搭接式免釬料攪拌摩擦直接固相壓接方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種搭接式免釬料攪拌摩擦直接固相壓接方法，在無針與釬料的情況下，通過減小上板(鋁材)邊緣拘束以強化工具扭轉作用、將焊道布置在邊緣、攪拌頭肩部完全覆蓋上板邊緣，使上板邊緣壓潰變形與展寬變形最大化，優(yōu)先實現(xiàn)邊緣的破膜與壓合，鋁材邊緣處扭轉變形劇烈對下板(鋼)表面的扭轉作用也變劇烈，有利于破膜與展寬焊道。
【專利說明】搭接式免釬料攪拌摩擦直接固相壓接方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及攪拌摩擦直接壓接【技術領域】，特別涉及一種搭接式免釬料攪拌摩擦直接固相壓接方法。
【背景技術】
[0002]攪拌摩擦焊(FSW: friction stir welding)所用的工具對待焊工件而言,不僅是熱源，也是力源。特別在搭接接頭的焊接中，工具作為力源對實現(xiàn)界面去膜、緊密接觸作用的重要性更加凸顯，其潛力有待深入挖掘。在搭接接頭的攪拌摩擦焊接過程中，工具對工件的力學作用主要有鍛壓作用與扭轉作用。鍛壓作用的影響因素主要有工具傾角與焊速。關于扭轉作用影響因素的影響效果的研究相對較少，這些因素應有轉速、距離工具軸心的距離(工具直徑)、工件約束等。由于扭轉效應是借助鍛壓效應提供所需的軸向壓力，所以扭轉效應應是以鍛壓效應為前提的，但從機械破膜的角度看，扭轉作用的效果(旋壓)應優(yōu)于鍛壓效應的效果(靜壓)。從上述分析可知，欲強化機械破膜效果，應著眼于強化扭轉作用的效果。當工具傾角、焊速一定時，軸向鍛壓分力基本確定，為此，須采取其他思路強化界面扭轉作用的效果。
[0003]攪拌摩擦焊作為一種短時加熱的固相焊接方法能有效抑制異種金屬熔焊時出現(xiàn)的過量脆性金屬間化合物，在鋁與異種金屬的焊接方面有很大的應用潛力。但鋁/鋼搭接攪拌摩擦焊比鋁/鋼對接攪拌摩擦焊更困難，主要表現(xiàn)在:界面氧化膜分散與豎向混合不良；針的磨損與斷裂；兩種母材屈服強度、軟化溫度與流動應力不同導致的界面微孔；單道焊接面積受制于針的直徑(一般約5mm左右)而很小。為此，作為鋁與異種堅硬金屬搭接攪拌摩擦焊的改進技術， 申請人:前期研發(fā)了招/鋼攪拌摩擦釬焊(FSB:Friction sitrbrazing或FSS:Friction stir soldering)新技術(參考文獻I以及2),它采用無針工具消除了堅硬母材對工具的惡性磨損；同時綜合利用釬料的冶金作用(膜下溶解與潛流)、工具的力學作用(鍛壓效應與界面扭轉效應)實現(xiàn)去膜、擠出釬料，可靠地獲得了厚度適中的擴散層，從而降低了在實現(xiàn)界面混合方面對攪拌及塑性變形的苛求，即使在無針情況下也能獲得可靠的界面連接。攪拌摩擦釬焊工藝既可用于鋁板與堅硬異種材料的大面積焊接，也可用于制備雙金屬復合板。在鋁/鋼、鋁/不銹鋼、鋁/銅等不同組合的攪拌摩擦釬焊工藝中，雖工藝要點各有不同，但都能獲得斷裂于鋁板母材內(nèi)而非焊接界面的良好搭接接頭。對于攪拌摩擦釬焊工藝，需要進一步強化工具的力學作用從而為取消釬料、簡化工藝、節(jié)約成本創(chuàng)造條件。
[0004]參考文獻:
[0005][I]Guifeng Zhang, Wei Su, Jianxun Zhang and Zhongxin We1:Friction stirbrazing:a novel process for fabricating Al/Steel layered composite and fordissimilar joining of Al to Steel.Metallurgical and Materials TransactionsA, 2011，42(9):2850-2861
[0006][2]張貴鋒，蘇偉，張建勛.一種攪拌摩擦釬焊制備雙金屬復合板的方法.ZL200910021918.3
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種搭接式免釬料攪拌摩擦直接固相壓接方法，該方法取消了攪拌摩擦釬焊(FSB)工藝中所用的釬料，可以簡化攪拌摩擦釬焊的工藝，提高生產(chǎn)率，降低成本。
[0008]為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下具體技術方案:
[0009]I)將板材A及板材B的待焊面打磨后以搭接接頭形式進行裝配，裝配時根據(jù)板材A以及板材B的屈服強度差異，將板材A以及板材B中屈服強度較低的板材作為上板，將板材A以及板材B中屈服強度較高的板材作為下板，且所述上板的待焊側邊緣不被固定，以消除夾具對其邊緣展寬變形的拘束，使其邊緣處壓潰變形、展寬變形與焊合面積最大化；
[0010]2)按上述原則裝配、固定后，按照焊接位置布置在所述上板邊緣處的原則，使傾斜安裝的攪拌工具旋轉、下壓，至攪拌工具肩端面與所述上板表面接觸后，使旋轉中的攪拌工具沿所述上板的邊緣旋轉摩擦并移動，從而直接實現(xiàn)板材A與板材B的免釬料固相連接。
[0011]所述攪拌工具的肩邊緣超出所述上板的邊緣。
[0012]所述攪拌工具為無針攪拌工具。
[0013]當所述上板的厚度大于等于5mm時，采用帶針攪拌工具，且控制帶針攪拌工具壓入深度，使針頂端接近焊接界面但不壓入所述下板。
[0014]所述板材A為鋁板，板材B為低碳鋼或低合金鋼，按鋁板在上、鋼板(低碳鋼或低合金鋼)在下以搭接接頭形式進行裝配。
[0015]所述搭接式免釬料攪拌摩擦直接固相壓接方法具體包括以下步驟:
[0016]將厚度為2mm的鋁板夾持緊固于Q235碳鋼板之上，并調校45鋼制成的直徑為20mm的無針攪拌工具，使所述無針攪拌工具的肩邊緣超出并覆蓋鋁板邊緣，然后將以1500rpm高速旋轉的所述無針攪拌工具向下壓入鋁板，待壓入鋁板0.4?0.5mm深時，停止下壓動作；然后，開啟工作臺按預設焊速150?475mm/min移動，即可獲得邊緣被直接壓合的搭接接頭或窄幅雙金屬復合板。
[0017]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0018]本發(fā)明在攪拌工具旋轉并移動的焊接過程中，利用所述屈服強度較低的板材(例如鋁母材)邊緣處肩后扭轉變形所受約束小、邊緣處扭轉變形效果可被強化而趨于劇烈、對位于其下屈服強度較高的板材(例如鋼材)表面的扭轉作用也變劇烈、界面處機械去膜效果得以強化、并能適當展寬焊道(可增大焊合面積)的特點，直接實現(xiàn)上板與下板的固相連接。本發(fā)明通過減弱母材的約束，進而強化工具的力學作用之一，即扭轉作用的效果，從而取消采用攪拌摩擦釬焊工藝制備搭接接頭過程中在去膜方面對釬料冶金作用(膜下溶解與潛流)的依賴，免用釬料，簡化了攪拌摩擦釬焊的工藝，提高了生產(chǎn)率，降低了成本。
[0019]本發(fā)明在無針、無釬料的不利工況下，主要通過三方面的改進(減小上板邊緣拘束、將焊道布置在邊緣、攪拌工具肩部完全覆蓋上板邊緣)，從而創(chuàng)造條件使上板邊緣壓潰與展寬變形的最大化，確保優(yōu)先實現(xiàn)邊緣的破膜、展寬與大范圍壓合。即在異種金屬(如鋁/鋼組合)的搭接接頭裝配中，將焊接位置布置在鋁板的邊緣處，并使鋁板邊緣處于自由態(tài)，啟動無針工具旋轉并壓下，利用鋁材邊緣處扭轉變形劇烈、對位于其下鋼材表面的扭轉作用也變劇烈、界面處機械去膜效果得以強化、并能適當展寬焊道的特點，即使在免用釬料的情況下也能直接實現(xiàn)鋁板與碳鋼或低合金鋼板的固相連接。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為工具裝配與焊后焊道展寬示意圖:圖1(a)為肩覆蓋鋁板邊緣，圖1(b)為肩邊緣與鋁板邊緣對齊；χ為焊前工具對準方法，Y為焊后焊道展寬；
[0021]圖2 為各焊速下焊接接頭外觀:(a) 23.5mm/min、(b) 75mm/min> (c) 150mm/min>
(d)235mm/min>(e)300mm/min> (f)375mm/min> (g) 475mm/min ；
[0022]圖3為各焊速下焊接接頭拉剪測試結果圖(斷于鋁母材而非界面):(a)、(C)、
(e)、(g)、⑴、(k)以及(m)為俯視圖；(b)、(d)、(f)、(h)、(j)、(I)以及(η)為側視圖；焊速分別為 23.5、75、150、235、300、375、475mm/min ；
[0023]圖4為焊速與抗拉剪載荷關系曲線；
[0024]圖5為界面背散射圖:(a)、(b)、(c)分別為前進側、中間區(qū)域、后退側500倍背散射放大圖；(d)為后退側緊密結合區(qū)域5000倍背散射放大圖。(5000倍下觀察仍致密，說明接頭的焊合主要依賴溫度高、約束小、展寬變形大、氧化膜破碎良的邊緣區(qū)域，見前進側)
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明。
[0026] 申請人:在近期關于鋁材與異種金屬搭接攪拌摩擦焊的研究工作中發(fā)現(xiàn)，工件的尺寸、焊接位置等會通過不同的約束效果而影響搭接接頭界面的焊合行為。例如，當工件尺寸過小、鋁材的扭轉變形異常劇烈，甚至會出現(xiàn)表面撕裂而使焊道表面成形極差的情況；當焊接位置位于鋁材的邊緣時，焊道會展寬而大于攪拌工具直徑，甚至在局部也會出現(xiàn)撕裂的情況。究其原因，這些現(xiàn)象都應歸因于在這些特定的條件下，鋁母材自身對焊接區(qū)金屬扭轉變形的約束變?nèi)踔省４藭r，雖然表面成形不很理想，但界面間的扭轉作用效果卻是較為顯著的，而顯著的界面扭轉效果是極為有利于搭接界面的去膜與緊密接觸。受此啟發(fā)， 申請人:提出了一種“鋁板與鋼板的免釬料攪拌摩擦直接壓接”的新型焊接工藝，也可用于制備雙金屬復合板。
[0027]遵循 申請人:提出的夾具拘束效應最小化、工具力學效應最大化的原則性改進思路，本發(fā)明的具體工藝是:
[0028]I)將鋁板及鋼板的待焊面打磨后，按鋁板在上、鋼板在下以搭接接頭形式進行裝配，將焊接位置布置在鋁板的邊緣處，免用釬料。同時要求鋁板邊緣不能被壓板固定而處于自由態(tài)，以減弱夾具對鋁母材待焊端的扭轉變形與鍛壓變形的約束，進而強化攪拌工具的壓扭效應，這既有利于氧化膜的大范圍碎化與分散，又有利于增大焊接面積。將肩的邊緣略超出鋁板邊緣，以盡量強化邊緣的加熱、展寬型塑性變形與壓合程度。接頭的焊合主要依賴溫度高、約束小、展寬變形大、氧化膜破碎良的該邊緣區(qū)域。
[0029]對于厚鋁板(大于等于5_)，所用工具的肩須超出鋁板邊緣，以強化工具在邊緣的力學效應及其帶來的拓寬焊接面的效果，減小約束強化變形；且攪拌工具帶針，但須控制壓入深度，使針的頂端接近焊接界面但又不壓入下板，以便既能利用針的加熱(塑性變形熱與摩擦熱)與力學作用(強化加熱亦有利于強化力學作用效果)，同時消除堅硬下板對針頂端的磨損。
[0030]對較薄鋁板(小于5mm)，鋁板邊緣與工具肩邊緣對齊，綜合平衡展寬塑性變形與撕裂缺陷，防止邊緣超出量過多情況下，因小約束與大變形導致的邊部撕裂。因肩自身的熱一力作用效果在界面也較強(存在SAZ =Shoulder Affected Zone)，此時，已無需針的輔助作用，故所用攪拌工具為無針工具，以防工具磨損并消除匙孔。
[0031]2)適度傾斜安裝(I?5度)攪拌工具，以強化扭轉作用所需的軸向載荷。
[0032]3)啟動無針工具旋轉、壓下，至肩端面與鋁板表面接觸后，啟動工作臺移動。
[0033]4)利用鋁材邊緣處扭轉變形劇烈、對位于其下鋼材表面的扭轉作用也變劇烈、界面處機械去膜效果得以強化、并能適當展寬焊道的特點，直接實現(xiàn)鋁板與鋼板的固相連接。
[0034]該工藝的要點及其原因可概括為:采用無針工具，并將鋁板安放在搭接接頭的上部，以防止堅硬異種母材(鋼材)對工具的惡性磨損。傾斜安裝工具，以增大鍛壓力，進而提供扭轉效應所需要的軸向載荷，并可減小肩前飛邊，改善焊道表面成形。將焊接位置布置在鋁板邊緣，可以大幅減小鋁板自身對攪拌區(qū)扭轉作用的約束，利用鋁材邊緣處扭轉變形劇烈、鋁材自身焊接面上的氧化膜破除效果得以強化；對位于其下鋼材表面的扭轉作用也變劇烈、界面處機械去膜效果得以強化；并能適當展寬焊道(可增大焊接面積)的特點；從而直接實現(xiàn)鋁板與鋼板的固相連接。最后應指出的是，正是由于通過減小鋁母材約束，強化界面扭轉效應的機械破膜作用，才為省去釬料提供了可能；另一方面，低碳鋼及低合金鋼表面的氧化膜也不及不銹鋼表面的氧化膜致密、穩(wěn)定，也為機械去膜提供了可能。此外，此類攪拌摩擦焊工藝的普遍對準方法是將肩對準鋁板的外邊緣且留有一定余量，甚至將肩對準鋁板中央位置。這樣，焊接過程中鋁板沿水平方向的散熱為四向(前、后、左、右)散熱，導致焊接熱輸入不足，尤其在高焊速焊接時熱量不足的現(xiàn)象更為明顯。而本發(fā)明提出的對準方法是將攪拌工具的肩對準鋁板邊緣或將邊緣覆蓋，這樣就減少了焊接過程中鋁板水平方向的散熱，從而為在高焊速條件下得到美觀的表面成型做出貢獻。
[0035]實驗例
[0036]本發(fā)明在攪拌工具對準方面涉及兩種方法，其一，如圖1(b)方法，將攪拌工具肩邊緣對準鋁板外邊緣；其二，如圖1(a)方法，用攪拌工具肩將鋁板邊緣覆蓋。此兩種方法的區(qū)別在于:相對于方法二所使用的對準方式，方法一中攪拌工具肩下受到攪拌摩擦作用的鋁母材較多。因此在焊接過程中軟化后被擠壓出攪拌工具肩的鋁材量多，即焊道展寬效果明顯；而方法二中，有少量展寬鋁材覆蓋于攪拌工具肩下部，此部分展寬鋁材受到強烈的界面扭轉作用和鍛壓作用，有利于展寬部分界面的機械破膜效果和機械壓合效果。
[0037]本實驗例選用第二種攪拌工具對準方法，即攪拌工具肩覆蓋鋁板邊緣的對準方法。作為可行性試驗，為節(jié)約試驗成本，所用的碳鋼板(Q235)為2mm厚的薄板，尺寸為100mmX60mm。招板(1060)為2mm厚薄板，尺寸也為100mmX60mm。攪拌工具為由常見的45鋼制成的直徑為20mm無針工具。此上三種材料皆為市售常見材料。
[0038]焊接工藝:預設置焊接參數(shù)，將轉速調整為1500rpm。如圖1 (a)所示方法，將鋁板夾持緊固于所述碳鋼板(Q235)之上，且鋁板的待焊側邊緣不被固定，并調校攪拌工具，使其肩覆蓋鋁板外邊緣。完成夾持對準工作之后，需先啟動機器，再將高速旋轉的攪拌工具壓入鋁板。待攪拌工具壓入鋁板0.4?0.5_左右深時，停止下壓動作。然后，開啟工作臺按預設焊速移動，即可獲得邊緣焊合的搭接接頭。[0039]焊后評價主要包括以下內(nèi)容:1)外觀；2)拉剪測試斷裂載荷(拉剪試樣尺寸為IOOmmX25mm)與斷裂位置；3)界面微觀組織分析。
[0040]以下為實驗結果:
[0041]接頭外觀(參見圖2):焊接接頭外觀如圖2(a)-圖2(g)所示，對于焊速范圍(23.5?475mm/min)內(nèi)的七個焊速參數(shù)，均能獲得表面光滑的焊道表面成形，可見，本發(fā)明方法對高焊速的適應性也穩(wěn)定、良好。但應注意的是，在焊接實驗時，攪拌頭壓入深度通常控制為0.5mm以下以提供足夠大的鍛壓力和強的界面扭轉力，但隨焊速升高(焊速300_/min以上)導致單位面積的熱輸入降低、金屬軟化不充分，塑性不足，使得表面在大的界面扭轉力條件下無法成型(表面撕裂)，所以不得不減小攪拌頭的壓入深度以減弱摩擦界面扭轉變形程度(從圖2(e)、圖2(f)、圖2(g)可以明顯看出，焊道末端攪拌工具所壓出的圓形圖案不完整)，從而得到完整光滑的焊縫表面。
[0042]接頭斷裂位置(參見圖3):接頭的拉剪性能測試結果表明，鋁板與碳鋼板異種金屬接頭拉剪試樣斷裂位置除低焊速下(23.5、75mm/min)部分斷裂于界面處，其余焊速下皆斷裂在鋁母材之內(nèi)(斷裂于鋁母材焊道偏后退側)，而并未斷裂于鋁/鋼界面，這充分證明了無針工具對薄板與碳鋼板直接進行攪拌摩擦壓接方法的可行性。
[0043]采用無針攪拌摩擦直接壓接法得到的薄鋁板與碳鋼板的接頭載荷曲線如圖4所示，可以看出在低焊速(23.5、75mm/min)下接頭的抗拉剪載荷低,2/3的拉剪試樣斷裂于招/鋼界面；而當焊速大于等于150mm/min時，接頭的拉剪試樣斷裂位置皆位于焊道鋁母材后退側，且各焊速下接頭的拉剪力學性能穩(wěn)定(圖4中可以看出，平均抗拉剪載荷曲線波動幅度小)。
[0044]另外,對于低焊速(23.5、75mm/min)下接頭的抗拉剪載荷低的原因解釋如下:在低焊速焊接過程中，同位置處鋁母材所受攪拌工具摩擦加熱時間相對增長，這樣就會引起鋁母材的過度軟化，勢必會影響到攪拌工具所提供的豎直鍛壓力向鋁/鋼界面的傳遞(此結論在本實驗室先前所發(fā)表文章中已經(jīng)證明，即在攪拌工具肩直徑一定、轉速一定的條件下，豎直鍛壓力隨焊速的升高而升高)。正如上文所述，由于扭轉效應是借助鍛壓效應提供所需的軸向壓力，所以扭轉效應應是以鍛壓效應為前提的；但從機械破膜的角度看，扭轉作用的效果(旋壓)應優(yōu)于鍛壓效應的效果(靜壓)。因此，低焊速下接頭的抗拉剪載荷低的原因可以概括為，正是由于鍛壓力的不足導致扭轉效應的不良，而扭轉作用恰是決定機械破膜效果的關鍵因素，從而導致鋁/鋼界面不能致密結合，接頭抗拉剪載荷低。
[0045]界面微觀組織:采用235mm/min焊速所得異種金屬接頭界面微觀組織圖(圖5)表明，鋁/鋼部分界面結合致密，效果明顯。特別強調，圖5(a)為焊道前進側展寬部分微觀照片，可以看出展寬部分氧化膜破除情況良好，鋁/鋼部分界面結合致密。圖5(d)為焊道后退側局部放大5000倍照片，在如此高倍數(shù)微觀圖中仍不能觀察到界面間隙、裂紋，足可以證明本發(fā)明方法對界面氧化膜破除和界面致密結合所起到的重要作用。界面組織觀察表明，受母材溫度場分布、母材自身約束分布非均勻性的影響，塑性變形與焊合主要集中在前進偵牝后退側因母材自身的約束，鍛壓塑性變形程度不及前進側。由此可見來自夾具、工件的“約束”對母材變形與焊合分布有強烈影響。當使用本發(fā)明在直接壓接薄鋁板與碳鋼板時，塑性變形與焊合主要集中在前進側，此部分對接頭力學性能提高起決定作用；同時，不僅母材前進側原始位置處界面(相對于焊道展寬部分)結合致密，氧化膜破除情況良好，而且在焊接過程中所產(chǎn)生的焊道展寬部分界面結合致密，氧化膜破除情況良好。這無疑是得益于前進側各種拘束小、工具的熱一力作用得以強化之故。
【權利要求】
1.一種搭接式免釬料攪拌摩擦直接固相壓接方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)將板材A及板材B的待焊面打磨后以搭接接頭形式進行裝配，裝配時根據(jù)板材A以及板材B的屈服強度差異，將板材A以及板材B中屈服強度較低的板材作為上板，將板材A以及板材B中屈服強度較高的板材作為下板，且所述上板的待焊側邊緣不被固定，以消除夾具對邊緣展寬變形的拘束，使邊緣處壓潰變形、展寬變形與焊合面積最大化； 2)按上述原則裝配、固定后，按照焊接位置布置在所述上板邊緣處的原則，使傾斜安裝的攪拌工具旋轉、下壓，至攪拌工具肩端面與所述上板表面接觸后，使旋轉中的攪拌工具沿所述上板的邊緣旋轉摩擦并移動，從而直接實現(xiàn)板材A與板材B的免釬料固相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述一種搭接式免釬料攪拌摩擦直接固相壓接方法，其特征在于:所述攪拌工具的肩邊緣超出所述上板的邊緣。
3.根據(jù)權利要求1所述一種搭接式免釬料攪拌摩擦直接固相壓接方法，其特征在于:所述攪拌工具為無針攪拌工具。
4.根據(jù)權利要求1所述一種搭接式免釬料攪拌摩擦直接固相壓接方法，其特征在于:當所述上板的厚度大于等于5mm時，采用帶針攪拌工具，且控制帶針攪拌工具壓入深度，使針頂端接近焊接界面但不壓入所述下板。
5.根據(jù)權利要求1所述一種搭接式免釬料攪拌摩擦直接固相壓接方法，其特征在于:所述板材A為鋁板，板材B為低碳鋼或低合金鋼，按鋁板在上、鋼板在下以搭接接頭形式進行裝配。
6.根據(jù)權利要求1所述一種搭接式免釬料攪拌摩擦直接固相壓接方法，其特征在于:所述搭接式免釬料攪拌摩擦直接固相壓接方法具體包括以下步驟: 將厚度為2mm的鋁板夾持緊固于Q235碳鋼板之上，并調校45鋼制成的直徑為20mm的無針攪拌工具，使所述無針攪拌工具的肩邊緣超出并覆蓋鋁板邊緣，然后將以1500rpm高速旋轉的所述無針攪拌工具向下壓入鋁板，待壓入鋁板0.4?0.5mm深時，停止下壓動作；然后，按預設焊速150?475mm/min移動，即可獲得邊緣被直接壓合的搭接接頭或窄幅雙金屬復合板。
【文檔編號】B23K20/12GK103990904SQ201410191079
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權日:2014年5月7日
【發(fā)明者】張貴鋒, 郝海, 張林杰, 張建勛 申請人:西安交通大學