一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊装置及方法

技术领域

本发明涉及一种增材式搅拌摩擦铆焊装置及方法，属于钢铝异种金属焊接技术领域。

背景技术

新能源汽车已成为全球汽车产业转型发展的主要方向和促进世界经济持续增长的重要引擎，并提出突破整车轻量化共性节能技术。汽车整体质量每降低1.0％，会减少1.0％的有害气体排放，且电耗/油耗会降低0.6-0.8％。汽车品牌车身大多采用了钢铝异种金属复合结构件，比钢体车身减重40％上，并兼顾高强度安全设计，大幅提高了电动续航/燃油效率。然而，钢铝异种金属焊接技术作为轻量化结构服役性能中的关键环节仍未得到有效的解决，二者热物理性能差异巨大且化学相容性差，使钢铝焊接接头普遍存在界面结合弱、承载性能差和成品率低的共性关键难题。

搅拌摩擦焊接作为一种固相连接方法，利用焊具高速旋转与被焊工件摩擦产热形成热塑性材料层，焊具与工件相对运动时，在前方不断形成的热塑性金属转移到焊具后方，填满后方的空腔，并在轴肩的挤压下形成致密的焊缝。该技术具有热输入低、高温停留时间短、焊接变形小等特点，且可有效避免由熔化-凝固过程所引起的裂纹、气孔等缺陷，基本不受材料理化性能及结构等的影响，对克服异种材料因自身物理和化学性能差异所带来的焊接困难具有显著优势，已成为异种金属焊接的热点研究方向。然而，钢铝异种金属焊接采用搅拌摩擦焊接时仍存在显著的组织性能不均一性，在复杂载荷作用下极易发生非预期失效。

因此，亟需提出一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊装置及方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决钢铝异种金属焊接采用搅拌摩擦焊接时仍存在显著的组织性能不均一性，在复杂载荷作用下极易发生非预期失效的问题，提供一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊装置及方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊装置，包括非旋转部件和旋转部件，非旋转部件的内侧同轴设置有旋转部件，非旋转部件包括输送部，输送部的侧面具有送丝槽口，输送部具有轴向的中空通道，中空通道的内壁加工有局部导流槽，旋转部件包括螺杆部和搅拌针部，螺杆部的下端同轴设置有搅拌针部，螺杆部上加工有送料螺纹，搅拌针部上加工有螺纹结构。

优选的：局部导流槽为大螺距螺旋槽，数量为3-10个，每个槽之间角度差为60°除以螺旋槽数量。

优选的：非旋转部件还包括夹持部，所述输送部的上部外侧设置有夹持部，夹持部上加工有圆周阵列布置的若干定位通孔，夹持部用于与机加工设备的主轴非旋转定子部分连接，定位通孔用于定位装夹；输送部的下部外侧具有对称的安装平面，平面上加工有局部导流槽；输送部的底端具有轴肩部。

优选的：旋转部件还包括夹持部和过渡部，夹持部、过渡部、螺杆部顺次设置，夹持部位于中空通道的外侧，夹持部的外侧具有铣平面，持部用于与机加工设备的旋转主轴转子部分连接，铣平面用于侧固式装夹；过渡部上设置有用于安装拆卸的拆卸槽；搅拌针部设置有圆周阵列布置的若干铣平面结构，搅拌针部位于中空通道的外侧。

优选的：螺杆部的底端与轴肩部位于同一平面。

优选的：铣平面结构的数量为2-6个，螺纹结构螺距为0.5～2.5mm。

一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊方法，包括以下步骤：

步骤一：焊前准备

将被焊钢板一侧加工出等间距的盲铆孔，并将对接面加工为与搅拌针圆台母线角相同的斜面坡口，同时需将被焊铝板一侧加工为倒置的斜面坡口，保证被焊钢板与被焊铝板对接界面可完全接触；

步骤二：焊接过程，包括以下步骤：

步骤2.1：非旋转部件与旋转部件同轴安装，非旋转部件的轴肩部与旋转部件螺杆部端面应平齐，旋转部件高速旋转；

步骤2.2：搅拌针部扎入被焊钢板与被焊铝板的交界处，此时将增材原料丝从非旋转部件的送丝槽口连续送入，向被焊钢板汇聚，在搅拌针部的强塑性变形作用下填入钢侧铆孔，形成焊缝余高层；

步骤2.3：非旋转部件和旋转部件同步沿着焊缝焊接钢铝对接接头界面方向运动，在实现钢铝异种金属界面冶金连接的同时，持续填充钢侧铆孔，实现铆接机械连接作用，最终形成完整的钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊接头；

步骤三：焊后处理

铣削焊缝余高层。

优选的：步骤一中，保障加工斜面坡口后，盲铆孔侧边能裸露出一部分，但不超过二分之一；搅拌针部为圆台型，搅拌针部的母线角为5～20°；

步骤二中，步骤2.1中，旋转部件的转向与送料螺纹的旋向相反；步骤2.2中，扎入时应保障搅拌针侧壁与钢铝对接接头界面斜面坡口重合或间距不大于0.1mm，且非旋转部件的轴肩部距离被焊钢板或被焊铝板表面0.1～0.8mm；增材原料丝为直径1.2～3.0mm的铝合金焊丝。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过在待焊接件上设置盲铆孔，并配合本发明的装置，兼顾钢铝异种金属接头兼顾焊接冶金与铆接机械连接双重承载模式，实现了钢铝异种金属接头的可靠连接，有效解决了钢铝异种金属焊接存在的界面结合弱、承载性能差、组织性能不均一以及成品率低的共性关键难题，复杂载荷作用下极不易发生非预期失效；

2.本发明通过同步沉积增材实现了焊缝表面铝余高层(焊缝余高层)，从而避免了焊具旋转部件与被焊钢材的直接接触摩擦磨损，使钢制焊具可完成钢铝异种金属对接连接，降低了焊具使用成本，提高了焊具使用寿命。

附图说明

图1是本发明所述的一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊装置示意图；

图2是本发明所述的非旋转部件结构示意图；

图3是本发明所述的旋转部件结构示意图；

图4是本发明所述的一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊基本方法示意图。

图中：1-非旋转部件，101-夹持部，10101-定位通孔，102-输送部，10201-送丝槽口，10202-中空通道，10203-局部导流槽，10204-安装平面，103-轴肩部，2-旋转部件，201-夹持部，20101-侧铣平面，202-过渡部，20201-拆卸槽，203-螺杆部，20301-送料螺杆，204-搅拌针部，20401-均布周向铣平面，20402-螺纹结构，3-被焊钢板，301-盲铆孔，302-坡口，4-被焊铝板，5-增材原料丝，6-焊缝余高层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

具体实施方式一：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊装置，包括非旋转部件1和旋转部件2，非旋转部件1的内侧同轴设置有旋转部件2，非旋转部件1包括输送部102，输送部102的侧面具有送丝槽口10201，输送部102具有轴向的中空通道10202，中空通道10202与送丝槽口10201连通，中空通道10202的内壁加工有倾斜的局部导流槽10203，旋转部件2包括螺杆部203和搅拌针部204，螺杆部203的下端同轴设置有搅拌针部204，螺杆部203上加工有送料螺纹20301，搅拌针部204上加工有螺纹结构20402，局部导流槽10203的倾斜方向与送料螺纹20301的旋向相同；本发明设计合理，操作方便，便于直观的进行观察。

具体实施方式二：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊装置，局部导流槽10203为大螺距螺旋槽，数量为3-10个，每个槽之间角度差为60°除以螺旋槽数量；非旋转部件1中局部导流槽10203为实现增材式搅拌摩擦铆焊时位于被焊钢板材3一侧，使热塑化的增材原料丝5强制导流向钢侧铆孔301，提高铆孔301的填充率，转动过程中热塑化的增材原料丝实现分流处理，使热塑化的增材原料丝与搅拌针部204充分接触搅拌，局部导流槽10203的结构为等角度均布于输送部内部中空通道10202壁面一侧。

具体实施方式三：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊装置，非旋转部件1还包括夹持部101，所述输送部102的上部外侧设置有夹持部101，夹持部101上加工有圆周阵列布置的若干定位通孔10101，夹持部101用于与包括但不限于搅拌摩擦焊机、数控铣床、数控加工中心等机加工设备的主轴非旋转定子部分连接，定位通孔10101用于定位装夹；输送部102的下部外侧具有对称的安装平面10204，一侧或者两侧的安装平面10204上加工有局部导流槽10203，局部导流槽10203的出口位于被焊钢板3的上侧；输送部102的底端具有轴肩部103；输送部102起到送入增材原料丝6、提供螺杆挤压输送通道、以及实现钢侧导流三个功能，其中送入增材原料丝5由非旋转部件1侧边的送丝槽口10201完成，螺杆挤压输送通道由输送部内部中空通道10202提供，钢侧导流由中空通道侧壁上设置的局部导流槽10203实现，此外输送部上设有两个安装平面10204方便拆卸与安装；轴肩部103起到对旋转部件搅拌针部204热塑化的小颗粒状增材原料压实抹平作用，以实现钢侧铆孔301的充分填孔和焊缝余高层6的致密化。

具体实施方式四：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊装置，旋转部件2还包括夹持部201和过渡部202，夹持部201、过渡部202、螺杆部203顺次设置，夹持部201、过渡部202、螺杆部203一体成型，夹持部201位于中空通道10202的外侧，夹持部201的外侧具有一侧铣平面20101，持部201用于与包括但不限于搅拌摩擦焊机、数控铣床、数控加工中心等机加工设备的旋转主轴转子部分连接，铣平面20101用于侧固式装夹；过渡部202上设置有用于安装拆卸的拆卸槽20201；搅拌针部204设置有圆周阵列布置的若干铣平面结构20401，搅拌针部204位于中空通道10202的外侧；送料螺纹20301用于将从非旋转部件送丝槽口10201送入的增材原料丝5向搅拌针部204方向送料挤压，并在该过程中使增材原料丝5破碎并热塑化，随后在搅拌针204的强塑性变形作用下填入钢侧铆孔301和形成焊缝余高层6。

具体实施方式五：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊装置，螺杆部203的底端与轴肩部103位于同一平面。

具体实施方式六：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊装置，铣平面结构20401的数量为2-6个，螺纹结构20402螺距为0.5～2.5mm。

具体实施方式七：结合图1-4说明本实施方式，本实施方式的一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊方法，采用所述的一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊装置，包括以下步骤：

步骤一：焊前准备

增材式搅拌摩擦铆焊形式为对接接头，且被焊钢板3与被焊铝板4厚度相同，将被焊钢板3一侧加工出等间距的盲铆孔301，并将对接面加工为与搅拌针204圆台母线角相同的斜面坡口302，同时需将被焊铝板4一侧加工为倒置的斜面坡口，保证被焊钢板3与被焊铝板4对接界面可完全接触；本发明通过钢侧盲铆孔设计与增材式搅拌摩擦焊设计，并引入局部导流方案，兼顾钢铝异种金属接头兼顾焊接冶金与铆接机械连接双重承载模式，实现了钢铝异种金属接头的可靠连接，有效解决了钢铝异种金属焊接存在的界面结合弱、承载性能差、组织性能不均一以及成品率低的共性关键难题；

步骤二：焊接过程，包括以下步骤：

步骤2.1：非旋转部件1与旋转部件2同轴安装，非旋转部件的轴肩部103与旋转部件螺杆部203端面应平齐，旋转部件2高速旋转；

步骤2.2：搅拌针部204扎入被焊钢板3与被焊铝板4的交界处，此时将增材原料丝5从非旋转部件的送丝槽口10201以一定速率连续送入，在旋转部件的螺杆部203挤压输送作用下推动至旋转部件搅拌针部204附近，并在非旋转部件的局部导流槽10203的引导作用下主动向被焊钢板3汇聚，在搅拌针部204的强塑性变形作用下填入钢侧铆孔301，形成焊缝余高层6；本发明可实现增材原料丝成分的调整，进一步抑制钢铝异种金属焊接缺陷倾向性，并提高接头强度和韧性；

步骤2.3：非旋转部件1和旋转部件2同步沿着焊缝焊接钢铝对接(对接接头界面)方向运动，在实现钢铝异种金属界面冶金连接的同时，持续填充钢侧铆孔301，实现铆接机械连接作用，最终形成完整的钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊接头；

步骤三：焊后处理

根据工况实际要求，选择机械加工铣削去除或不去除焊缝余高层6。

具体实施方式八：结合图1-4说明本实施方式，本实施方式的一种钢铝异种金属增材式搅拌摩擦铆焊方法，步骤一中，保障加工斜面坡口302后，盲铆孔301侧边能裸露出一部分，但不超过二分之一；搅拌针部204为圆台型，一方面用于搅拌热塑化被焊铝合金板材4使其与钢侧壁面302实现冶金连接，同时驱动热塑化的增材原料丝5填入钢侧铆孔301和形成焊缝余高层6，搅拌针部204的母线角为5～20°；焊缝余高层6的作用是避免钢制旋转部件2与被焊钢材表面3的直接接触摩擦磨损，以使钢制焊具可完成钢铝异种金属对接连接，降低焊具使用成本，提高焊具使用寿命；

步骤二中，步骤2.1中，旋转部件2的转向与送料螺纹20301的旋向相反；步骤2.2中，扎入时应保障搅拌针204侧壁与钢铝对接接头界面(斜面坡口)基本重合或间距不大于0.1mm，且非旋转部件的轴肩部103距离被焊钢板3或被焊铝板4表面0.1～0.8mm；增材原料丝5为直径1.2～3.0mm的铝合金焊丝，且为提高钢铝异种接头焊接强度和韧性，可使用含硅量＞10％的高硅含量焊丝设计。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。