專利名稱：一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接領(lǐng)域，涉及一種縫焊與復(fù)合板制備的方法，尤其是涉及一種嵌入 式攪拌摩擦縫焊方法。
背景技術(shù)：
鋁與異種高強(qiáng)金屬的焊接(如Fe，Cu，Ti，不銹鋼等)因彼此冶金相容性差(極易 形成脆性金屬間化合物)是一項(xiàng)已存在多年的技術(shù)難題。特別在運(yùn)輸機(jī)械及雙金屬復(fù)合板 等行業(yè)，這種異種金屬間的焊接極為普遍。例如，在以汽車、輕軌電車為代表的運(yùn)輸設(shè)備制 造行業(yè)，為節(jié)約燃油、減少排放，密度輕的鋁材正被逐漸引入來代替鋼材。另一方面，在Al/ Steel雙金屬復(fù)合板的制備領(lǐng)域(常用野外爆炸焊、真空熱軋焊)，低能耗、安全性高、清潔 綠色的低成本制備方法也是人們所期盼的。因此，鋁/鋼接頭的可靠焊接是一必然要遇到 的工藝難題。然而，眾所周知，鋁/鋼接頭無法用傳統(tǒng)的電弧焊工藝施焊，其原因有二 一是 在組織方面，電弧焊工藝會(huì)引起脆性金屬間化合物的出現(xiàn)而使接頭脆化；二是在可達(dá)性、效 率及成形方面，電弧焊也不適宜于薄板間的大面積搭接接頭。另一方面，傳統(tǒng)的電阻縫焊也 因在界面形成液相而導(dǎo)致出現(xiàn)脆性金屬間化合物。因此，多年來，可避免母材熔化的釬焊、 摩擦焊一直是鋁/鋼焊接研究的熱點(diǎn)。在釬焊方面，傳統(tǒng)爐中釬焊存在以下明顯缺點(diǎn)(1)因加熱/冷卻速率緩慢，不僅 使生產(chǎn)效率低，而且使金屬間化合物過度增厚，接頭脆化。(2)需保護(hù)氣體或真空環(huán)境，增大 了生產(chǎn)成本或設(shè)備投資。(3)當(dāng)使用釬劑(氯化物)去膜時(shí)，焊后必須及時(shí)清洗釬劑以防止 釬劑腐蝕鋁材。近年來，法國(guó)、德國(guó)、日本(尤其是法國(guó))均在開發(fā)面向鋁/鋼接頭的激光 釬焊技術(shù)，但激光釬焊技術(shù)存在設(shè)備貴、鋁材對(duì)激光吸收率低、能量利用效率低、潤(rùn)濕性差、 需要?dú)鍤獗Ｗo(hù)等問題?；诟邷匦巫兘饘僭俳Y(jié)晶的變形式固相焊通常具有免用焊材、免用保護(hù)氣、效率 高等優(yōu)勢(shì)。在固相焊接方面，攪拌摩擦焊(FSW :frictionstir welding)雖然有報(bào)道用于鋁 合金車圈、輕軌電車車廂、鋁制容器的制造，但當(dāng)母材之一為較硬的鋼材時(shí)，因鋼材與攪拌針 的直接接觸摩擦使攪拌針的磨損極為強(qiáng)烈，導(dǎo)致工具的使用壽命顯著縮短，焊接難以為繼。為避免針的磨損，雖然可以采用無針攪拌頭，但由此而產(chǎn)生的新的矛盾是針的取 消將導(dǎo)致兩種母材界面間的機(jī)械攪拌混合效果喪失掉。為此，申請(qǐng)者提出了“異種金屬嵌入 式攪拌摩擦縫焊”方法，其最為關(guān)鍵的技術(shù)要點(diǎn)在于預(yù)先在較硬母材上加工燕尾槽；其后， 采用“無針式”柱狀工具；活用攪拌頭產(chǎn)生的摩擦熱與鍛壓力，使上板溫度上升、屈服強(qiáng)度急 劇降低而發(fā)生軟化，同時(shí)在工具的下壓過程中，將高溫、塑化的上板材料嵌入硬板上預(yù)先加 工好的燕尾槽內(nèi)，以此實(shí)現(xiàn)上下兩板間的機(jī)械“咬合”，從而在無針的磨損的情況下，實(shí)現(xiàn)上 下兩板間的牢固連接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法，尤為適于鋁(鎂)與高熔點(diǎn)、較硬的
3異種金屬材料(如碳鋼、不銹鋼、銅、鈦等)的搭接連接。本發(fā)明的目的是主要是為了解決 異種金屬(如Al/steel、Al/stainless steel等)在傳統(tǒng)攪拌摩擦焊中存在的兩項(xiàng)技術(shù) 難題一是當(dāng)?shù)诙覆臑檩^硬(如鋼材)時(shí)，如何避免鋼材對(duì)攪拌工具“針”部的劇烈磨損。 為此，提出采用無針工具的技術(shù)方案；同時(shí)，限制攪拌頭的壓入深度約在0. Imm 2mm之間 (視板厚而定)，并全在較軟第一母材1之內(nèi)，無須穿透焊接界面。這樣，避免了摩擦工具端 部與鋼材的直接接觸，從而避免了鋼材對(duì)攪拌工具的劇烈磨損。二是當(dāng)采用無針工具的情 況時(shí)，隨之而來的問題是上下板材間的機(jī)械混合效果因針的取消而喪失掉。為此，為可靠地 實(shí)現(xiàn)上下板材界面間的相互混合或咬合，提出在第二母材上預(yù)先加工燕尾槽(可利用電火 花切割或銑床加工)的技術(shù)方案，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能使接頭承受較大的拉剪載荷。基于上述 技術(shù)方案，便可活用攪拌頭的摩擦熱與鍛壓力將上板擠入下板，在免除工具磨損情況下，可 成功實(shí)現(xiàn)焊接或包覆工藝；同時(shí)，消除了焊道表面的匙孔。綜上所述，本發(fā)明提出的“嵌入式攪拌摩擦縫焊方法”通過在“攪拌工具設(shè)計(jì)”、“壓 入深度”、“第二母材2預(yù)加工”三個(gè)方面采用新的技術(shù)方案，并活用申請(qǐng)者前期研究與知 識(shí)積累，即肩的鍛壓效應(yīng)與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的強(qiáng)化(相關(guān)論文分別發(fā)表于英國(guó)期刊kience and Technologyof Welding and Joining與中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)英文版)來綜合解決工具磨損、 界面混合、表面成形(光滑且無匙孔)、強(qiáng)化高溫軟化金屬的流動(dòng)嵌入等問題，并獲得優(yōu)質(zhì)、 節(jié)能、美觀的嵌入式接頭?；谏鲜龇治雠c技術(shù)方案，本發(fā)明確立了嵌入式攪拌摩擦縫焊方法。其工序?yàn)槭紫?，在較硬的第二母材2上預(yù)先加工燕尾槽4，燕尾槽有45°和60°兩種；然 后，按搭接形式組裝，要求將鋁板置于較硬的第二母材2內(nèi)燕尾槽的上方；使用無針工具并 傾斜安裝(0. 5° 3° )；啟動(dòng)無針式攪拌頭3旋轉(zhuǎn)并使之與較軟第一母材1 (如Al、Mg) 表面接觸；限制攪拌頭的壓入深度約在0. Imm 2mm之內(nèi)，無須穿透焊接界面；摩擦數(shù)秒后 將鋁板預(yù)熱，然后隨攪拌頭攪拌前進(jìn)，將高溫軟化鋁嵌入較硬下板的燕尾槽4內(nèi)，即方便地 完成異種金屬的焊接或包覆。當(dāng)然，該技術(shù)也可用于同種金屬的縫焊。本發(fā)明提出的嵌入式攪拌摩擦焊縫焊用于軟/硬異種材料間的縫焊時(shí)，主要具有 以下顯著優(yōu)點(diǎn)(1)首先，在工具免磨損(采用無針工具)的情況下也能實(shí)現(xiàn)母材間的良好結(jié)合 (利用預(yù)加工的燕尾槽、肩的旋壓效果、上板的塑性流變實(shí)現(xiàn)板間嵌合)。(2)接頭組織方面由于焊接過程為固相焊，無金屬熔化，避免了界面處金屬間化 合物過厚。(3)接頭性能調(diào)控方面手段多樣靈活?？烧{(diào)節(jié)的方面有摩擦參數(shù)；所開槽的參 數(shù)(包括燕尾槽夾角、槽寬、槽深)等。(4)極為顯著的節(jié)能與環(huán)保優(yōu)勢(shì)攪拌摩擦焊與電阻焊相比，不需要大量的電流 和復(fù)雜的設(shè)備，具有明顯的節(jié)能與低成本優(yōu)勢(shì)。與其他焊接方法相比，不需要焊絲和保護(hù)氣 體，允許有薄的氧化膜，焊前對(duì)表面處理的要求不高。(5)操作方便簡(jiǎn)單，易于管理。


圖1本發(fā)明嵌入式攪拌摩擦縫焊焊縫外觀；
圖2本發(fā)明不同傾角焊縫嵌滿情況；圖3本發(fā)明嵌入式攪拌摩擦縫焊焊縫拉剪試樣原始外觀與燕尾槽橫截面嵌合實(shí) 貌；圖4本發(fā)明所得接頭在拉剪測(cè)試后斷口宏觀形貌與位移-載荷曲線；圖5本發(fā)明不同燕尾槽傾角在不同焊速下的最大拉伸力的比較；圖6本發(fā)明雙縫燕尾槽的裝配圖；圖7本發(fā)明雙縫燕尾槽試樣拉伸測(cè)試后斷裂于鋁母材的外觀；圖8本發(fā)明雙縫燕尾槽和單縫燕尾槽在不同燕尾傾角下的最大拉伸力的比較；具體實(shí)施方法下舉一例(以較為經(jīng)濟(jì)的鋁板與鋼板為例)說明如何具體實(shí)施嵌入式攪拌摩擦縫 焊，并介紹所焊接頭性能的測(cè)試結(jié)果，以證明本發(fā)明的實(shí)用性與創(chuàng)新性。選用鋁板厚度為3mm的市售純鋁板作為第一母材1 ；厚度為4mm的低碳鋼板為第 二母材2 (實(shí)測(cè)厚3. 84mm)。焊前預(yù)先在鋼板上用電火花加工燕尾槽4，燕尾槽夾角取45° 和60°兩種，上槽口寬均為4mm，槽深均為2mm。采用搭接方式組裝，并將屈服強(qiáng)度低的鋁板置于上側(cè)，將屈服強(qiáng)度高的鋼板置于 下側(cè)。采用普通銑床或鉆床施焊。攪拌頭設(shè)計(jì)制作、安裝與下壓采用無針柱狀攪拌頭，肩部直徑為20mm ；安裝傾角 為3° ；壓入深度為0.5mm。所用焊接規(guī)范轉(zhuǎn)速1500rpm，焊接速度23. 5mm/min。焊后采用拉剪測(cè)試評(píng)價(jià)接頭性能。在前述可行性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，申請(qǐng)者為了提高效率，又做了焊速為75mm/min和 150mm/min的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)高焊速是完全可行的。最后，為擴(kuò)大本發(fā)明的應(yīng)用范圍(如制備包覆式雙金屬復(fù)合板)，或進(jìn)一步提高接 頭的強(qiáng)度，申請(qǐng)者想到了由單燕尾槽改為雙燕尾槽或多燕尾槽的工藝。實(shí)驗(yàn)證實(shí)其實(shí)用性 更強(qiáng)。施焊結(jié)果圖1 (a)、(b)分別為45°和60°的焊縫外觀。從圖1可知焊縫正面飛邊很少，無 傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接頭中存在的深匙孔。圖2是用電鏡放大后燕尾槽4的嵌滿情況(33X)。由圖可知60°的(b)要比45° 的(a)嵌滿的理想。圖3為拉伸樣的外觀與燕尾槽橫截面嵌合實(shí)貌。圖4所示拉剪測(cè)試后斷口宏觀形貌與位移-載荷曲線更能清楚地表征出不同夾角 燕尾槽的承載情況。圖4中(a)、(c)是拉伸斷裂后的外觀；(b)、(d)拉伸的位移-載荷曲 線。首先，拉剪測(cè)試完后，對(duì)于任一傾角，兩種母材(包括較硬的鋼材)均發(fā)生了明顯的彎 曲變形，這表明接頭強(qiáng)度已足夠高，足以承受相應(yīng)變形。其次，對(duì)于60°夾角燕尾槽所得接 頭，無論母材彎曲變形程度還是最大開裂載荷均大于45°夾角燕尾槽接頭。下表1為拉剪測(cè)試數(shù)據(jù)。表1不同燕尾槽在23. 5mm/min焊速下獲得接頭的最大承載力試樣標(biāo)號(hào)45°-145°-260°-160°-2原始寬度Anm25.8027.0026.7026.38原始最大載荷/KN1.5482.0182.5862.555折合寬度Anm25252525折合最大載荷/KN1.5001.8692.4212.421最大載荷均值/KN1.68452.421由表1可知，60°的燕尾槽的最大拉力高于45°燕尾槽的最大拉力。接頭所能承 受的最大拉力取決于一個(gè)燕尾槽棱角的應(yīng)力集中程度與另一個(gè)燕尾槽斜面摩擦力大小的 綜合作用結(jié)果。應(yīng)力集中程度與夾角大小有關(guān)；而摩擦力又與密合面的長(zhǎng)度及結(jié)合緊密狀 況有關(guān)。45°的燕尾槽棱角處產(chǎn)生的應(yīng)力集中應(yīng)較大，但尚未形成危害。在同等的壓力條 件下60°燕尾槽斜面更有利于鋁的塑性流動(dòng)，所以嵌入的鋁量要比45°的理想，燕尾槽斜 面內(nèi)的密合面長(zhǎng)度較長(zhǎng)，脫開(拔出)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力便變大，所以60°燕尾槽接頭最大開 裂載荷較大。圖5為不同夾角的燕尾槽在不同的焊速下，最大拉伸力的比較結(jié)果。由圖5(a)可 知，45°的最大開裂載荷值(Fm)隨著焊速的升高而升高，焊速對(duì)60°的FM值影響不大。所 以為了提高生產(chǎn)效率，采用高的焊速是可行的。圖 7(a)、(b)、(c)分別是焊速為 23. 5mm/min, 75mm/min, 150mm/min 的 45° 雙燕 尾槽拉伸斷裂后的外觀；(d)、(e)、(f)分別是焊速為23. 5mm/min,75mm/min, 150mm/min的 60°雙燕尾槽拉伸斷裂后的外觀。圖8(a)、(b)顯示的是45°與60°單縫燕尾槽和雙縫燕尾槽的最大拉伸力的比 較；由圖可知，雙縫燕尾槽的最大拉伸力要比單縫燕尾槽的最大拉伸力高出一倍，出現(xiàn)了上 板母材被拉斷的情況(而非單槽情況下的拔出模式)。雙縫燕尾槽設(shè)計(jì)的可行性得到了證 明，擁有更強(qiáng)的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法，其特征在于首先，在較硬的第二母材(2)上預(yù)加工 一條或多條燕尾槽；對(duì)第一母材(1)與第二母材(2)的焊接面進(jìn)行潔凈化預(yù)處理；按搭接 形式將較軟的第一母材(1)置于較硬的第二母材(2)上方；使用無針工具并傾斜安裝、傾 斜安裝角度為0. 5 3° ；啟動(dòng)無針式攪拌頭(3)旋轉(zhuǎn)并使無針式攪拌頭(3)與第一母材 (1)的表面相接觸；保持?jǐn)嚢桀^的壓入深度在0. Imm 2mm之間，并小于第一母材(1)的厚 度；利用無針式攪拌頭(3)產(chǎn)生的摩擦熱與鍛壓力將第一母材旋擠入第二母材(2)的燕尾 槽(4)內(nèi)，完成嵌入式攪拌摩擦縫焊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法，其特征在于，第二母材(2)上預(yù) 加工多條燕尾槽；工具為無針工具。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法，其特征在于，小尺寸式樣無需 傾斜工具；原位摩擦加壓將上板嵌入下板燕尾槽內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法，其特征在于，在燕尾槽的上表 面預(yù)覆釬料以強(qiáng)化焊縫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法，其特征在于，所述第一母材(1) 是低屈服強(qiáng)度板或防腐蝕板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法，其特征在于，所述第一母材(1) 是鋁板、鎂板、銅板或鈦板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法，其特征在于，在燕尾槽的始端 與末端用電弧焊點(diǎn)焊熔化第二母材(2)，封堵燕尾槽始端與末端的空隙，以防被嵌入的第一 母材(1)沿燕尾槽的縱向方向發(fā)生竄動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法，其特征在于，使用直徑小于槽 寬的帶針攪拌頭。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法，其特征在于，所述潔凈化預(yù)處 理酸洗、打磨或噴砂。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種異種金屬嵌入式攪拌摩擦縫焊方法，尤為適用于鋁或鎂與較硬金屬材料的大面積搭接連接。其工序?yàn)槭紫仍谳^硬的第二母材上加工一個(gè)或多個(gè)燕尾槽；然后按搭接形式組裝，要求將鋁板置于較硬第二母材燕尾槽的上側(cè)；使用無針攪拌頭并傾斜安裝；啟動(dòng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)并使之與鋁板上表面接觸限制攪拌頭的壓入深度約為0.1mm～2mm之間，無需穿透焊接界面；經(jīng)在起始端摩擦預(yù)熱數(shù)秒后，移動(dòng)旋轉(zhuǎn)著的攪拌頭或工作臺(tái)，即可將鋁板旋擠入下板的槽內(nèi)，完成焊接或包覆。該技術(shù)與電阻縫焊相比，具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)；與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊相比，具有無匙孔、可避免較硬母材對(duì)針的磨損等優(yōu)點(diǎn)。該方法既能用于焊接，又能用于制備雙金屬復(fù)合板。
文檔編號(hào)B23K20/24GK102120287SQ20101059177
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者張凱, 張建勛, 張貴鋒, 蘇偉, 趙繼鵬 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)