專利名稱：一種具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法
一種具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于金屬材料的連接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬 材料連接方法。
背景技術(shù)：
一些構(gòu)件在工作時，既要求零件之間要傳遞載荷，又不能有過多的連接點暴露在 外，影響裝配，還要考慮構(gòu)件外表美觀性，有些場合還要求對氣體、液體有良好的密封性。常 規(guī)的螺釘/螺栓連接、焊接、膠接方法很難同時滿足上述要求。裝備制造業(yè)非常需要能同時 滿足上述要求的連接工藝。
攪拌摩擦焊接(Friction Stir Welding, FSW)是由英國焊接研究所于1991年發(fā) 明的一種固相焊接技術(shù)。FSW工作原理如圖1所示焊接時，攪拌頭(焊接工具，由軸肩和攪 拌針)高速旋轉(zhuǎn)，使攪拌針擠入待焊工件接縫處直至軸肩與工件表面接觸，軸肩與工件表面 摩擦產(chǎn)生溫升(低于被焊材料熔點)使材料軟化，攪拌針則帶動接縫兩側(cè)材料產(chǎn)生塑性流變 和混合，攪拌頭沿接縫移動形成均勻致密的焊縫，焊接結(jié)束時攪拌針拔出，在板上留下一個 類似于鑰匙孔的針孔。FSW形成的焊縫具有鍛態(tài)組織特點，且焊接過程無需填充材料、保護 氣氛以及輔助加熱，還可實現(xiàn)全自動化焊接。FSW理論上幾乎可適用于所有具有塑性流變 能力材料的焊接，并具有高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能無污染的優(yōu)點，被譽為“綠色焊接技術(shù)”。目前FSW 不僅被應(yīng)用于傳統(tǒng)技術(shù)難以焊接的鋁、鎂合金等金屬的焊接，還被用來補充或替代其它焊 接技術(shù)以提高材料的焊接質(zhì)量。
FSW不僅可以實現(xiàn)對接焊接，而且可以進行搭接與點焊。搭接時攪拌針穿透上板面 并插入下板一定深度，然后水平移動，兩板接觸面處被針掃過的區(qū)域形成焊縫。點焊時，攪 拌針穿透上板面并插入下板一定深度，保壓一定時間后，無水平移動直接拔出，在板上留下 一個類似于鑰匙孔的針孔，依靠攪拌針周圍材料的熱塑性變形形成焊點。
上述兩種方式的焊接受接合面積限制，結(jié)合強度有限，僅限于薄板件的焊接，而且 常規(guī)情況下還會因攪拌針拔出后留下匙孔，影響美觀。更為重要的是，它們對于異種金屬的 焊接難度很大，這是因為異種金屬焊接時易出現(xiàn)脆性的金屬間化合物。
另外，還有一種用作修復(fù)工藝的FSW方法攪拌摩擦塞焊，即先在工件上需要修復(fù) 的地方打孔，用修復(fù)料做成可消耗式攪拌針，攪拌針旋轉(zhuǎn)插入時變軟斷在孔中實現(xiàn)補焊。攪 拌摩擦塞焊受工作方式限制，攪拌針的長度和尺寸變化有限，不適于進行零件的連接。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法，該連接方法 結(jié)合強度高；接合處隱蔽，不影響裝備、美觀；而且密封性好，可有效防止氣體與液體的滲 漏?？捎糜谶B接后需要裝配、對外表美觀、或?qū)怏w/液體密封性要求高的零件連接。
本發(fā)明提供了一種具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法，該方法的具體過程 為先在被連接金屬件上開螺紋孔，再用螺釘擰入螺紋孔進行緊固，然后對緊固好的螺釘沿緊固方向進行摩擦焊接，通過劇烈的摩擦生熱和塑性變形，使螺釘進一步緊固，并在螺釘尾部和被連接金屬件之間形成具有幾毫米深的焊接層。本發(fā)明提供的具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法，所述金屬件為金屬材料鋁、鎂、銅、鋅、鈦、鋼中的至少一種。本發(fā)明提供的具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法，所述螺釘?shù)牟馁|(zhì)與被焊件相同，或者為性能更好的異種金屬材料。本發(fā)明提供的具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法，所述摩擦焊接技術(shù)為無針式攪拌摩擦焊；所述無針式攪拌摩擦焊的焊接工具僅有軸肩而沒有攪拌針。本發(fā)明方法中，首先根據(jù)傳遞載荷的大小，選取螺釘?shù)牟馁|(zhì)與尺寸，然后用無針式攪拌摩擦焊進行緊固、焊接，并根據(jù)工件材質(zhì)選取合適的工藝參數(shù)。工具轉(zhuǎn)速400-4000轉(zhuǎn)/分鐘，壓下速度10-100暈米/分鐘，壓下量O. 1-2暈米，保壓時間1-20秒鐘。與傳統(tǒng)螺紋連接相比，本發(fā)明工藝的結(jié)合強度更高，具有密封性，而且外表美觀，不影響零件之間的裝配。與攪拌摩擦點焊相比，由于引入同質(zhì)/異質(zhì)螺釘，結(jié)合強度極大提高。因此，有理由相信這種新的連接工藝將有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。


圖1為攪拌摩擦焊原理與過程示意圖；圖2為本發(fā)明連接示意圖，其中，1、2為待焊金屬件，3為螺釘，4為焊接區(qū)域。
具體實施例方式下面的實施例將對本發(fā)明予以進一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。實施例1用該方法連接10毫米厚的兩塊6061鋁合金板材。先用同材質(zhì)的MlO螺釘緊固，然后在轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘、壓下量O. 5毫米、壓下速度10毫米/分鐘、保壓時間6秒鐘的條件下進行無攪拌針的摩擦焊接緊固。在攪拌工具造成的強塑性變形和摩擦熱作用下，螺釘進一步緊固，并在螺釘尾部和被焊件形成具有一定深度的焊接層，銑去焊點表層飛邊后，無縫隙存在。打水壓沒有出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，說明實現(xiàn)密封焊接。實施例2用該方法連接15毫米厚的兩塊AZ91D鎂合金鑄板。先用鋁材質(zhì)的M12螺釘緊固，然后在轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分鐘、壓下量O. 5毫米、壓下速度10毫米/分鐘、保壓時間8進行攪拌摩擦焊接緊固。銑去焊點表層飛邊后，無縫隙存在，實現(xiàn)密封焊接。比較例I用該方法連接10毫米厚的兩塊6061鋁合金板材。先用同材質(zhì)的MlO螺釘緊固，然后在轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分鐘、壓下量O. 5毫米、保壓時間6秒鐘的條件下進行無攪拌針的摩擦焊接緊固。銑去焊點表層飛邊后，可觀察到縫隙存在，表明未能實現(xiàn)密封焊接。原因是工具轉(zhuǎn)速過低，產(chǎn)生的摩擦熱不足，塑性變形不充分，未能實現(xiàn)緊密焊接。比較例2用該方法連接10毫米厚的兩塊6061鋁合金板材。先用同材質(zhì)的MlO螺釘緊固，然后在轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘、壓下量O. 5毫米、保壓時間2秒鐘的條件下進行無攪拌針的摩擦焊接緊固。銑去焊點表層飛邊后，可觀察到縫隙存在，表明未能實現(xiàn)密封焊接。原因是保 壓時間過短，產(chǎn)生的摩擦熱不足，塑性變形不充分，未能實現(xiàn)緊密焊接。
比較例3
用螺釘連接10毫米厚的兩塊6061鋁合金板材，用同材質(zhì)的MlO螺釘緊固。當(dāng)螺 釘尾部露在外面時，無法進行后續(xù)裝備配合。
比較例4
用螺釘連接10毫米厚的兩塊6061鋁合金板材，用同材質(zhì)的MlO螺釘緊固。當(dāng)螺 釘尾部沉入板面時，打水壓實驗中出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。
比較例5
用該方法連接15毫米厚的兩塊AZ91D鎂合金鑄板。先用鋁材質(zhì)的M12螺釘緊固， 然后在轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分鐘、壓下量O. 5毫米、保壓時間5秒鐘下進行無攪拌針的摩擦焊接 緊固。銑去焊點表層飛邊后，可觀察到縫隙存在，表明未能實現(xiàn)密封焊接。原因是摩擦熱不 足、塑性變形不充分，未能實現(xiàn)緊密焊接。
權(quán)利要求
1.一種具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法，其特征在于該方法的具體過程為先在被連接金屬件上開螺紋孔，再用螺釘擰入螺紋孔進行緊固，然后對緊固好的螺釘沿緊固方向進行摩擦焊接，通過劇烈的摩擦生熱和塑性變形，使螺釘進一步緊固，并在螺釘尾部和被連接金屬件之間形成焊接層。
2.按照權(quán)利要求1所述具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法，其特征在于所述金屬件為金屬材料鋁、鎂、銅、鋅、鈦、鋼中的至少一種。
3.按照權(quán)利要求1所述具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法，其特征在于所述螺釘?shù)牟馁|(zhì)與被連接金屬件相同，或者為性能更好的異種金屬材料。
4.按照權(quán)利要求1所述具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法，其特征在于所述摩擦焊接方法為無針式攪拌摩擦焊。
5.按照權(quán)利要求4所述具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法，其特征在于所述無針式攪拌摩擦焊的焊接工具僅有軸肩而沒有攪拌針。
6.按照權(quán)利要求1或4所述具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法，其特征在于所述焊接工藝參數(shù)為工具轉(zhuǎn)速400-4000轉(zhuǎn)/分鐘，壓下速度10-100毫米/分鐘，壓下量O.1-2暈米，保壓時間1-20秒鐘。
7.按照權(quán)利要求1所述具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法，其特征在于所述焊接層的厚度為幾毫米深。
全文摘要
一種具有密封效應(yīng)的嵌入式金屬材料連接方法，在鋁、鎂、銅、鋅、鈦、鋼等被連接金屬件上開螺紋孔；將螺釘擰入螺紋孔緊固；用無針式攪拌摩擦焊(焊接工具僅有軸肩而沒有攪拌針)對螺釘進行沿擰緊方向的旋轉(zhuǎn)、壓緊，通過劇烈的摩擦生熱和塑性變形，使螺釘進一步緊固，并在螺釘尾部和被連接金屬件之間形成具有幾毫米深的焊接層。該連接方法結(jié)合強度高；接合處隱蔽，不影響裝配、美觀；而且密封性好，可有效防止氣體與液體的滲漏。
文檔編號B23K20/12GK102990221SQ20121051413
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者倪丁瑞, 馬宗義 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所