一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接方法，本發(fā)明包括固相焊接工藝及焊接工具，其特征在于，焊接工具采用了雙動(dòng)控制的攪拌針和軸肩分離式工具，所述攪拌針軸向運(yùn)動(dòng)采用恒壓力控制；所述軸肩采用位移控制。所述攪拌針端部與母材具有大面積接觸摩擦特征，所述軸肩端面設(shè)計(jì)三漸開線凹槽使材料具有內(nèi)聚趨勢(shì)；所述的鋁材與高熔點(diǎn)金屬固相焊接工藝，通過采用上述焊接工具配合合適的焊接參數(shù)對(duì)界面金屬間化合物層進(jìn)行控制，進(jìn)行無傾角攪拌摩擦焊連接。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)鋁及鋁材與高熔點(diǎn)金屬的高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性連接，解決了異種金屬焊接界面金屬間化合物控制難題。
【專利說明】一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接方法及裝置
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于焊接領(lǐng)域，具體涉及一種固相焊接技術(shù)，尤其涉及一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬或鋁基復(fù)合材料搭接固相焊接方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]在工業(yè)領(lǐng)域，異種金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)由于集成了兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)而獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，特別是鋁及鋁材與其它高熔點(diǎn)金屬如碳鋼、不銹鋼、鈦合金、銅合金等。鋁及鋁材具有輕質(zhì)、高導(dǎo)熱性、高導(dǎo)電性等特點(diǎn)，而高熔點(diǎn)金屬具有高強(qiáng)度、塑韌性好等特點(diǎn)，它們組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以有效減重或是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化。如汽車領(lǐng)域鋁材板材與鍍鋅鋼材的復(fù)合連接結(jié)構(gòu)、醫(yī)療器械領(lǐng)域鋁材與不銹鋼的連接、熱控領(lǐng)域鋁材與銅合金的連接、電子領(lǐng)域鋁材與鋁基復(fù)合材料的連接等。
[0004]采用傳統(tǒng)的焊接方法，如熔化焊、熔釬焊等連接鋁合金與異種金屬或金屬基復(fù)合材料面臨了巨大挑戰(zhàn)。其根本原因在于，鋁與上述材料將形成脆性的金屬間化合物，金屬間化合物界面層的控制成為焊接技術(shù)難題。因而，對(duì)于上述異種材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)而言，傳統(tǒng)的焊接手段難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量與高穩(wěn)定性的連接。
[0005]目前，攪拌摩擦焊是一種固相連接方法，其主要的連接機(jī)制是通過攪拌工具的旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)熱，使材料進(jìn)入塑性狀態(tài)，再通過工具的攪拌與局部鍛造、被連接材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成致密的焊縫。這種 連接方式材料不發(fā)生熔化，從而避免了很多冶金缺陷的產(chǎn)生，非常適合于鋁及鋁合金、鎂合金、銅及銅合金等材料的焊接。同樣，由于被焊材料并不熔化，可以有效避免異種材料焊接時(shí)形成過厚的界面金屬間化合物導(dǎo)致的接頭脆性但是，在鋁材與高熔點(diǎn)材料的攪拌摩擦焊過程中，仍有尚需解決的幾個(gè)問題:
一是焊接工具的位置控制問題:由于一般情況下焊接工具采用工具鋼，如果直接插入高熔點(diǎn)金屬進(jìn)行攪拌焊接，焊接工具將會(huì)很快磨損，并且由于焊接工具與高熔點(diǎn)金屬的劇烈摩擦，將會(huì)產(chǎn)生局部高溫，導(dǎo)致附近的鋁材熔化，與鋼進(jìn)行冶金反應(yīng)形成脆性的金屬間化合物。因此，如何控制焊接工具的位置，讓其與高熔點(diǎn)金屬產(chǎn)生緊密接觸、適度摩擦，而不會(huì)出現(xiàn)過摩擦或摩擦不足，這是焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵。
[0006]二是焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性與可靠性問題:由于鋁合金與高熔點(diǎn)金屬的連接質(zhì)量主要取決于兩者之間的界面，當(dāng)焊接工具緊貼高熔點(diǎn)金屬表面適度摩擦，去除表面氧化膜的同時(shí)，還需提供適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)溫度、適當(dāng)?shù)捻斿懥ΓＷC連接界面反應(yīng)的有效性和適度性。所謂有效性，是指界面反應(yīng)需要達(dá)到一定程度才能形成良好連接，所謂適度，即界面反應(yīng)不能過度，否則過厚的金屬間化合物將損害接頭力學(xué)性能。因此，接頭界面溫度、焊接頂鍛力的控制也是焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵，如果通過提高旋轉(zhuǎn)速度或降低焊接速度來增加焊接熱輸入，提高界面反應(yīng)所需溫度，此時(shí)鋁合金板位于搭接接頭上部，主要的熱量由軸肩產(chǎn)生，上部鋁合金將會(huì)明顯過熱，過熱的軟化狀態(tài)鋁合金不能有效地將軸肩的頂鍛力傳遞到搭接界面，從而也難以獲得良好的界面連接質(zhì)量。因此，需要解決界面局部高溫而同時(shí)避免接頭整體過熱的矛盾。
[0007]三是界面材料的有效傳質(zhì)問題:一方面是指搭接界面氧化膜的破除、彌散，另一方面是指材料的有效流動(dòng)帶來的摩擦熱會(huì)給界面反應(yīng)提供足夠的溫度。傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊工具，攪拌針端部為圓錐狀，在與搭接接頭下板高熔點(diǎn)的接觸時(shí)，面積較小，一般可簡(jiǎn)化為點(diǎn)接觸。另外攪拌工具由軸肩往下，與母材的接觸面積是逐漸減小的。因而傳統(tǒng)攪拌摩擦焊過程，工件表面溫度最高，材料流動(dòng)最劇烈，由表面往下則傳質(zhì)越困難、溫度越低。對(duì)于鋁合金與高熔點(diǎn)金屬的搭接接頭，其所需要的最好狀態(tài)是在界面具有最佳的材料流動(dòng)與足夠的溫度，這樣有助于獲得良好的界面連接效果。
[0008]上述問題的存在，使得攪拌摩擦焊焊接鋁材與高熔點(diǎn)金屬具有特殊性，必須采用新型的焊接方法與焊接工具，才能保證這種異種金屬材料的高質(zhì)量、高穩(wěn)定性焊接。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接方法及裝置。
[0011]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接方法，包括鋁材與高熔點(diǎn)金屬及焊接工具，所述焊接工具主要包括攪拌針和軸肩，所述攪拌針的軸向運(yùn)動(dòng)采用恒壓力控制，所述攪拌針在恒定的軸向頂鍛力作用下緊貼高熔點(diǎn)金屬的搭接界面摩擦；所述軸肩采用位移控制，可根據(jù)被焊工件平整情況及焊接質(zhì)量調(diào)節(jié)軸肩下壓量。這種控制方式可以根據(jù)工件的裝配實(shí)際情況和焊接情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證焊接區(qū)域材料能夠獲得軸肩的緊密壓實(shí)。攪拌針則采用恒壓力控制方式，即不限定攪拌針的軸向位移，可以根據(jù)高熔點(diǎn)金屬實(shí)際的表面凹凸情況、攪拌針的磨損情況進(jìn)行小范圍位移移動(dòng)。但是給攪拌針施加恒定的頂鍛力，這個(gè)頂鍛力保證攪拌針時(shí)刻緊貼高熔點(diǎn)金屬進(jìn)行摩擦。摩擦的程度可以通過改變頂鍛力的大小來進(jìn)行調(diào)整。
[0012]一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接方法及裝置，其另一個(gè)顯著特征是攪拌針端部采用了大接觸面積設(shè)計(jì)，典型的是端部為分叉三棱柱或雙棱柱形狀，端部中心是內(nèi)凹形狀，可容納一定體積的鋁合金材料。這種設(shè)計(jì)方式一方面可以增加界面附近的攪拌工具與母材的接觸面積，獲得界面反應(yīng)所需的足夠溫度的同時(shí)，而不會(huì)造成鋁合金材料全面過熱；另一方面，材料在界面處將獲得足夠的攪拌作用而得到充分流動(dòng)，鋁合金與高熔點(diǎn)金屬搭接界面的氧化膜將會(huì)有效彌散到接頭內(nèi)部。
[0013]一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接方法，采用了無傾角焊接方式。采用無傾角焊接手段，材料的內(nèi)聚和壓實(shí)通過在軸肩端部設(shè)計(jì)漸開線凹槽(6)來實(shí)現(xiàn)，軸肩旋轉(zhuǎn)時(shí)，材料由凹槽(6)導(dǎo)向內(nèi)聚，再經(jīng)由攪拌針的螺紋槽向下流動(dòng)，對(duì)材料形成頂鍛。這樣可以有效避免飛邊的產(chǎn)生，焊縫表面無需明顯下凹即可獲得致密的焊縫。無傾角焊接的另一個(gè)關(guān)鍵的考慮是攪拌針(I)端部為分叉的雙棱柱或三棱柱形狀，如果采用傾角焊接，連接界面上任何時(shí)候都僅有一處位置與攪拌針端部接觸摩擦；若采用無傾角焊接，搭接界面將具有兩處以上的位置與攪拌針進(jìn)行摩擦，并且這種摩擦前后可重疊，這大大增加了搭接界面氧化膜破除的可靠性和完整性。此外，由于前后摩擦相距有一段距離，這也為界面反應(yīng)提供了更多的時(shí)間。
[0014]本發(fā)明為解決鋁及鋁合金與其它高熔點(diǎn)金屬，如碳鋼、不銹鋼、銅合金、鈦合金等材料焊接時(shí)的焊接質(zhì)量控制問題，采取的技術(shù)方案為:一種雙動(dòng)控制攪拌摩擦焊工具配合無傾角焊接工藝，進(jìn)行異種材料的高質(zhì)量與高穩(wěn)定性焊接，綜上，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明存在以下技術(shù)效果:
(1)采用攪拌針與軸肩分離設(shè)計(jì)的雙動(dòng)控制，結(jié)合恒壓力控制與位移控制來保證對(duì)連接界面的適度摩擦，克服傳統(tǒng)攪拌摩擦焊連接界面摩擦與軸肩摩擦不可分離控制的困難；
(2)采用了中空分叉式攪拌針形狀的工具，提高了對(duì)連接界面及附近母材的摩擦面積，為界面反應(yīng)提供足夠溫度；
(3)采用了無傾角焊接方法，設(shè)計(jì)的軸肩形狀具有材料內(nèi)聚效應(yīng)，可以獲得攪拌工具對(duì)連接界面的面摩擦效果，提高界面連接強(qiáng)度。
[0015]本發(fā)明的關(guān)鍵創(chuàng)新在于采用了分離式雙動(dòng)控制的攪拌摩擦焊工具及相應(yīng)的無傾角焊接工藝，設(shè)置了可位移控制的軸肩、恒壓力控制的攪拌針，并且采用了無傾角焊接手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁及鋁合金與異種金屬(高熔點(diǎn)金屬、金屬基基復(fù)合材料材料等)的連接界面反應(yīng)控制難題，使上述異種金屬的高質(zhì)量、高可靠焊接成為可能，該焊接方法容易實(shí)現(xiàn)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
[0016]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接方法示意圖；
圖中:1為攪拌針，2為軸肩，3為焊縫，4為鋁材；5為高熔點(diǎn)金屬，7和8為接觸摩擦點(diǎn)。
[0018]圖2為本發(fā)明一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接裝置的軸肩端面形狀示意圖； 圖中:2為軸肩，6為漸開線凹槽。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下通過較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行說明，但下述實(shí)施例并不能限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0020]如圖1和圖2所示，一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接方法，包括鋁材(4)與高熔點(diǎn)金屬(5)及焊接工具，所述焊接工具主要包括攪拌針(I)和軸肩(2)，所述攪拌針(I)的軸向運(yùn)動(dòng)采用恒壓力控制，所述攪拌針(I)在恒定的軸向頂鍛力作用下緊貼高熔點(diǎn)金屬
(5)的搭接界面摩擦；所述軸肩(2)采用位移控制，可根據(jù)被焊工件平整情況及焊接質(zhì)量調(diào)節(jié)軸肩下壓量。
[0021] 本實(shí)施例中，所述焊接工具采用軸肩(2 )與攪拌針(I)分離式設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用同一電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，兩者具有相同的旋轉(zhuǎn)速度，典型的選擇速度為100(T3000rpm ；
在軸向運(yùn)動(dòng)上，攪拌針(I)與軸肩(2)采用了不同的控制方式，軸肩(2)采用位移控制方式，即采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸向運(yùn)動(dòng)，來獲得不同的軸肩(2)壓入量。這種控制方式可以根據(jù)工件的裝配實(shí)際情況和焊接情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證焊接區(qū)域材料能夠獲得軸肩(2)的緊密壓實(shí)，典型的軸肩下壓量為0.1~0.2mm ；攪拌針(I)則采用恒壓力控制方式，即不限定攪拌針(I)的軸向位移，可以根據(jù)高熔點(diǎn)金屬(5)實(shí)際的表面凹凸情況、攪拌針(I)的磨損情況進(jìn)行小范圍位移，典型的位移范圍為
0.5?2_，給攪拌針(I)施加恒定的頂鍛力，對(duì)于2?5_鋁合金壁厚，典型的頂鍛力為f2t，這個(gè)頂鍛力保證攪拌針(I)時(shí)刻緊貼高熔點(diǎn)金屬(5)進(jìn)行摩擦，摩擦的程度可以通過改變頂鍛力的大小、焊接速度來進(jìn)行調(diào)整。
[0022]本實(shí)施例中，焊接過程采用無傾角焊接手段，軸肩(2)的摩擦端面由外向內(nèi)分別為平面和內(nèi)凹面，軸肩平面段上采用了具有材料內(nèi)聚功能的漸開線凹槽(6)實(shí)現(xiàn)無傾角焊接，凹槽(6)向外沿軸肩(2)外倒角相接而逐漸變淺消失，向內(nèi)與軸肩(2)內(nèi)凹面相交而逐漸變淺。典型的凹槽深度為0.5mm;攪拌針(I)端部采用了大接觸面積設(shè)計(jì)，典型地，端部形狀為分叉三棱柱或雙棱柱形狀，端部中心具有容納鋁材材料的容置空間；這樣攪拌針(I)在與搭接界面摩擦?xí)r至少具有接觸摩擦點(diǎn)(7 )和摩擦點(diǎn)(8 )，通過攪拌針(I)旋轉(zhuǎn)可由傳統(tǒng)焊接工具的點(diǎn)摩擦變?yōu)榫€摩擦，并且摩擦點(diǎn)(7)和(8)的摩擦效果可實(shí)現(xiàn)疊加，當(dāng)焊接工具移動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)搭接界面的面摩擦。
[0023]以上公開的僅為本申請(qǐng)的典型實(shí)施例，但本申請(qǐng)并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化，都應(yīng)落在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接方法，包括鋁材與高熔點(diǎn)金屬的焊接工藝及焊接工具，其特征在于，焊接工具主要包括攪拌針(I)和軸肩(2)，所述攪拌針(I)的軸向運(yùn)動(dòng)采用恒壓力控制，所述攪拌針(I)在恒定的軸向頂鍛力作用下緊貼高熔點(diǎn)金屬的搭接界面摩擦；所述軸肩(2)采用位移控制，可根據(jù)被焊工件平整情況及焊接質(zhì)量調(diào)節(jié)軸肩下壓量；焊接時(shí)焊接工具垂直與被焊工件表面，傾角為0°。
2.一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接工具，其特征在于:攪拌針(I)端部形狀為分叉三棱柱或雙棱柱形狀，端部中心具有一定容納鋁合金材料的空間；軸肩(2)的摩擦端面由外向內(nèi)分別為平面和內(nèi)凹面，典型地，平面段占軸肩摩擦端面直徑>50%，內(nèi)凹面的內(nèi)凹度為6。~7。。
3.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的焊接工具，其特征在于，軸肩(2)采用了三漸開線凹槽，該凹槽典型深度為0.5^1mm,向外沿軸肩外倒角相接而逐漸變淺消失，向內(nèi)與軸肩內(nèi)凹面相交而逐漸變淺；攪拌針(I)表面具有反向螺旋凹槽，旋轉(zhuǎn)時(shí)將帶到材料向板厚深度方向流動(dòng)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接方法，其特征在于，所述軸肩(2)的軸向運(yùn)動(dòng)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)；所述攪拌針(I)的恒壓力控制通過液壓方式或可壓縮強(qiáng)力彈簧實(shí)現(xiàn)；所述攪拌針(I)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸肩，所述軸肩與攪拌針之間通過可軸向滑動(dòng)的鍵槽連接傳動(dòng)扭矩。
5.如權(quán)利要求1所述的一種鋁材與高熔點(diǎn)金屬搭接固相焊接方法，其特征在于，所述鋁材為搭接接頭上板，所述高熔點(diǎn)金屬為搭接接頭下板；所述高熔點(diǎn)金屬也包括金屬基復(fù)合材料和有金屬涂鍍層的 高熔點(diǎn)金屬，如鋁基復(fù)合材料、銅基復(fù)合材料、鍍鋅鋼板等。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK103846542SQ201210498534
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月29日
【發(fā)明者】封小松, 郭立杰, 張成聰, 徐萌 申請(qǐng)人:上海航天設(shè)備制造總廠