CN105033438B - 一种铝钢复合件的焊接方法以及铝钢复合件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的铝钢复合件的焊接方法，通过合理地设置表面粗糙度、压力、转数、伸入速度、降温速度，保证了焊接时产生足够的温度，使焊接面处的金属产生塑性变形，并使焊接后焊缝处形成足够厚度的铝‑钢结合区，并且焊缝处不产生气泡、裂纹等缺陷，使焊缝处的抗拉强度大于铝基体处的抗拉强度。完成焊接后对焊接面进行局部加热可以去除焊缝处的残余应力，提高焊缝处的连接强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝钢复合件的焊接方法以及铝钢复合件，属于摩擦焊接工艺技术领域。
背景技术
现有技术中，对于钢铝这样的异种金属的接合，通常通过熔融焊接，或者使用铆钉等机械连接方式，或者通过胶水粘接。
采用熔融焊接时，由于输入到焊接部位的热量太大，容易在钢铝之间的结合面处形成脆弱的金属间化合物，降低了钢铝之间的结合强度，在长时间使用下，尤其是在扭矩的作用下，焊缝处容易发生断裂，造成结构失效。
采用胶水粘接时，钢铝之间的接合力也常常达不到要求，并且，胶水还有可能会因为老化而进一步降低钢铝之间的接合力。
通过铆钉等机械方法进行接合时，则存在因为铆接而影响产品外形，或由于铆接部位长时间使用而产生疲劳断裂的问题。
综上所述，如何提供一种结合稳固的铝钢复合件是现有技术中还没有解决的技术难题。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的钢铝复合件的生产方法使得钢与铝接合不牢固的技术问题，从而提出一种能够使钢与铝之间接合稳固的铝钢复合件的生产方法。
为此，本发明提供一种铝钢复合件的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用表面粗糙度在Ra1.6-Ra6.3的板状或块状铝制件，以及圆柱状钢制件，铝制件厚度不小于9mm，钢制件直径不小于20mm；
固定钢制件和铝制件，并使铝制件的板面和钢制件的端面对准接触形成焊接面，对铝制件施加向着钢制件方向的并与焊接面垂直的力或力的分量，使该力或力的分量对焊接面产生280-380KN的压力；
保持焊接面所受的压力，并使钢制件相对于铝制件旋转，转数为300-500转/分，经3-5s后使钢制件停止旋转，在钢制件旋转过程中使钢制件以0.8-1mm/s的速度逐渐伸入到铝制件中，与塑性变形状态的铝制件接合而形成铝钢复合件；
将铝钢复合件降温至室温，降温速度200-300℃/分钟，完成焊接。
还包括对铝制件和钢制件的焊接面进行表面处理以控制铝制件和钢制件表面粗糙度的步骤。
钢制件和铝制件在惰性气体气氛中旋转接合。
在钢制件停止旋转后，继续对焊接面保持上述压力，保压时间不少于10s。
完成焊接后，将焊接面局部加热至200-250℃，并保温1-2h。
选用的铝制件的焊接面上具有圆台状的孔槽，孔槽深度为1-2mm，选用的钢制件的焊接面上具有圆台状凸台，凸台的母线与凸台中轴线形成的夹角比孔槽的母线与孔槽中轴线形成的夹角大3-5°，焊接时，使孔槽和凸台的中轴线对准。
圆台状的凸台的母线与凸台中轴线形成的夹角为83-88°。
圆台状的孔槽的母线与孔槽中轴线形成的夹角为80-85°。
本发明还提供一种铝钢复合件，包括板状或块状的铝制件，和与铝制件的板面焊接固定的圆柱状的钢制件，所述铝制件和所述钢制件采用上述任一项所述的焊接方法焊接固定。
本发明提供的铝钢复合件的焊接方法具有如下优点：
1.本发明提供的铝钢复合件的焊接方法，通过合理地设置表面粗糙度、压力、转数、伸入速度、降温速度，保证了焊接时产生足够的温度，使焊接面处的金属产生塑性变形，并使焊接后焊缝处形成足够厚度的铝-钢结合区，并且焊缝处不产生气泡、裂纹等缺陷，使焊缝处的抗拉强度大于铝基体处的抗拉强度。完成焊接后对焊接面进行局部加热可以去除焊缝处的残余应力，提高焊缝处的连接强度。
2.本发明提供的铝钢复合件的焊接方法，在铝制件板面上预成型圆台状的孔槽，在钢制件的焊接端成型圆台状凸台，同时将圆台状的凸台的母线与凸台中轴线的夹角比圆台状的孔槽的母线与孔槽中轴线的夹角设置成大3-5°，一方面，通过圆台与孔槽对准配合，为焊接前钢制件和铝制件的提供定位，另一方面，在焊接时钢制件伸入到铝制件中，钢制件与铝制件形成圆台表面的焊接结合面，提高了结合面积，提高钢制件与铝制件之间的焊接强度，另外，预成型孔槽还可减小铝制件从焊接区域溢出的量。
3.本发明提供的铝钢复合件，因采用上述方法制备而成，因此具有非常高的剥离强度，铝和钢结合稳定，使用寿命高。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明的铝制件和钢制件焊接前的结构示意图；
图2是本发明的铝钢复合件车加工后的结构示意图；
图中附图标记表示为：1-钢制件；2-铝制件；3-圆柱体；31-盲孔；4-圆形基座；41-圆台状突出部；42-圆环状突出部；43-圆形突出部。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种铝钢复合件的焊接方法，包括以下步骤：
S1：采用表面粗糙度在Ra1.6的板状铝制件和表面粗糙度为Ra1.6的圆柱状钢制件，铝制件厚度为9mm，钢制件直径为20mm，铝制件为1060纯铝，钢制件为304不锈钢；
S2：固定铝制件和钢制件，并使铝制件的板面和钢制件的端面对准接触形成焊接面，对铝制件施加向着钢制件方向的并与焊接面垂直的力或力的分量，使该力或力的分量对焊接面产生280KN的压力；
S3：保持焊接面所受的压力，并使钢制件相对于铝制件旋转，转数为300转/分，经5s后使钢制件停止旋转，在钢制件旋转过程中使钢制件以1mm/s的速度逐渐伸入到铝制件中，与塑性变形状态的铝制件接合而形成铝钢复合件,其中，停止旋转后继续保持10s的压力；
S4：将铝钢复合件降温至室温，降温速度200℃/分钟，完成焊接。
S5：完成焊接后，松开铝钢复合件，并将其置于加热装置内，将焊接面局部加热至200℃，并保温2h。
利用上述焊接方法生产得到的铝钢复合件，包括圆柱状的钢制件和与圆柱状的钢制件的端面焊接连接的板状的铝制件，该铝钢复合件的剥离强度见表1。
实施例2
S1：采用表面粗糙度在Ra1.6的板状铝制件和表面粗糙度为Ra5.6的圆柱状钢制件，铝制件厚度为10mm，钢制件直径为21mm；
S2：固定铝制件和钢制件，并使铝制件的板面和钢制件的端面对准接触形成焊接面，对铝制件施加向着钢制件方向的并与焊接面垂直的力或力的分量，使该力或力的分量对焊接面产生320KN的压力；
S3：保持焊接面所受的压力，并使钢制件相对于铝制件旋转，转数为400转/分，经3s后使钢制件停止旋转，在钢制件旋转过程中使钢制件以0.8mm/s的速度逐渐伸入到铝制件中，与塑性变形状态的铝制件接合而形成铝钢复合件,其中，停止旋转后继续保持11s的压力；
S4：将铝钢复合件降温至室温，降温速度250℃/分钟，完成焊接。
S5：完成焊接后，松开铝钢复合件，并将其置于加热装置内，将焊接面局部加热至220℃，并保温1.2h。
利用上述焊接方法生产得到的铝钢复合件，包括圆柱状的钢制件和与圆柱状的钢制件的端面焊接连接的板状的铝制件，该铝钢复合件的剥离强度见表1。
实施例3
S1：采用表面粗糙度在Ra6.3的板状铝制件和表面粗糙度为Ra4.6的圆柱状钢制件，铝制件厚度为13mm，钢制件直径为23mm；
S2：固定铝制件和钢制件，并使铝制件的板面和钢制件的端面对准接触形成焊接面，对铝制件施加向着钢制件方向的并与焊接面垂直的力或力的分量，使该力或力的分量对焊接面产生380KN的压力；
S3：保持焊接面所受的压力，并使钢制件相对于铝制件旋转，转数为500转/分，经4s后使钢制件停止旋转，在钢制件旋转过程中使钢制件以0.9mm/s的速度逐渐伸入到铝制件中，与塑性变形状态的铝制件接合而形成铝钢复合件,其中，停止旋转后继续保持12s的压力；
S4：将铝钢复合件降温至室温，降温速度300℃/分钟，完成焊接。
S5：完成焊接后，松开铝钢复合件，并将其置于加热装置内，将焊接面局部加热至250℃，并保温1h。
利用上述焊接方法生产得到的铝钢复合件，包括圆柱状的钢制件和与圆柱状的钢制件的端面焊接连接的板状的铝制件，该铝钢复合件的剥离强度见表1。
实施例4
S1：采用表面粗糙度在Ra6.3的板状铝制件和表面粗糙度为Ra4.6的圆柱状钢制件，铝制件厚度为13mm，钢制件直径为23mm；在铝制件的焊接面预成型圆台状的孔槽，孔槽深度为1.5mm；钢制件的焊接面上成型圆台状凸台，圆台状的凸台的母线与凸台中轴线的夹角为83°；圆台状的孔槽的母线与孔槽中轴线的夹角为80°；
S2：固定铝制件和钢制件，并使铝制件的板面和钢制件的端面对准接触形成焊接面，对铝制件施加向着钢制件方向的并与焊接面垂直的力或力的分量，使该力或力的分量对焊接面产生380KN的压力；
S3：保持焊接面所受的压力，并使钢制件相对于铝制件旋转，转数为500转/分，经4s后使钢制件停止旋转，在钢制件旋转过程中使钢制件以0.9mm/s的速度逐渐伸入到铝制件中，与塑性变形状态的铝制件接合而形成铝钢复合件,其中，停止旋转后继续保持12s的压力；
S4：将铝钢复合件降温至室温，降温速度300℃/分钟，完成焊接。
S5：完成焊接后，松开铝钢复合件，并将其置于加热装置内，将焊接面局部加热至250℃，并保温1h。
利用上述焊接方法生产得到的铝钢复合件，包括圆柱状的钢制件和与圆柱状的钢制件的端面焊接连接的板状的铝制件，该铝钢复合件的剥离强度见表1。
实施例5
S1：采用表面粗糙度在Ra1.6的板状铝制件和表面粗糙度为Ra6.3的圆柱状钢制件，铝制件厚度为10mm，钢制件直径为21mm；在铝制件的焊接面预成型圆台状的孔槽，孔槽深度为1mm；钢制件的焊接面上成型圆台状凸台，圆台状的凸台的母线与凸台中轴线的夹角为87°；圆台状的孔槽的母线与孔槽中轴线的夹角为82°；
S2：固定铝制件和钢制件，并使铝制件的板面和钢制件的端面对准接触形成焊接面，对铝制件施加向着钢制件方向的并与焊接面垂直的力或力的分量，使该力或力的分量对焊接面产生320KN的压力；
S3：保持焊接面所受的压力，并使钢制件相对于铝制件旋转，转数为400转/分，经3s后使钢制件停止旋转，在钢制件旋转过程中使钢制件以0.8mm/s的速度逐渐伸入到铝制件中，与塑性变形状态的铝制件接合而形成铝钢复合件,其中，停止旋转后继续保持11s的压力；
S4：将铝钢复合件降温至室温，降温速度250℃/分钟，完成焊接。
S5：完成焊接后，松开铝钢复合件，并将其置于加热装置内，将焊接面局部加热至220℃，并保温1.2h。
利用上述焊接方法生产得到的铝钢复合件，包括圆柱状的钢制件和与圆柱状的钢制件的端面焊接连接的板状的铝制件，该铝钢复合件的剥离强度见表1。
实施例6
S1：采用表面粗糙度在Ra1.6的板状铝制件和表面粗糙度为Ra1.6的圆柱状钢制件，铝制件厚度为9mm，钢制件直径为20mm，铝制件为1060纯铝，钢制件为304不锈钢；在铝制件的焊接面预成型圆台状的孔槽，孔槽深度为2mm；钢制件的焊接面上成型圆台状凸台，圆台状的凸台的母线与凸台中轴线的夹角为88°；圆台状的孔槽的母线与孔槽中轴线的夹角为85°；
S2：固定铝制件和钢制件，并使铝制件的板面和钢制件的端面对准接触形成焊接面，并且同时保证孔槽和凸台的中轴线对准，对铝制件施加向着钢制件方向的并与焊接面垂直的力或力的分量，使该力或力的分量对焊接面产生280KN的压力；
S3：保持焊接面所受的压力，并使钢制件相对于铝制件旋转，转数为300转/分，经5s后使钢制件停止旋转，在钢制件旋转过程中使钢制件以1mm/s的速度逐渐伸入到铝制件中，与塑性变形状态的铝制件接合而形成铝钢复合件,其中，停止旋转后继续保持10s的压力；
S4：将铝钢复合件降温至室温，降温速度200℃/分钟，完成焊接。
S5：完成焊接后，松开铝钢复合件，并将其置于加热装置内，将焊接面局部加热至200℃，并保温2h。
利用上述焊接方法生产得到的铝钢复合件，包括圆柱状的钢制件和与圆柱状的钢制件的端面焊接连接的板状的铝制件，该铝钢复合件的剥离强度见表1。实施例1-3中的铝钢复合件的焊接方法，通过合理地设置表面粗糙度、压力、转数、伸入速度、降温速度，保证了焊接时产生足够的温度，使焊接面处的金属产生塑性变形，并使焊接后焊缝处形成足够厚度的铝-钢结合区，并且焊缝处不产生气泡、裂纹等缺陷，使焊缝处的抗拉强度大于铝基体处的抗拉强度。完成焊接后对焊接面进行局部加热可以去除焊缝处的残余应力，提高焊缝处的连接强度。
实施例4-6中的铝钢复合件的焊接方法，在实施例1-3所述的方法的基础之上进行变形，如图1所示，在铝制件的焊接面预成型圆台状的孔槽，孔槽深度L1为1-2mm，钢制件的焊接端成型圆台状凸台，凸台的宽度L2基本与孔槽深度L1相等，凸台的母线与凸台中轴线的夹角β为83-88°，孔槽的母线与孔槽中轴线的夹角α为80-85°并且要保证圆台状的凸台的母线与凸台中轴线的夹角比圆台状的孔槽的母线与孔槽中轴线的夹角大3-5°，焊接时，孔槽和凸台的中轴线对准。在铝制件板面上预成型圆台状的孔槽，在钢制件的焊接端成型圆台状凸台，同时将圆台状的凸台的母线与凸台中轴线的夹角比圆台状的孔槽的母线与孔槽中轴线的夹角设置成大3-5°，一方面，通过圆台与孔槽对准配合，为焊接前钢制件和铝制件的提供定位，另一方面，在焊接时钢制件伸入到铝制件中，钢制件与铝制件形成圆台表面的焊接结合面，提高了结合面积，提高钢制件与铝制件之间的焊接强度，另外，预成型孔槽还可减小铝制件从焊接区域溢出的量。
通过实施例1-6的铝钢复合件的焊接方法得到的铝钢复合件之后，在通过机加工可生产出具有特定形状的铝钢复合件，如图2所示，为一种作为锂电池正极端盖的铝钢复合件，包括，铝制的圆形基座4，钢制的圆柱体3，钢制的圆柱体3从基座4的一个端面嵌入到基座4中，基座4的另一个端面的中心位置成型有圆台状突出部41、边缘位置成型有圆环状突出部42，基座4的侧壁上成型有与基座4径向形成一定夹角的圆形突出部43，圆柱体3中心位置成型有伸入到基座4中圆柱状的盲孔31，盲孔31内壁成型有螺纹。上述铝钢复合件中结构和形状均是在将钢制件与铝制件焊接后，通过机加工的方式得到的。
需要指出的实施例1-6的铝钢复合件的焊接方法，钢制件相对于铝制件旋转相应时间(3-5s)后，需要迅速降低到速度为0，这一降速过程不得超过0.15s。
实验例
根据日本工业标准JIS Z3144对实施例1-6所得到的铝钢复合件进行剥离强度试验，试验结果如下表所示。
表1 实施例1-6中剥离强度试验试验结果
| 实施例 | 剥离强度/KN |
| 实施例1 | 0.53 |
| 实施例2 | 0.56 |
| 实施例3 | 0.63 |
| 实施例4 | 0.71 |
| 实施例5 | 0.76 |
| 实施例6 | 0.67 |
上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种铝钢复合件的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用表面粗糙度在Ra1.6-Ra6.3的板状或块状铝制件，以及圆柱状钢制件，铝制件厚度不小于9mm，钢制件直径不小于20mm；
固定钢制件和铝制件，并使铝制件的板面和钢制件的端面对准接触形成焊接面，对铝制件施加向着钢制件方向的并与焊接面垂直的力或力的分量，使该力或力的分量对焊接面产生280-380KN的压力；
保持焊接面所受的压力，并使钢制件相对于铝制件旋转，转数为300-500转/分，经3-5s后使钢制件停止旋转，在钢制件旋转过程中使钢制件以0.8-1mm/s的速度逐渐伸入到铝制件中，与塑性变形状态的铝制件接合而形成铝钢复合件；
将铝钢复合件降温至室温，降温速度200-300℃/分钟，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的铝钢复合件的焊接方法，其特征在于，还包括对铝制件和钢制件的焊接面进行表面处理以控制铝制件和钢制件表面粗糙度的步骤。
3.根据权利要求1所述的铝钢复合件的焊接方法，其特征在于，钢制件和铝制件在惰性气体气氛中旋转接合。
4.根据权利要求1所述的铝钢复合件的焊接方法，其特征在于，在钢制件停止旋转后，继续对焊接面保持上述压力，保压时间不少于10s。
5.根据权利要求1-4任一项所述的铝钢复合件的焊接方法，其特征在于，完成焊接后，将焊接面局部加热至200-250℃，并保温1-2h。
6.根据权利要求1-4任一项所述的铝钢复合件的焊接方法，其特征在于，选用的铝制件的焊接面上具有圆台状的孔槽，孔槽深度为1-2mm，选用的钢制件的焊接面上具有圆台状凸台，凸台的母线与凸台中轴线形成的夹角比孔槽的母线与孔槽中轴线形成的夹角大3-5°，焊接时，使孔槽和凸台的中轴线对准。
7.根据权利要求6所述的铝钢复合件的焊接方法，其特征在于，圆台状的凸台的母线与凸台中轴线形成的夹角为83-88°。
8.根据权利要求1-4任一项所述的铝钢复合件的焊接方法，其特征在于，圆台状的孔槽的母线与孔槽中轴线形成的夹角为80-85°。
9.一种铝钢复合件，包括板状或块状的铝制件，和与铝制件的板面焊接固定的圆柱状的钢制件，其特征在于：所述铝制件和所述钢制件采用权利要求1-8中任一项所述的焊接方法焊接固定。
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