專利名稱：一種立式摩擦螺柱焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種立式摩擦螺柱焊方法。
背景技術(shù)：
螺柱焊是將金屬螺柱或類似的棒狀緊固件焊至大面積的板材或管材工件表面的焊接方法(黃旺福，黃金剛主編.鋁及鋁合金焊接指南[M].長沙湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2004)?，F(xiàn)有螺柱焊工藝為電弧螺柱焊，只能用于同種金屬焊接。目前，螺柱焊技術(shù)主要用于焊接鋼鐵接頭，在鋁合金焊接應(yīng)用方面研究較少。吳旭敏等(吳旭敏，余小華，南一.鋁合金電容放電螺柱焊的研究[J].機(jī)械工程材料，2003，27 (I) :44-46.)研究了用電容放電螺柱焊實(shí)現(xiàn)防銹鋁螺柱和鋁合金板材的焊接；Ramasamy Siva(Ramasamy Siva. Drawn arc aluminum studwelding for automotive applications[J].Aluminum, 2002, 54(8) :44-46.)研究了用拉弧式電弧螺柱焊實(shí)現(xiàn)鋁螺柱的焊接，并已成功地應(yīng)用于汽車制造、建筑、鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)中。不論是電容放電螺柱焊還是拉弧式電弧螺柱焊實(shí)現(xiàn)的都是鋁螺柱和鋁合金板材焊接，是同種材料的螺柱和板材之間的焊接。對(duì)于鋼螺柱和鋁板之間異種金屬的螺柱焊接至今沒有文獻(xiàn)報(bào)道。常見電弧螺柱焊并不適于異種金屬螺柱焊，主要原因在于電弧熔化所產(chǎn)生的液相難以被全部擠出，一旦有液相殘留，則冷凝后必有脆性金屬間化合物形成，致使接頭脆化。以鋁/鋼組合為例，由于鋁和鋼的性能存在較大的差異，焊接時(shí)容易出現(xiàn)以下問題熔點(diǎn)、密度相差大，難用熔化焊直接焊接；鋁材表面氧化膜難破除；焊后接頭容易產(chǎn)生硬而脆的金屬間化合物，惡化接頭強(qiáng)度。從焊接冶金理論上講，摩擦螺柱焊是固相焊接方法，具有抑制金屬間化合物過度增厚的優(yōu)勢(shì)，有望用于異種金屬組合。然而，國內(nèi)外幾乎看不到摩擦螺柱焊工藝報(bào)道，特別是異種金屬摩擦螺柱焊。池強(qiáng)(池強(qiáng)，張建勛，付繼飛.電弧螺柱焊技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2003. 32(6):18-21.)、陳家慶(陳家慶，焦向東，周燦豐，邱宗義，欒國紅.新型材料成形加工技術(shù)——摩擦疊焊[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28 (9) :108-113.)等人在文中提及過摩擦螺柱焊，但均未詳細(xì)論述。具體工藝及工藝要點(diǎn)無從知曉。近年來，在鋁材焊接方法方面，1991年英國焊接研究所(TWI)提出了適合Al材的劃時(shí)代固相焊接方法——攪拌摩擦焊(FSW)。FSff利用旋轉(zhuǎn)攪拌頭與靜止工件之間產(chǎn)生摩擦熱，使材料達(dá)到塑性流動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)待焊界面間的破膜、混合、轉(zhuǎn)移，最后經(jīng)擠壓、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成致密焊縫。在攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)上，日本Mazda汽車公司于1993年發(fā)明了點(diǎn)摩擦焊接(SpotFriction Welding)，德國GKSS研究中心也于1999年發(fā)明了攪拌摩擦點(diǎn)焊(FSSW)。攪拌摩擦點(diǎn)焊基本原理是利用非消耗性攪拌工具的軸肩加熱上板使其軟化，并利用針嵌入下板使下板向上返流而嵌入高溫上板，從而實(shí)現(xiàn)上/下界面間的嵌合與連接，但焊后當(dāng)針拔出時(shí)會(huì)殘留匙孔
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題在于提供一種立式摩擦螺柱焊方法，可解決電弧螺柱焊難以勝任的異種金屬螺柱焊與大直徑螺柱的焊接，也可用于同種金屬螺柱焊。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種立式摩擦螺柱焊方法，包括以下操作I)將高速旋轉(zhuǎn)的螺柱壓入異種或同種板材，以高速旋轉(zhuǎn)的螺柱端面與板材表層間相互摩擦產(chǎn)生的摩擦熱為熱源，壓入深度為O.1 Imm ;2)在螺柱壓入板材后，當(dāng)螺柱四周均形成均勻的飛邊時(shí)，利用材料熱膨脹產(chǎn)生的低幅高溫膨脹壓力，原位摩擦I 5s ;3)停車時(shí)，向板材施加頂鍛力并維持頂鍛力至少到螺柱停止旋轉(zhuǎn)時(shí)為止。所述采用以下方式施加頂鍛力延續(xù)頂鍛，頂鍛壓力在螺柱完全停轉(zhuǎn)后繼續(xù)保持；或者分級(jí)頂鍛，頂鍛壓力在螺柱完全停轉(zhuǎn)后的瞬時(shí)加大頂鍛壓力，并保持。所述在螺柱完全停轉(zhuǎn)后繼續(xù)保持I 10s。所述異種金屬螺柱焊時(shí)，當(dāng)真實(shí)瞬時(shí)摩擦界面逐漸向較弱母材內(nèi)轉(zhuǎn)移而在較弱母材內(nèi)形成二次摩擦界面，施加頂鍛壓力在線重新鍛合二次摩擦界面出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)裂紋。所施加的頂鍛壓力根據(jù)母材的高溫屈服強(qiáng)度與壓入板材的深度選取，兼顧重新鍛合二次摩擦界面處的扭裂裂紋，并避免板材減薄量過大。所述的螺柱、板材為同種材質(zhì)，該材質(zhì)為焊劑保護(hù)電弧螺柱焊難以焊接的活潑金屬。所述的螺柱以700 1500轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速壓入板材。所施加的頂鍛壓力為10 30MPa。所述施加頂鍛力時(shí)，板材沿頂鍛力方向的位移為O.1 1_。所述在螺柱壓入板材前還將螺柱表面、板材表面打磨平整后并用無水乙醇清洗。本發(fā)明提供的立式摩擦螺柱焊方法，分三個(gè)階段摩擦壓入；原位摩擦；頂鍛保壓(延續(xù)頂鍛與分級(jí)頂鍛)；是一種尤為適于異種金屬(能有效抑制金屬間化合物)及大直徑螺柱焊(節(jié)能顯著)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果(I)適于同種活潑金屬間(如A1/A1)的螺柱焊。由于摩擦螺柱焊利于摩擦破除、分散界面氧化膜，故免用保護(hù)氣體與焊劑，因而可用于普通焊劑保護(hù)電弧螺柱焊無法勝任的同種活潑金屬的螺柱焊。例如，鋁類活潑金屬不能用普通焊劑保護(hù)(此時(shí)Si02、MnO等氧化物焊劑不但不能保護(hù)液態(tài)鋁反而會(huì)造成鋁液的氧化)，故電弧螺柱焊不能用于鋁類同種活潑金屬的螺柱焊。但利用摩擦螺柱焊可以進(jìn)行鋁/鋁同種活潑金屬的螺柱焊；而且比電弧螺柱焊的瞬時(shí)功率小。(2)膨脹加壓具有低壓力、低熱輸入的優(yōu)點(diǎn)，故極為有利于控制異種金屬界面金屬間化合物過度增厚。這是由于高溫下(如接近力學(xué)熔點(diǎn))，雖然材料的自由膨脹量大，但屈服強(qiáng)度確大幅降低而易于屈服。這時(shí)，若利用膨脹加壓便可因其屈服強(qiáng)度低而獲得低幅壓力，而低幅壓力又有利于減小界面產(chǎn)熱與熱注入，這樣便有利于抑制界面金屬間化合物過度增厚。反之，若在高溫時(shí)仍外加較大壓力不僅進(jìn)一步增大發(fā)熱量，而且會(huì)引起板材進(jìn)一步減薄。
(3)由于摩擦螺柱焊為固相焊技術(shù)，故尤為適于異種金屬螺柱焊。(4)由于膨脹加壓是一種被動(dòng)加壓，故不會(huì)引起板材過量減薄。(5)對(duì)于異種金屬摩擦螺柱焊易于形成的二次摩擦界面扭轉(zhuǎn)裂紋有有效的補(bǔ)救效果O異種金屬摩擦螺柱焊過程中，真實(shí)瞬時(shí)摩擦界面隨著界面的焊合會(huì)逐步由原始界面向強(qiáng)度較低的母材內(nèi)部轉(zhuǎn)移。停車過程中，由于板材的散熱快于棒材，極易在螺柱完全停轉(zhuǎn)后，二次摩擦界面溫度已大幅降低而不足以激活原子擴(kuò)散，這樣，在低強(qiáng)母材內(nèi)部出現(xiàn)二次摩擦界面扭轉(zhuǎn)裂紋。但是，由于二次摩擦界面扭轉(zhuǎn)裂紋是產(chǎn)生于低強(qiáng)母材內(nèi)部的，故其界面潔凈而無污染，因此，只要壓力合適，可以用延續(xù)頂鍛與分級(jí)頂鍛重新鍛合。而低強(qiáng)母材本身的強(qiáng)度低，也有利于減小鍛合二次摩擦界面扭轉(zhuǎn)裂紋所需的壓力。這樣，本發(fā)明設(shè)想的重新鍛合二次摩擦界面扭轉(zhuǎn)裂紋是容易實(shí)現(xiàn)的。頂鍛力須根據(jù)低強(qiáng)母材的高溫屈服強(qiáng)度與最終壓入深度綜合選取。(6)本發(fā)明提供的立式摩擦螺柱焊方法，設(shè)備與操作簡單可行。當(dāng)采用傳統(tǒng)銑床進(jìn)行摩擦螺柱焊時(shí)，施加頂鍛的方式為手動(dòng)或自動(dòng)升起工作臺(tái)面。對(duì)于難焊接頭，頂鍛可分級(jí)進(jìn)行，即除在停車過程中施加頂鍛外，在停車后旋即施加更大的頂鍛力，以鍛合較弱母材中二次摩擦界面處被扭開后形成的裂紋。(7)本發(fā)明提供的立式摩擦螺柱焊方法，以摩擦熱為熱源，無煙塵與飛濺；免用任何保護(hù)氣體與釬劑，環(huán)保節(jié)能。本發(fā)明提供的立式摩擦螺柱焊方法，對(duì)鋁/鋼摩擦螺柱焊組合，上述頂鍛接頭的斷裂載荷是不采取任何措施而自由停車接頭的2 3倍，原形成于較弱鋁材內(nèi)的二次摩擦面處的裂紋被重新鍛合，拉伸測(cè)試表明，接頭斷裂位置在摩擦面之外的鋁母材內(nèi)，斷裂路徑
理相


圖1為立式摩擦螺柱焊方法的示意圖；圖2為鋁板/鋼螺柱摩擦螺柱焊試樣外觀；其中，a為無頂鍛位移的試樣，b為頂鍛位移為O.1mm的試樣；圖3為鋁板/鋼螺柱摩擦螺柱焊試樣施加頂鍛后拉伸測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖；圖4為鋁板/鋼螺柱摩擦螺柱焊試樣施加頂鍛后焊接接頭界面的低倍BSE照片；其中，a是未施加頂鍛力的接頭界面，有明顯的二次摩擦界面扭轉(zhuǎn)裂紋山是施加頂鍛力的接頭界面。圖5為鋁板/鋼螺柱摩擦螺柱焊試樣施加頂鍛后界面高倍背散射(BSE)照片與能譜(EDS)線掃描結(jié)果，其中，a是未施加頂鍛力的接頭界面，有明顯的二次摩擦界面扭轉(zhuǎn)裂紋；b是施加頂鍛力的接頭界面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。為了解決異種金屬摩擦螺柱焊的焊接，如果借鑒攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝進(jìn)行鋁板/鋼螺柱異種金屬摩擦螺柱焊，即將攪拌摩擦點(diǎn)焊所用的工具換為螺柱焊的鋼螺柱，并取消螺柱拔出工序時(shí)，出現(xiàn)兩大問題一是雖然鋁板能牢固粘附于鋼螺柱端部，但在鋁板母材內(nèi)出現(xiàn)裂紋(隨著界面的不斷焊合，真實(shí)瞬時(shí)摩擦界面逐漸由原始界面向強(qiáng)度較低的弱母材中轉(zhuǎn)移，弱母材中出現(xiàn)了二次摩擦面的扭裂裂紋)，接頭自行開裂，幾乎無強(qiáng)度；二是若為了克服長時(shí)間自由停車過程中界面的降溫而延長加熱時(shí)間時(shí)，則界面處金屬間化合物必過度增厚(鋁/鋼旋轉(zhuǎn)摩擦焊的合適摩擦?xí)r間僅約I秒)。可見，摩擦螺柱焊具有其不同于攪拌摩擦點(diǎn)焊的特殊問題，工藝方面難以直接照搬(主要區(qū)別在于焊接面的受力條件不同)。可見，雖然摩擦螺柱焊(Friction Stud Welding)理應(yīng)是一種利用高速旋轉(zhuǎn)的螺柱端面與板材摩擦產(chǎn)生的熱促使接頭處材料發(fā)生軟化和塑性流動(dòng)，進(jìn)而施壓頂鍛壓力使螺柱嵌入板材中實(shí)現(xiàn)結(jié)合的一種固相焊接技術(shù)。然而，具體應(yīng)用于異種金屬焊接時(shí)，其實(shí)施工藝并非一蹴而就。而且異種金屬螺柱焊的難點(diǎn)有(1)由于板材散熱比棒材散熱快，特別是當(dāng)板材為強(qiáng)度較弱、導(dǎo)熱率高的母材時(shí)(如鋁、銅)，在停車過程中，即使施加頂鍛，在較弱母材中的二次摩擦界面也易出現(xiàn)被扭開的裂紋。這是因?yàn)殡S著界面的不斷焊合，真實(shí)的瞬時(shí)摩擦界面逐漸向強(qiáng)度較低的弱母材的縱深處轉(zhuǎn)移，在較弱母材中將形成二次摩擦界面；而板材散熱比常見棒材快，待完全停車后，界面溫度已過低而不足以激活原子擴(kuò)散，因此極易在較弱板材內(nèi)出現(xiàn)被扭開的二次摩擦界面裂紋。(2)變形幾乎主要發(fā)生在強(qiáng)度相對(duì)較低的弱母材一側(cè)，難以實(shí)現(xiàn)上述同種材料攪拌摩擦點(diǎn)焊中的機(jī)械式相互嵌合。(3)當(dāng)上述界面嵌合難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，則應(yīng)借助界面擴(kuò)散形成接頭強(qiáng)度。但是，異種金屬界面極易過度增厚的金屬金屬間化合物使接頭脆化，為此必須在保證界面密合的前提下(希望摩擦?xí)r間長)，尋求簡捷的抑制金屬間化合物(希望摩擦?xí)r間短)的方法。其難點(diǎn)在于如何平衡兩者對(duì)摩擦?xí)r間要求的矛盾。(4)由于板材的厚度一般遠(yuǎn)小于棒材的長度，因次，必須限制板材的減薄量，不能寄希望于依賴增大摩耗量來產(chǎn)熱(傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)摩擦焊常用此法)。為了克服異種金屬螺柱焊的難點(diǎn)及上述攪拌摩擦點(diǎn)焊直接移植于異種金屬摩擦螺柱焊時(shí)的兩大問題(1)長時(shí)間摩擦?xí)r界面處脆性金屬間化合物的過度增厚；(2)較弱母材中出現(xiàn)的二次摩擦面的扭裂裂紋。此外，對(duì)于異種金屬摩擦螺柱焊還需限制較弱薄板過度減薄的問題。對(duì)于上述問題(1)，為抑制異種金屬螺柱焊界面金屬間化合物快速增厚，采用壓力較小的膨脹壓力，即以原位摩擦方式，獲得一種具有低壓、低熱輸入的摩擦加熱條件(因材料在高溫時(shí)如力學(xué)熔點(diǎn)附近，屈服強(qiáng)度變低、易屈服，則雖然膨脹量大但膨脹壓力變低，摩擦加熱功率也隨之降低)。原位摩擦不僅具有低壓力、低熱輸入的優(yōu)點(diǎn)，而且可防止板材減薄。對(duì)于上述問題(2)，考慮到二次摩擦面雖有裂紋，但它形成于低強(qiáng)度母材內(nèi)，故界面潔凈而無污染物，故采用這樣的補(bǔ)救思路一在線實(shí)時(shí)鍛合二次摩擦面上的扭裂裂紋，為此，采用延續(xù)頂鍛技術(shù)(即頂鍛壓力必須在螺柱完全停轉(zhuǎn)后繼續(xù)保持更長的時(shí)間約I IOs左右)與分級(jí)頂鍛技術(shù)(即在螺柱停轉(zhuǎn)后的瞬時(shí)進(jìn)一步加大頂鍛壓力)實(shí)時(shí)在線鍛合在散熱快、強(qiáng)度低的板材內(nèi)出現(xiàn)的二次摩擦界面扭轉(zhuǎn)裂紋。僅在停車中施加頂鍛雖有一定預(yù)防裂紋效果，但當(dāng)二次摩擦界面裂紋已經(jīng)形成后并無補(bǔ)救效果?？山鉀Q電弧螺柱焊難以勝任的異種金屬螺柱焊與大直徑螺柱的焊接，也可用于同種金屬螺柱焊。具體的，提出以下施加頂鍛的摩擦螺柱焊方法，以高速旋轉(zhuǎn)的螺柱端面與板材表層間相互摩擦產(chǎn)生的摩擦熱為熱源，無需任何保護(hù)氣體與焊劑，該方法可分為三個(gè)階段I)將高速旋轉(zhuǎn)的螺柱壓入異種或同種板材，以高速旋轉(zhuǎn)的螺柱端面與板材表層間相互摩擦產(chǎn)生的摩擦熱為熱源，壓入深度為O.1 Imm ;2)在螺柱壓入板材后，當(dāng)螺柱四周均形成均勻的飛邊時(shí)，利用材料熱膨脹產(chǎn)生的低幅高溫膨脹壓力，原位摩擦I 5s ;此階段無需外加壓力而僅利用膨脹加壓即可，可避免板材過度減薄、簡化設(shè)備并降低熱輸入，此階段為主要摩擦加熱與破碎、分散界面氧化膜階段；3)停車時(shí)，向板材施加頂鍛力并維持頂鍛力至少到螺柱停止旋轉(zhuǎn)時(shí)為止。施加頂鍛，重新鍛合被扭開的二次摩擦面，頂鍛力必須持續(xù)至電機(jī)完全停轉(zhuǎn)后，并適當(dāng)維持保壓后，方可撤除。對(duì)于難焊接頭，頂鍛可分級(jí)進(jìn)行，即除在停車過程中施加頂鍛外，在停車后旋即施加更大的頂鍛力，以鍛合被扭開形成的裂紋。具體的，所施加的頂鍛壓力根據(jù)母材的高溫屈服強(qiáng)度與壓入板材的深度選取，兼顧重新鍛合二次摩擦界面處的扭裂裂紋，并避免板材減薄量過大。所述的螺柱、板材為同種材質(zhì)，該材質(zhì)為焊劑保護(hù)電弧螺柱焊難以焊接的活潑金屬。所述的螺柱以700 1500轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速壓入板材。所施加的頂鍛壓力為10 30MPa。施加頂鍛力時(shí)，板材沿頂鍛力方向的位移為O.1 Imm0具體以以下異種金屬材料進(jìn)行具體的說明所用螺柱材料為45#鋼鋼棒，直徑是IOmm ;所用鋁板是1060純鋁板，經(jīng)機(jī)加工制成規(guī)格為60mmX23mmX2. 8mm的板材進(jìn)行焊接。焊接前對(duì)螺柱端面及鋁板表面用400#砂
紙打磨平整后并用無水乙醇清洗。摩擦螺柱焊焊接如圖1所示，螺柱通過夾具裝于銑床電機(jī)主軸上，鋁板固定于銑床工作臺(tái)上。啟動(dòng)銑床主軸電機(jī)，使螺柱旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)速為1500rpm)并壓入鋁板，壓入深度為
O.5mm時(shí)，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)原位摩擦3s，然后停止螺柱轉(zhuǎn)動(dòng)；在兩種情況下停車(為了便于對(duì)比)其一是模仿攪拌摩擦點(diǎn)焊，即自由停車而不采取任何措施(7s后螺柱停止旋轉(zhuǎn))；其二是手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪，升高銑床工作臺(tái)以施加頂鍛力，頂鍛位移O.1mm (用壓力傳感器實(shí)測(cè)所得頂鍛壓力為1. 95KN,即24. 8MPa)。對(duì)以上兩種施焊結(jié)果檢測(cè)如下。1、性能改善效果方面圖2是焊后試樣外觀照片。由圖2可以看出，焊后試樣外觀平整，飛邊小，無頂鍛試樣的外觀和頂鍛位移O.1mm試樣沒有很大差別，停車過程中是否加頂鍛力對(duì)焊后試樣外觀影響很小。圖3為通過上移工作臺(tái)施加頂鍛后接頭性能改善效果對(duì)比圖?？梢钥闯觯?dāng)頂鍛位移為O.1mm時(shí)所施加的頂鍛力約為1. 95KN，試樣拉伸過程中平均斷裂載荷為3. 250KN ；當(dāng)頂鍛位移為O時(shí)，沒有施加頂鍛力，試樣平均斷裂載荷為1.279KN。在同樣的壓入深度(0.5mm)、同樣的摩擦?xí)r間(3s)下，停車過程中施加頂鍛力的試樣，其平均斷裂載荷是未施加頂鍛力試樣的2.5倍，施加頂鍛力的試樣強(qiáng)度遠(yuǎn)高于未施加頂鍛力的試樣，頂鍛壓力增加了接頭強(qiáng)度。由圖3還可以看出，未施加頂鍛力的試樣拉伸后斷裂發(fā)生在焊縫附近位置，斷裂后斷口近似是平面，螺柱端面粘有少量的鋁；施加頂鍛力的試樣拉伸后斷裂發(fā)生在鋁板中，螺柱焊焊縫并未開裂，斷裂后，焊縫附近的鋁板發(fā)生較嚴(yán)重的變形，螺柱端面粘有大量的鋁?？梢?，施加頂鍛力之后試樣的強(qiáng)度明顯高于未施加頂鍛力的試樣，停車過程中是否施加頂鍛力直接決定著焊接接頭的質(zhì)量。2、焊接接頭微觀組織改善效果方面:圖4為焊接接頭界面的低倍BSE照片。由圖4可知，未施加頂鍛力的試樣接頭雖然原始界面結(jié)合緊密，但在鋁板中出現(xiàn)了近焊縫的母材裂縫，即次生摩擦界面(見圖5接頭界面BSE照片)，母材裂縫是平行于焊縫的裂紋，其直線距離長達(dá)IOmm (與螺柱直徑相同)，裂縫寬度最大達(dá)100 μ m左右，且貫穿了整個(gè)接頭，中心和邊緣部位尤為嚴(yán)重。而施加頂鍛力的試樣接頭界面結(jié)合緊密，鋁板中未觀察到母材裂縫。未施加頂鍛力的試樣接頭界面附近的鋁板中出現(xiàn)近焊縫的母材裂縫的原因可能是:焊接過程中，鋁/鋼界面已經(jīng)較好地結(jié)合，而在停車過程中，螺柱并不是立即停止旋轉(zhuǎn)，而是轉(zhuǎn)速逐漸降低直至為O的減速過程，整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間長達(dá)7s之久，在這個(gè)過程中，由于鋁/鋼界面結(jié)合強(qiáng)度較好，而螺柱還要繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，螺柱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的扭矩，近焊縫的鋁處于塑性狀態(tài)，這部分鋁可以隨著螺柱一起旋轉(zhuǎn)，而遠(yuǎn)離焊縫的鋁不能旋轉(zhuǎn)，能旋轉(zhuǎn)部分和不能旋轉(zhuǎn)部分必然存在界面，由于扭矩的作用使鋁板在焊縫附近的界面處開裂，形成裂縫，即次生摩擦界面。而在隨后的停車過程中，如果利用工作臺(tái)向上移動(dòng)向鋁板施加了 1.95KN左右的頂鍛力之后，由于頂鍛力導(dǎo)致鋁板產(chǎn)生更大程度的塑性變形，而塑性變形可以使裂縫上下自由面的距離物理縮小，裂縫上下自由面的距離物理縮小程度越大裂縫寬度越小，當(dāng)裂縫兩自由面接觸后，通過自由面上原子的遷移和擴(kuò)散在兩自由面之間形成金屬鍵連接，所施加的頂鍛力又可以誘導(dǎo)促使再結(jié)晶，由于焊接的熱影響，鋁板在近焊縫區(qū)組織將產(chǎn)生再結(jié)晶，從而消除自由面，消除次生摩擦界面。3、界面金屬間化合物抑制效果方面:從圖5 (界面高倍背散射(BSE)照片與能譜(EDS)線掃描結(jié)果)的a中看不到明顯的金屬間化合物層，而b中可以看到有明顯的金屬間化合物層，通過能譜線掃描(EDS)分析，施加了 0.1mm的頂鍛位移后金屬間化合物厚度約為1.5μπι。在螺柱和鋁板摩擦焊接的整個(gè)過程中，界面上沒有液相生成，金屬間化合物的形成來源于原子擴(kuò)散，圖b界面上金屬間化合物層比圖a明顯是因?yàn)槭┘禹斿懳灰浦?，在頂鍛壓力的作用有利于原子的擴(kuò)散，進(jìn)而形成明顯的金屬間化合物層，而圖a中由于未施加頂鍛位移，沒有頂鍛壓力的作用，原子擴(kuò)散速度很慢，并沒有形成金屬間化合物層。由圖5、表I可以看出，施加頂鍛位移試樣界面的金屬間化合物層并不是由單一的相組成的，金屬間化合物成分從近鋼側(cè)到近鋁側(cè)是漸變的，根據(jù)點(diǎn)掃描的原子百分比，圖5-b中，1、2、3點(diǎn)成分依次為=Fe7Al,Fe3Al2，F(xiàn)eAl，而Fe7Al,Fe3Al2兩種相在Al-Fe相圖并不存在。可見，界面實(shí)現(xiàn)了緊密接觸，但尚未形成穩(wěn)定的金屬間化合物，由此保證了接頭強(qiáng)度較聞。表I焊縫的能譜(EDS)點(diǎn)分析結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種立式摩擦螺柱焊方法，其特征在于，包括以下操作: 1)將高速旋轉(zhuǎn)的螺柱壓入異種或同種板材，以高速旋轉(zhuǎn)的螺柱端面與板材表層間相互摩擦產(chǎn)生的摩擦熱為熱源，壓入深度為0.1 Imm ; 2)在螺柱壓入板材后，當(dāng)螺柱四周均形成均勻的飛邊時(shí)，利用材料熱膨脹產(chǎn)生的低幅高溫膨脹壓力，原位摩擦I 5s ; 3)停車時(shí)，向板材施加頂鍛力并維持頂鍛力至少到螺柱停止旋轉(zhuǎn)時(shí)為止。
2.如權(quán)利要求1所述的立式摩擦螺柱焊方法，其特征在于，采用以下方式施加頂鍛力: 延續(xù)頂鍛，頂鍛壓力在螺柱完全停轉(zhuǎn)后繼續(xù)保持； 或者分級(jí)頂鍛，頂鍛壓力在螺柱完全停轉(zhuǎn)后的瞬時(shí)加大頂鍛壓力，并保持。
3.如權(quán)利要求2所述的立式摩擦螺柱焊方法，其特征在于，所述在螺柱完全停轉(zhuǎn)后繼續(xù)保持I 10s。
4.如權(quán)利要求1所述的立式摩擦螺柱焊方法，其特征在于，異種金屬螺柱焊時(shí)，當(dāng)真實(shí)瞬時(shí)摩擦界面逐漸向較弱母材內(nèi)轉(zhuǎn)移而在較弱母材內(nèi)形成二次摩擦界面，施加頂鍛壓力在線重新鍛合二次摩擦界面出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)裂紋。
5.如權(quán)利要求4所述的立式摩擦螺柱焊方法，其特征在于，所施加的頂鍛壓力根據(jù)母材的高溫屈服強(qiáng)度與壓入板材的深度選取，兼顧重新鍛合二次摩擦界面處的扭裂裂紋，并避免板材減薄量過大。
6.如權(quán)利要求1所述的立式摩擦螺柱焊方法，其特征在于，所述的螺柱、板材為同種材質(zhì)，該材質(zhì)為焊劑保護(hù)電弧螺柱焊難以焊接的活潑金屬。
7.如權(quán)利要求1所述的立式摩擦螺柱焊方法，其特征在于，所述的螺柱以700 1500轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速壓入板材。
8.如權(quán)利要求1 7任何一項(xiàng)所述的立式摩擦螺柱焊方法，其特征在于，所施加的頂鍛壓力為10 30MPa。
9.如權(quán)利要求1 7任何一項(xiàng)所述的立式摩擦螺柱焊方法，其特征在于，施加頂鍛力時(shí)，板材沿頂鍛力方向的位移為0.1 1mm。
10.如權(quán)利要求1所述的立式摩擦螺柱焊方法，其特征在于，在螺柱壓入板材前還將螺柱表面、板材表面打磨平整后并用無水乙醇清洗。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種立式摩擦螺柱焊方法，包括以下操作將高速旋轉(zhuǎn)的螺柱壓入板材，以高速旋轉(zhuǎn)的螺柱端面與板材表層間相互摩擦產(chǎn)生的摩擦熱為熱源；在螺柱壓入板材后，當(dāng)螺柱四周均形成均勻的飛邊時(shí)，原位摩擦1～5s；停車并向板材施加頂鍛力，維持頂鍛力至少到螺柱完全停止旋轉(zhuǎn)時(shí)為止；對(duì)異種金屬螺柱焊的二次摩擦界面裂紋，采用延續(xù)頂鍛技術(shù)與分級(jí)頂鍛技術(shù)重新在線鍛合之。本發(fā)明主要特點(diǎn)有免用保護(hù)氣體與焊劑；通過膨脹加壓以原位摩擦方式進(jìn)行加熱、破碎并分散界面氧化膜，既能防止板材過度減薄，又具有低壓力、低熱輸入、能抑制金屬間化合物的優(yōu)點(diǎn)；對(duì)散熱快的板材內(nèi)易于形成的二次摩擦界面扭轉(zhuǎn)裂紋采用上述在線鍛合方法予以補(bǔ)救。
文檔編號(hào)B23K20/12GK103071912SQ201210590509
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月29日
發(fā)明者張貴鋒, 焦偉民, 趙繼鵬, 張建勛 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)