(chǎn)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鉚接和焊接的雙重優(yōu)點(diǎn)，增加了接頭抗拉強(qiáng)度和疲勞性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明提供的方法得到的連接件最大剪切強(qiáng)度為12.96kn，比直接鉚接得到的接頭強(qiáng)度8.58kn提高了51％，在疲勞載荷為4.0kn，應(yīng)力比r＝0.1時(shí)，傳統(tǒng)鉚接接頭疲勞壽命為7.9×10⁴，復(fù)合鉚接接頭疲勞為1.2×10⁶，疲勞壽命提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中鉚焊復(fù)合連接結(jié)構(gòu)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(fā)明中鉚焊復(fù)合連接完成后結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種鋁-鋼異種金屬鉚焊復(fù)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(jìn)行預(yù)鉆，得到預(yù)鉆孔；

(2)將鉚釘穿入所述預(yù)鉆孔，使鉚釘?shù)尼斆倍嗣媾c鋁板的表面平齊，鉚釘?shù)牧硪欢烁哂阡摪灞砻妫?/p>

(3)用旋轉(zhuǎn)的無針攪拌頭對(duì)所述高于鋼板表面鉚釘進(jìn)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(xù)進(jìn)行第二下壓后進(jìn)行摩擦焊。

本發(fā)明在待連接的鋁板和鋼板的搭接處進(jìn)行預(yù)鉆，得到預(yù)鉆孔。在本發(fā)明中，所述預(yù)鉆孔的孔徑優(yōu)選為4～8mm，更優(yōu)選為5～7mm，最優(yōu)選為6mm。本發(fā)明對(duì)所述預(yù)鉆的操作沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的鉆孔的技術(shù)方案即可，如采用電鉆或鉆孔機(jī)進(jìn)行鉆孔。

在本發(fā)明中，所述鋁板外表面的預(yù)鉆孔優(yōu)選具有與鉚釘配合的沉頭孔。本發(fā)明對(duì)所述沉頭孔的形狀沒有特殊的限定，根據(jù)鉚釘?shù)尼斆毙螤钸M(jìn)行調(diào)整即可。

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

預(yù)鉆完成后，本發(fā)明優(yōu)選對(duì)所述待連接鋁板和鋼板表面進(jìn)行清理。本發(fā)明對(duì)所述清理的操作沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的表面清理的技術(shù)方案即可。在本發(fā)明中，所述清理優(yōu)選依次包括去毛刺、打磨和清洗。本發(fā)明對(duì)所述去毛刺的操作沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的去毛刺的技術(shù)方案即可。在本發(fā)明中，所述去毛刺使鉚釘與預(yù)鉆孔之間、鋁板與鋼板之間形成較好的配合。在本發(fā)明中，所述打磨優(yōu)選采用砂紙，更優(yōu)選為400#砂紙。在本發(fā)明中，所述清洗優(yōu)選為用丙酮擦拭。在本發(fā)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(yù)鉆孔后，本發(fā)明將鉚釘穿入所述預(yù)鉆孔，使鉚釘?shù)尼斆倍嗣媾c鋁板的表面平齊，鉚釘?shù)牧硪欢烁哂阡摪灞砻妗Ｔ诒景l(fā)明中，所述鉚釘?shù)牟馁|(zhì)優(yōu)選為鋁合金，更優(yōu)選為2xxx系列或7xxx系列鋁合金，最優(yōu)選為2a14鋁合金或7a04鋁合金。在本發(fā)明中，所述2a14鋁合金或7a04鋁合金具有較高的強(qiáng)度，能夠進(jìn)一步提高連接性能。

在本發(fā)明中，所述鉚釘與預(yù)鉆孔之間優(yōu)選為間隙配合。在本發(fā)明中，所述鉚釘?shù)闹睆絻?yōu)選為4～8mm，更優(yōu)選為5～7mm，最優(yōu)選為6mm。在本發(fā)明中，所述間隙配合使鉚釘容易穿入預(yù)鉆孔。在本發(fā)明中，所述鉚釘優(yōu)選高于鋼板表面2～6mm，更優(yōu)選為3～5mm，最優(yōu)選為4mm。

本發(fā)明優(yōu)選在使用前將所述鉚釘進(jìn)行清洗。本發(fā)明對(duì)所述清洗的操作沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的清洗的技術(shù)方案即可。在本發(fā)明中，所述清洗優(yōu)選為：將鉚釘放入質(zhì)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(yù)鉆孔后，本發(fā)明優(yōu)選將所述鋁板、鋼板和鉚釘進(jìn)行裝夾。本發(fā)明對(duì)所述裝夾的操作沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)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(fā)明優(yōu)選按照鋁板在下，鋼板在上的方式進(jìn)行裝夾。

本發(fā)明鉚焊復(fù)合連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。裝夾完成后，本發(fā)明用旋轉(zhuǎn)的無針攪拌頭對(duì)所述高于鋼板表面鉚釘進(jìn)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(xù)進(jìn)行第二下壓后進(jìn)行摩擦焊。在本發(fā)明中，所述無針攪拌頭的端面直徑優(yōu)選為鉚釘直徑的2～3倍；更優(yōu)選為6～18mm，最優(yōu)選為12mm。在本發(fā)明中，所述無針攪拌頭的端面優(yōu)選具有凹型紋路。本發(fā)明對(duì)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(fā)明對(duì)所述無針攪拌頭的種類沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的攪拌摩擦焊機(jī)的攪拌頭即可。在本發(fā)明中，所述無針攪拌頭的材質(zhì)優(yōu)選為高溫合金鋼或硬質(zhì)合金。

在本發(fā)明中，所述旋轉(zhuǎn)的速率優(yōu)選為800～2000r/min，更優(yōu)選為1000～1800r/min，最優(yōu)選為1200～1600r/min。本發(fā)明對(duì)所述第一下壓的速率沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的下壓速率即可。在本發(fā)明中，所述第一下壓過程中，當(dāng)所述攪拌頭接觸鉚釘后，所述下壓速率優(yōu)選為1.5～2.5mm/min，更優(yōu)選為2mm/min。在本發(fā)明中，所述第一下壓的壓力優(yōu)選為5000～15000n，更優(yōu)選為8000～12000n，最優(yōu)選為10000n。在本發(fā)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(yù)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(fā)明使旋轉(zhuǎn)的無針攪拌頭繼續(xù)進(jìn)行第二下壓。在本發(fā)明中，所述第二下壓速率優(yōu)選為1.5～2.5mm/min，更優(yōu)選為2mm/min。在本發(fā)明中，所述第二下壓的壓力優(yōu)選為5000～15000n，更優(yōu)選為8000～12000n，最優(yōu)選為10000n。在本發(fā)明中，所述第二下壓的深度優(yōu)選為0.1～0.3mm，更優(yōu)選為0.2mm。

本發(fā)明在所述第二下壓完成后，停止下壓，進(jìn)行摩擦焊。在本發(fā)明中，所述摩擦焊的時(shí)間優(yōu)選為10～120s，更優(yōu)選為20～40s。在本發(fā)明中，所述摩擦焊過程中，在無針攪拌頭端面與鋼板摩擦區(qū)域以下的鋁/鋼界面上形成了擴(kuò)散連接。鉚焊復(fù)合連接完成后工件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

本發(fā)明利用無針攪拌頭與鉚釘和鋼板的摩擦產(chǎn)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(yù)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(jī)械連接，沒有冶金結(jié)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(diǎn)；同時(shí)在攪拌頭端面與上板摩擦區(qū)域以下的鋁/鋼界面上形成了擴(kuò)散連接，金屬不熔化，解決了鋁和鋼異種材料熔化焊時(shí)接頭產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)，增加了接頭抗拉強(qiáng)度和疲勞性能。

為了進(jìn)一步說明本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的鋁-鋼異種金屬鉚焊復(fù)合連接的方法進(jìn)行詳細(xì)地描述，但不能將它們理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。

實(shí)施例1:

首先將4mm厚的2a14鋁合金切割成100mm×40mm×4mm規(guī)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(diǎn)鉆孔，在鋼板下部鉆錐形沉頭孔，用400#的砂紙打磨對(duì)接面，同時(shí)用銼刀對(duì)鉆孔毛刺進(jìn)行清理，最后用丙酮對(duì)接頭進(jìn)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?shù)撞颗c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(zhuǎn)壓入，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1500r/min，當(dāng)攪拌頭端面與上板接觸時(shí)，再下壓0.2mm，保持30s即完成焊接。

采用拉伸機(jī)對(duì)鉚焊復(fù)合連接試樣進(jìn)行拉伸，斷裂發(fā)生在界面，鉚釘發(fā)生剪切斷裂，最大剪切強(qiáng)度為6.53kn，而傳統(tǒng)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(fù)合接頭比單一鉚接焊的接頭強(qiáng)度提高了48.7％；在疲勞載荷為2.5kn，應(yīng)力比r＝0.1時(shí)，傳統(tǒng)鉚接接頭疲勞壽命為5.2×10⁴，復(fù)合鉚接接頭疲勞為9.2×10⁵，疲勞壽命提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

實(shí)施例2:

首先將4mm厚的2a14鋁合金切割成100mm×40mm×4mm規(guī)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(diǎn)鉆孔，在鋼板下部鉆錐形沉頭孔，用400#的砂紙打磨對(duì)接面，同時(shí)用銼刀對(duì)鉆孔毛刺進(jìn)行清理，最后用丙酮對(duì)接頭進(jìn)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?shù)撞颗c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(zhuǎn)壓入，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1500r/min，當(dāng)攪拌頭端面與上板接觸時(shí)，再下壓0.2mm，焊接時(shí)間為30s。

采用拉伸機(jī)對(duì)焊接試樣進(jìn)行拉伸，斷裂發(fā)生在界面，鉚釘發(fā)生剪切斷裂，最大剪切強(qiáng)度為12.96kn，比直接鉚接得到的接頭強(qiáng)度8.58kn提高了51％；在疲勞載荷為4.0kn，應(yīng)力比r＝0.1時(shí)，傳統(tǒng)鉚接接頭疲勞壽命為7.9×10⁴，復(fù)合鉚接接頭疲勞為1.2×10⁶，疲勞壽命提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

從以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明提供的方法解決了鋁/鋼異種材料熔化焊時(shí)接頭產(chǎn)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鉚接和焊接的雙重優(yōu)點(diǎn)，增加了接頭抗拉強(qiáng)度和疲勞性能。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。