专利名称：铝制件与钢制件的线性摩擦焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种铝制件与钢制件的焊接方法，特别涉及铝制件与钢制件的线性摩擦焊接方法。
背景技术：
铝本身是一种焊接性很差的金属材料，尤其是硬铝和超硬铝有很强的热裂倾向，其焊接性更差。而铝和钢的热物理性能相差很大，实现这两种材料的焊接极其困难，一直以来也是焊接领域不断探索与研究的技术难题。
公知的能将铝制件与钢制件焊接在一起并用于实际生产的方法有两种一种是爆炸焊；另一种是旋转式摩擦焊。
爆炸焊这种方法能够将塑性较好的纯铝或防锈铝焊接到大面积的钢板上。但该焊接方法的缺点在于1.只适用于塑性较好的纯铝或防锈铝；2.只能用于将薄铝板焊到钢板表面，而不能用于其它焊接接头形式。
旋转式摩擦焊，只能用于焊接截面为圆形的铝一钢焊接构件，从而限制了这种焊接方法的使用范围。
因此，在船舶等工业领域，只能采用铆接或螺钉连接等机械方法将铝与钢构件连接在一起。例如，将钢轮盘与超硬铝浆片用螺钉连接在一起。这种机械的铝-钢构件连接方法也存在如下缺点1.连接部位结构复杂，因而零件成本高，生产效率低；2.铝-钢连接件接缝处的空隙不仅影响构件的使用效果，且装配间隙造成的微动疲劳会使连接件机械性能降低，尤其是疲劳强度较差，因而构件使用的安全系数较低。
发明内容
为了克服现有技术只能焊接铝板材与钢板材、或者是截面为圆形的铝制件与钢制件的不足，本发明提供一种铝制件与钢制件的线性摩擦焊接方法，可以焊接多种截面的铝制件与钢制件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种铝制件与钢制件的线性摩擦焊接方法，其特点是包括下述步骤将钢制件固定于振动夹具中；振动源通过连杆带动振动夹具沿直线导轨以24～30Hz的振动频率，以及2.0～2.8mm的振幅做上、下往复运动；钢制件即随着振动夹具以相同频率上、下振动；将铝制件安装固定于移动夹具中；在加力油缸的推动下，钢制件与铝制件相互接触，由加力油缸在接触表面施加3.5～5.5Kg/mm2摩擦压力，当摩擦时间为1.5～2.0s时，振动源停止振动，同时由加力油缸再施加6.5～12.0Kg/mm2的锻压力，保持0.5～1秒后，自然冷却，即可形成牢固钢铝接头。
本发明的有益效果是本发明通过控制摩擦压力3.5～5.5Kg/mm2，锻压力6.5～12.0Kg/mm2，振动频率24～30Hz，振幅2～2.8mm和摩擦时间1.5～2.0s，使铝制件与钢制件摩擦区的温度控制在铝熔点的0.8倍时，施加锻压力使焊接区金属产生明显的塑性变形，从而通过再结晶，依靠铝-钢金属原子之间的结合力，形成钢铝焊接接头。实现了对多种截面的铝制件与钢制件的焊接。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作详细说明。
图1是本发明铝制件与钢制件的线性摩擦焊接方法所用装置示意2是实施例硬铝-45#钢线性摩擦焊接头实物照片图3是实施例硬铝-45#钢线性摩擦焊接头金相照片图中1-直线导轨，2-振动夹具，3-钢制件，4-连杆，5-振动源，6-铝制件，7-移动夹具，8-推力杆，9-滑杆，10-加力油缸，11-支座。
具体实施例方式
实施例1参照图1，截面为长方形的铝制件与钢制件的焊接。将钢制件3安装固定于振动夹具2中。振动源5通过连杆4带动振动夹具2沿直线导轨1以24Hz的振动频率，以及2mm的振幅做上、下往复运动。钢制件3即随着振动夹具2以相同频率上、下振动。铝制件6安装固定于移动夹具7中。加力油缸10通过推力杆8使移动夹具7沿滑杆9左右移动，铝制件6即同时受到左或右的推力作用。
焊接时，在加力油缸10的推动下，钢制件3与铝制件6相互接触。此时振动源5带动钢制件3作快速上、下振动，那么两焊件的接触表面在加力油缸10施加的3.5Kg/mm2摩擦压力作用下产生高速的摩擦运动，机械能将转化为热能对焊接区进行加热。当摩擦时间为1.5s时，振动源5停止振动，同时由加力油缸10再施加6.5Kg/mm2的锻压力，保持0.5秒后，自然冷却，即可形成牢固钢铝接头。
从图2硬铝-45#钢线性摩擦焊接头的实物照片可以看出，焊后钢铝两种制件的缩短量共为8.5～9mm。变形几乎全部为铝制件的变形，钢制件未发现明显变形。对焊接后钢铝连接件进行了拉伸试验，发现均断裂在焊接界面硬铝一侧的近缝区，其拉伸强度为铝母材强度。
从图3为硬铝-45#钢线性摩擦焊接头的金相照片焊接组织形态可看出，硬铝与45#钢已形成良好连接。
实施例2参照图1，截面为圆形的铝制件与钢制件的焊接。将钢制件3安装固定于振动夹具2中。振动源5通过连杆4带动振动夹具2沿直线导轨1以26Hz的振动频率，以及2.6mm的振幅做上、下往复运动。钢制件3即随着振动夹具2以相同频率上、下振动。铝制件6安装固定于移动夹具7中。加力油缸10通过推力杆8使移动夹具7沿滑杆9左右移动，铝制件6即同时受到左或右的推力作用。
焊接时，在加力油缸10的推动下，钢制件3与铝制件6相互接触。此时振动源5带动钢制件3作快速上、下振动，那么两焊件的接触表面在加力油缸10施加的4.0Kg/mm2摩擦压力作用下产生高速的摩擦运动，机械能将转化为热能对焊接区进行加热。当摩擦时间为1.6s时，振动源5停止振动，同时由加力油缸10再施加8.0Kg/mm2的锻压力，保持0.7秒后，自然冷却，即可形成牢固钢铝接头。
实施例3参照图1，截面为正六边形的铝制件与钢制件的焊接。将钢制件3安装固定于振动夹具2中。振动源5通过连杆4带动振动夹具2沿直线导轨1以28Hz的振动频率，以及2.6mm的振幅做上、下往复运动。钢制件3即随着振动夹具2以相同频率上、下振动。铝制件6安装固定于移动夹具7中。加力油缸10通过推力杆8使移动夹具7沿滑杆9左右移动，铝制件6即同时受到左或右的推力作用。
焊接时，在加力油缸10的推动下，钢制件3与铝制件6相互接触。此时振动源5带动钢制件3作快速上、下振动，那么两焊件的接触表面在加力油缸10施加的4.5Kg/mm2摩擦压力作用下产生高速的摩擦运动，机械能将转化为热能对焊接区进行加热。当摩擦时间为1.8s时，振动源5停止振动，同时由加力油缸10再施加10.0Kg/mm2的锻压力，保持0.9秒后，自然冷却，即可形成牢固钢铝接头。
实施例4参照图1，截面为正方形的铝制件与钢制件的焊接。将钢制件3安装固定于振动夹具2中。振动源5通过连杆4带动振动夹具2沿直线导轨1以30Hz的振动频率，以及2.8mm的振幅做上、下往复运动。钢制件3即随着振动夹具2以相同频率上、下振动。铝制件6安装固定于移动夹具7中。加力油缸10通过推力杆8使移动夹具7沿滑杆9左右移动，铝制件6即同时受到左或右的推力作用。
焊接时，在加力油缸10的推动下，钢制件3与铝制件6相互接触。此时振动源5带动钢制件3作快速上、下振动，那么两焊件的接触表面在加力油缸10施加的5.5Kg/mm2摩擦压力作用下产生高速的摩擦运动，机械能将转化为热能对焊接区进行加热。当摩擦时间为2.0s时，振动源5停止振动，同时由加力油缸10再施加12.0Kg/mm2的锻压力，保持1秒后，自然冷却，即可形成牢固钢铝接头。
焊接机理如下在线性摩擦焊的初期阶段，首先焊接界面的凹凸不平及氧化膜被消除，并使焊接区的温度开始上升。随着温度的上升，界面金属的强度下降，变形量增大，热塑形变金属在摩擦力与压力的作用下开始向焊接界面以外运动，形成所谓的飞边。飞边逐渐封闭了焊接界面，使随后的焊接加热过程就在封闭条件下进行，从而有效避免了焊接界面金属的氧化。通过计算得知，当摩擦时间为1.5～2.0s时，摩擦区的温度约为铝熔点的0.8倍时，施加锻压力使焊接区金属产生明显的塑性变形，从而通过再结晶，依靠铝-钢金属原子之间的结合力，形成焊接接头。由于焊接过程不存在金属的熔化现象，故不可能形成复杂的脆性化合物相，也没有其他焊接方法所出现的冶金问题。
权利要求
1.一种铝制件与钢制件的线性摩擦焊接方法，其特征在于包括下述步骤将钢制件固定于振动夹具中；振动源通过连杆带动振动夹具沿直线导轨以24～30Hz的振动频率，以及2.0～2.8mm的振幅做上、下往复运动；钢制件即随着振动夹具以相同频率上、下振动；将铝制件安装固定于移动夹具中；在加力油缸的推动下，钢制件与铝制件相互接触，由加力油缸在接触表面施加3.5～5.5Kg/mm2摩擦压力，当摩擦时间为1.5～2.0s时，振动源停止振动，同时由加力油缸再施加6.5～12.0Kg/mm2的锻压力，保持0.5～1秒后，自然冷却，即可形成牢固钢铝接头。
全文摘要
本发明公开了一种铝制件与钢制件的线性摩擦焊接方法，其特征在于包括下述步骤将钢制件固定于振动夹具中；振动源通过连杆带动钢制件沿直线导轨以24～30Hz的振动频率，以及2.0～2.8mm的振幅做上、下往复运动；将铝制件固定于移动夹具中；在加力油缸的推动下，钢制件与铝制件相互接触，由加力油缸在接触表面施加3.5～5.5Kg/mm
文档编号B23K103/20GK101020275SQ200710017510
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月16日 优先权日2007年3月16日
发明者马铁军, 杨思乾, 张勇, 席德科 申请人:西北工业大学