一种钢螺柱与厚铝板摩擦螺柱焊接方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103846545 A (43)申请公布日 2014.06.11 CN 103846545 A (21)申请号 201410021943.2 (22)申请日 2014.01.18 B23K 20/12(2006.01) (71)申请人 南京理工大学 地址 210094 江苏省南京市孝陵卫 200 号 申请人 泰州南京理工大学研究院 (72)发明人 周琦 赵江涛 王克鸿 杨立 张惠芸 朱军 彭勇 刘玲丹 蔡雅君 (74)专利代理机构 南京理工大学专利中心 32203 代理人 朱显国 (54) 发明名称 一种钢螺柱与厚铝板摩擦螺柱焊接方法 (57) 摘要 本发明公开了一种

2、钢螺柱与厚铝板摩擦螺柱 焊接方法。该方法的特征在于 ： 针对钢螺柱焊接 端部进行一定的结构设计， 通过旋转和施加摩擦 作用力， 与铝板接触摩擦， 缓慢嵌入厚铝板。实现 摩擦螺柱焊和螺纹连接的双重特征。从而制得性 能优良的焊接接头。本发明能够实现中小直径钢 螺柱与厚铝板之间的焊接。该方法能明显增加螺 柱焊焊接强度， 减小普通焊接中缺陷对接头质量 的影响， 大幅度增加使用寿命。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103846545 A

3、CN 103846545 A 1/1 页 2 1. 一种钢螺柱与厚铝板摩擦螺柱焊接方法， 其特征在于 ： 将钢螺柱进行特殊结构设 计、 铝板摩擦面加工一个孔， 螺柱高速旋转并施加螺柱轴向压力， 螺柱与铝板摩擦产热， 缓 慢嵌入铝合金内部， 螺柱与铝板融合， 得到结构自锁的焊接接头， 具体步骤如下 ： 步骤一， 结构设计 ： 加工钢螺柱摩擦端部 （4） ， 所述端部 （4） 直径逐渐变小， 且周向开有 环形槽， 在铝板摩擦面处加工预置孔 （5） ； 步骤二， 钢螺柱工进 ： 压套筒 （2） 固定钢螺柱 （1） 在铝板 （3） 表面使得钢螺柱摩擦端部 （4） 对准预置孔 （5） ， 开启电源， 将

4、经过表面清理后的钢螺柱 （1） 以 2mm/s 的速度工进， 且钢 螺柱 （1） 旋转， 其转速为 6001200r/min， 钢螺柱 （1） 与铝板 （3） 接触后停止工进， 钢螺柱 （1） 与铝板 （3） 摩擦 48 秒， 使得钢螺柱 （1） 与铝板 （3） 产热铝板受热软化 ； 步骤三， 摩擦阶段 ： 在步骤二的基础上， 施加摩擦压力 6090MPa， 摩擦时间 512s， 钢螺 柱 （1） 缓慢嵌入铝板 （3） 中， 直至钢螺柱摩擦端部 （4） 全部没入铝板 （3） 中， 在此过程中， 压 套筒 （2） 紧紧压住在铝板 （3） 表面 ； 步骤四， 顶端阶段 ： 在步骤三的基础上， 摩擦

5、旋转急停， 急停时间小于 0.5s， 施加顶锻 压力 90180MPa， 顶锻时间维持 515 秒 ； 步骤五， 关闭电源， 摩擦螺柱焊冷却， 拆卸压套筒 （2） ， 得到焊接接头成品。 2.根据权利要求1所述的摩擦螺柱焊接方法， 其特征在于 ： 所述钢螺柱 （1） 的直径范围 从 522mm， 摩擦端部 （4） 直径小于钢螺柱 （1） 直径， 摩擦端部 （4） 长度为 512mm， 所述铝板 （3） 的厚度大于 20mm， 所述预置孔 （5） 的深度为摩擦端部 （4） 长度的 3/51， 直径为钢螺柱 直径的 1/3。 3.根据权利要求1所述的摩擦螺柱焊接方法， 其特征在于 ： 所述摩擦端部

6、 （4） 结构具有 螺纹的特征， 周向开有环形槽个数大于等于 1。 4.根据权利要求1所述的摩擦螺柱焊接方法， 其特征在于 ； 所述摩擦端部 （4） 完全嵌入 铝板 （3） 中。 5. 根据权利要求 1 所述的摩擦螺柱焊接方法， 其特征在于 ： 所述摩擦端部工进接触铝 板 （3） 后， 停止工进， 进行摩擦预热 48 秒。 权 利 要 求 书 CN 103846545 A 2 1/4 页 3 一种钢螺柱与厚铝板摩擦螺柱焊接方法 技术领域 0001 本发明涉及一种螺柱焊接方法， 具体涉及一种钢螺柱与厚铝板摩擦螺柱焊接方法 适用于钢螺柱与铝板之间的焊接， 特别适用于中小直径螺柱与厚铝板之间的焊接。

7、 背景技术 0002 螺柱焊是指一种将螺柱或类似的金属柱状物及其他紧固件焊接在金属基板上的 方法。 螺柱焊作为一种简便、 高速、 低耗、 低污染的先进焊接技术， 广泛适用于车辆、 造船、 锅 炉、 钢结构、 建筑、 电子、 仪表、 医疗器械等领域。 按实现螺柱焊的热源分类， 螺柱焊可分为电 阻焊、 摩擦焊、 爆炸焊及电弧焊等焊接方法。按实现螺柱焊的电源分类， 电弧螺柱焊可分为 稳定电弧螺柱焊 （电弧螺柱焊） 、 不稳定电弧螺柱焊 （电容放电螺柱焊或电容储能螺柱焊） 和 短周期螺柱焊。 其中， 电容放电螺柱焊的特点是利用电容充电储存能量， 焊接时放电形成能 量脉冲， 加热焊接部位且加压焊接 ；

8、电弧螺柱焊是目前采用最为广泛的一种焊接方法， 特点 是在杆状或其他类似的金属紧固件与板材之间形成电弧的压力焊接方法 ； 短周期螺柱焊是 将焊接电流经过波形控制的电弧螺柱焊。但这些螺柱焊接方法可焊螺柱的直径小， 且为防 止热量集中而引起变色、 变形和烧穿， 要求焊接时间短， 但熔深浅， 焊接接头的可靠性降低。 0003 近年来， 异种金属连接的应用越来越广泛， 单一金属本身不具备应用所需的所有 物理、 化学和机械方面的性能， 而异种金属接头可以满足需求， 并可节省材料、 降低费用、 节 约能源。在国内外工业生产中， 采用 “钢铝” 双金属连接结构的产品越来越多。铝及铝合 金的密度小、 比强度高，

9、 且具有良好的导电性、 导热性和耐蚀性。为了充分利用材料的固有 性能、 节省材料、 减轻质量， 将钢与铝及铝合金连接成为异种金属结构， 具有独特的优势和 良好的经济效益。Mazda MX 5 跑车、 装甲车体内都采用钢螺柱与铝车体的焊接结构。 0004 铝与钢之间的固溶度较低、 热物理性能差异较大， 焊缝及其近缝区区会产生较大 热应力， 铝在高温时易氧化， 不利于界面冶金结合， 钢与铝在高温下易形成 Fe3Al 等脆性化 合物， 会恶化界面结合质量， 因此铝与钢之间的焊接一直是焊接领域的难点和热点问题。 0005 采用一般的熔焊方法， 焊缝及其近缝区会产生较大的热应力， 铝与铁等元素在结 合界

10、面上会形成脆性的金属间化合物， 对焊接性起着极为不利的作用。常用于钢与铝的焊 接方法是压焊， 焊接过程中可以将金属间化合物挤出， 焊接方法包括 ： 摩擦焊， 闪光焊、 超声 波焊， 扩散焊， 冷压焊等。其中闪光焊中易出现灰斑 ； 超声波焊只限于丝、 箔、 片、 条、 带等薄 件的焊接， 大多数情况下只适用于搭接接头， 不适合大直径螺柱焊接 ； 扩散焊容易生成金属 间化合物， 且时间长效率低 ； 冷压焊适用于搭接接头， 而不适用于螺柱与板材的焊接。 此外， 钢与铝的电弧焊会产生热应力， 铝表面的氧化物会形成夹渣， 并且会形成金属间化合物 ； 而 摩擦焊是一种高效、 精密、 节能、 优质的固相连接

11、技术， 能防止生成有害相以及大晶粒结构， 采用摩擦焊连接铝是主导的、 典型的和标准的工艺方法， 普遍认为摩擦焊是最可靠、 再现性 最好和最可依赖的焊接技术。 0006 随着现代工业的快速发展， 螺柱使用越来越普遍， 在许多应用领域， 普通的螺柱焊 已经无法满足焊接的需要， 尤其是电弧螺柱焊在焊接界面容易生成大面积的金属间化合 说 明 书 CN 103846545 A 3 2/4 页 4 物， 产生缩颈、 飞边、 熔合不良、 焊偏等缺陷。 因此， 特殊接头的摩擦螺柱焊接方法应运而生。 摩擦焊具有无固化缺陷及焊缝内在的非连续性缺陷， 尤其适用于异种材料的焊接， 摩擦焊 技术与螺柱焊技术复合可克服普

12、通螺柱的缺陷， 达到质量优良的焊接接头。钢螺柱摩擦端 部的结构设计在一定程度上具有螺栓的作用， 使焊接接头减小缺陷对焊接质量的影响， 并 使钢螺柱与厚铝板之间产生结构式连接， 具有自锁效应， 增强了焊接强度。 这是一种新的摩 擦螺柱焊接方法， 该方法保留固相焊接节优点的同时结合了螺栓连接原理， 解决了螺柱焊 合格率低， 易产生缺陷等缺点。但是该方法不能解决大直径螺柱和厚大金属基板的焊接。 0007 如何克服现有技术的不足已成为当今螺柱焊接技术领域亟待解决的重点难题之 一。 发明内容 0008 本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种钢螺柱与厚铝板摩擦螺柱焊 接方法， 螺柱充分利用端部结构设

13、计， 使钢螺柱插入铝母材中， 从而增加了熔合率和结构强 度。 0009 实现本发明目的的技术解决方案为 ： 一种钢螺柱与厚铝板摩擦螺柱焊接方法， 所述方法将钢螺柱进行特殊结构设计、 铝板 摩擦面加工一个孔， 螺柱高速旋转并施加螺柱轴向压力， 螺柱与铝板摩擦产热， 缓慢嵌入铝 合金内部， 螺柱与铝板融合， 得到结构自锁的焊接接头， 具体步骤如下 ： 步骤一， 结构设计 ： 加工钢螺柱摩擦端部， 所述端部直径逐渐变小， 且周向开有环形槽， 在铝板摩擦面处加工预置孔 ； 步骤二， 钢螺柱工进 ： 压套筒固定钢螺柱在铝板表面使得钢螺柱摩擦端部对准预置 孔， 开启电源， 将经过表面清理后的钢螺柱以 2m

14、m/s 的速度工进， 且钢螺柱旋转， 其转速为 6001200r/min， 钢螺柱与铝板接触后停止工进， 钢螺柱与铝板摩擦 48 秒， 使得钢螺柱与 铝板产热铝板受热软化 ； 步骤三， 摩擦阶段 ： 在步骤二的基础上， 施加摩擦压力 6090MPa， 摩擦时间 512s， 钢螺 柱缓慢嵌入铝板中， 直至钢螺柱摩擦端部全部没入铝板中， 在此过程中， 压套筒紧紧压住在 铝板表面 ； 步骤四， 顶端阶段 ： 在步骤三的基础上， 摩擦旋转急停， 急停时间小于 0.5s， 施加顶锻 压力 90180MPa， 顶锻时间维持 515 秒。 0010 步骤五， 关闭电源， 摩擦螺柱焊冷却， 拆卸压套筒， 得到

15、焊接接头成品。 0011 其中， 所述钢螺柱的直径范围从 522mm， 摩擦端部 （4） 直径小于钢螺柱 （1） 直径， 摩擦端部 （4） 长度为 512mm， ， 所述铝板的厚度大于 20mm， 所述预置孔的深度为摩擦端部长 度的 3/51， 直径为钢螺柱直径的 1/3。 0012 所述钢螺柱摩擦端部形状可设计成不同形状， 所述端部直径逐渐变小， 且周向开 有环形槽， 所述摩擦端部结构具有螺纹的特征， 周向开有环形槽个数大于等于 1。 0013 所述螺柱套筒， 用夹具紧紧固定在铝板上， 保证了铝板焊接界面的平整性， 更主要 是让钢螺柱与铝板摩擦充分， 并且使塑性铝充满螺柱端部各部分空间， 实

16、现界面分子连接 和结构连接。 说 明 书 CN 103846545 A 4 3/4 页 5 0014 根据焊接件大小与材料不同调节摩擦转速、 摩擦时间、 摩擦压力、 顶锻压力， 就 钢-铝而言， 其摩擦转速5002500r/min、 摩擦时间215s、 摩擦压力60150MPa、 顶锻压力为 摩擦压力的 1.53 倍。具体的摩擦转速、 摩擦时间、 摩擦压力、 顶锻压力根据实际的螺柱和 板材尺寸以及螺柱形状来选取。 0015 本发明与现有技术相比具有以下特点 ：（1） 与熔焊技术相比， 避免了如凝固裂纹、 气孔、 氧化等缺陷， 热影响区小。焊接效率高， 焊接质量好， 工作环境影响小。 （2） 与

17、感应 钎焊相比， 本发明不需要钎料、 钎剂为中间结合体， 直接使母材与母材达到原子间结合， 提 高了结合强度。 （3） 与传统摩擦焊相比， 大大减小了焊接缺陷对连接强度的影响， 螺柱头部 与母材之间形成互相锁死结构， 有摩擦螺柱焊与螺栓连接的特征， 有效的提高了连接强度。 （4） 在摩擦螺柱焊接中设有套筒， 螺柱套筒保证了铝板焊接界面的平整性， 更主要是让钢螺 柱与铝板结合紧密， 使铝充满钢螺柱头部各部分空间， 实现界面分子连接和结构锁死。套 筒保证塑性金属完全填充螺柱表面， 螺柱套筒的内径大于螺柱直径 35mm， 外径大于内径 1020mm。 （5） 所述的摩擦螺柱焊接方法， 其构件的相对运

18、动可以是多种类型， 如旋转运动、 往复直线运动等可实现中小直径的钢螺柱与铝板的焊接， 螺柱直径为 522mm， 对板厚的适 用范围广。 （6） 该摩擦焊接方法同时具有摩擦螺柱焊与螺纹连接的特征。 （7） 用本发明可 制成可移动式设备， 实现现场焊接。 0016 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 附图说明 0017 图 1 是本发明铝板 - 钢摩擦螺柱焊接部件示意图。 0018 图 2 是本发明铝板 - 钢摩擦螺柱焊接摩擦端部结构示意图。 图 3 是本发明实施例 1 中铝板 - 钢摩擦螺柱焊接的焊接步骤示意图。 图 4 是本发明实施例 2 中铝板 - 钢摩擦螺柱焊接的焊接步骤示意图。 图

19、5 是本发明实施例 3 中铝板 - 钢摩擦螺柱焊接的焊接步骤示意图。 具体实施方式 0021 下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明。 0022 下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。 0023 如图 1 所示的钢螺柱 - 铝板摩擦螺柱焊， 包括钢螺柱 1、 套筒 2、 铝板 3、 所述铝板 3 表面加工预置孔 5， 所述钢螺柱 1 的摩擦端部 4 直径逐渐变小， 且周向开有环形槽， 压套筒 2 固定钢螺柱 1 在铝板 3 表面使得钢螺柱摩擦端部 4 对准预置孔 5。 0024 实施例 1， 以焊接直径为 8mm， 长 80mm 的 30CrNi3MoV 实

20、心钢螺柱， 螺柱端部如图 2-a所示， 所述端部直径逐渐变小， 且周向开有1个环形槽， 螺柱端部长度为10mm， 以及板厚 15mm 的 6061 铝合金的焊接接头成品为例 ： 步骤一， 加工钢螺柱1端部， 端部直径逐渐变小， 且端部顶端为平面结构， 周向开有1个 环形槽， 铝板3表面加工预置孔， 套筒2分别装夹在预定位置 ； 步骤二， 启动电源， 螺柱旋转， 转速 1200r/min， 向下工进， 钢螺柱与铝板接触后停止工进， 钢螺柱与铝板摩擦 48 秒， 使得 钢螺柱与铝板产热铝板受热软化。步骤三， 施加摩擦压力 90MPa， 摩擦时间 8s， 钢螺柱缓慢 嵌入预置孔， 直至摩擦端部全部没

21、入铝板中 ； 步骤四， 待摩擦端部全部没入铝板中后， 螺柱 急停、 顶锻， 顶锻力为 160MPa， 顶锻时间维持 10s， 压套筒紧紧压住铝板表面， 使塑性金属全 说 明 书 CN 103846545 A 5 4/4 页 6 部填充螺柱空。步骤五， 关闭电源， 摩擦螺柱焊冷却， 拆卸压套筒， 得到焊接接头成品， 流程 如图 3 所示。 0025 实施例2， 以焊接直径为12mm， 长80mm的30CrNi3MoV实心螺柱， 螺柱端部如图2-b 所示， 所述端部直径逐渐变小， 且且端部顶端为圆锥结构， 周向开有 2 个环形槽， 螺柱端部 长度为 12mm， 以及板厚 20mm 的 6061 铝

22、合金的焊接接头成品为例 ： 步骤一， 加工钢螺柱 1 端部， 端部直径逐渐变小， 且周向开有 2 个环形槽， 铝板 3 表面加 工预置孔， 套筒 2 分别装夹在预定位置 ； 步骤二， 启动电源， 螺柱旋转， 转速 900r/min， 向下 工进， 钢螺柱与铝板接触后停止工进， 钢螺柱与铝板摩擦 48 秒， 使得钢螺柱与铝板产热铝 板受热软化。步骤三， 施加摩擦压力 70MPa， 摩擦时间 10s， 钢螺柱缓慢嵌入预置孔， 直至摩 擦端部全部没入铝板中 ； 步骤四， 待摩擦端部全部没入铝板中后， 螺柱急停、 顶锻， 顶锻力为 120MPa， 顶锻时间维持 10s， 压套筒紧紧压住铝板表面， 使塑

23、性金属全部填充螺柱空。步骤 五， 关闭电源， 摩擦螺柱焊冷却， 拆卸压套筒， 得到焊接接头成品， 流程如图 4 所示。 0026 实施例3， 以焊接直径为16mm， 长80mm的30CrNi3MoV实心螺柱， 螺柱端部如图2-c 所示， 所述端部直径逐渐变小， 且端部顶端为圆锥结构， 周向开有 1 个环形槽， 螺柱端部长 度为 14mm， 以及板厚 25mm 的 6061 铝合金的焊接接头成品为例 ： 步骤一， 加工钢螺柱 1 端部， 端部直径逐渐变小， 且周向开有 1 个环形槽， 铝板 3 表面 加工预置孔， 套筒 2 分别装夹在预定位置 ； 步骤二， 启动电源， 螺柱旋转， 转速 600r

24、/min， 向 下工进， 钢螺柱与铝板接触后停止工进， 钢螺柱与铝板摩擦 8 秒， 使得钢螺柱与铝板产热铝 板受热软化。步骤三， 施加摩擦压力 60MPa， 摩擦时间 12s， 钢螺柱缓慢嵌入预置孔， 直至摩 擦端部全部没入铝板中 ； 步骤四， 待摩擦端部全部没入铝板中后， 螺柱急停、 顶锻， 顶锻力为 100MPa， 顶锻时间维5s， 压套筒紧紧压住铝板表面， 使塑性金属全部填充螺柱空。 步骤五， 关 闭电源， 摩擦螺柱焊冷却， 拆卸压套筒， 得到焊接接头成品， 流程如图 5 所示。 说 明 书 CN 103846545 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103846545 A 7 2/2 页 8 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103846545 A 8