本發(fā)明涉及一種鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法，特別涉及一種添加中間層的鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法。

背景技術(shù)：

鋁、銅異種接頭結(jié)構(gòu)件具有較高的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、抗腐蝕性能以及良好的機(jī)械加工性能，因此在電子科技及化學(xué)工程等領(lǐng)域有著不可替代的地位。從結(jié)構(gòu)與功能的實(shí)現(xiàn)以及經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，鋁、銅異種材料的連接具有重大的研究?jī)r(jià)值。鋁的密度只有銅的1/3，鋁與銅形成連接件可明顯減輕結(jié)構(gòu)的重量，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，而且能降低生產(chǎn)成本。但鋁表面極易氧化，所形成的氧化膜十分牢固，導(dǎo)熱和導(dǎo)電性很差，采用機(jī)械連接難以滿足熱、電等使用性能的要求。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛采用焊接方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁、銅異種金屬的可靠連接。然而，由于鋁、銅的化學(xué)成分、物理性能差別較大(特別是熔點(diǎn)相差423℃，線膨脹系數(shù)相差40％以上)，并且鋁與銅的固態(tài)互溶度很小，在高溫下二者能形成多種金屬間化合物，如AlCu₃、AlCu₂、AlCu及Al₂Cu等，因此，傳統(tǒng)的熔焊方法很難得到優(yōu)質(zhì)的鋁、銅異種金屬接頭。旋轉(zhuǎn)摩擦焊這一固相連接技術(shù)具有焊接時(shí)間短、焊接溫度低等優(yōu)點(diǎn)，可以顯著減少鋁、銅異種焊接接頭中金屬間化合物的生成，在鋁、銅異種金屬的焊接研究及應(yīng)用方面提供了新的思路。

文獻(xiàn)“Sahin M.Joining of aluminium and copper materials with friction welding[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2010,49(5):527-534.”利用旋轉(zhuǎn)摩擦焊，在不同的焊接參數(shù)下進(jìn)行了鋁、銅異種接頭的焊接實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，采用合理的焊接參數(shù)可以獲得強(qiáng)度滿足要求的鋁、銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭，接頭最大強(qiáng)度為140MPa，為鋁母材金屬?gòu)?qiáng)度的70％，銅母材金屬?gòu)?qiáng)度的48％，通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭的微觀組織觀察分析發(fā)現(xiàn)，在焊接界面處生成了具有脆硬特性的鋁銅金屬間化合物，該金屬間化合物的生成是導(dǎo)致接頭強(qiáng)度下降的最主要因素。雖然通過(guò)優(yōu)化焊接參數(shù)減少了焊接界面處鋁銅金屬間化合物的數(shù)量，獲得了比采用傳統(tǒng)熔焊強(qiáng)度更高的鋁、銅異種金屬摩擦焊接頭，但通過(guò)優(yōu)化焊接參數(shù)的途徑無(wú)法徹底避免金屬間化合物的生成，這也是導(dǎo)致鋁、銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭最大強(qiáng)度仍比鋁母材金屬低30％的最主要原因。金屬間化合物的存在不僅影響接頭的強(qiáng)度，而且會(huì)增加鋁、銅異種金屬接頭的阻抗，導(dǎo)致電器設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)熱增大及電力的損耗增加，影響電器設(shè)備服役性能。因此有必要提出一種能夠避免金屬間化合物生成的鋁、銅異種金屬摩擦焊方法，從而提高鋁、銅異種金屬結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、改善其服役性能(減小阻抗、增大導(dǎo)熱率)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法接頭強(qiáng)度低的不足，本發(fā)明提供一種添加中間層的鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法。該方法首先將鋁金屬與中間層金屬進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，再將帶有中間層金屬的鋁金屬與銅金屬進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，中間層金屬采用與鋁和銅具有較高固溶度的金屬，焊接過(guò)程中，中間層金屬分別向鋁、銅兩側(cè)擴(kuò)散，形成固溶體。雖然鋁、銅也同時(shí)向中間層擴(kuò)散，但由于旋轉(zhuǎn)摩擦焊具有焊接時(shí)間短、焊接溫度低的特點(diǎn)，因此鋁、銅向中間層的擴(kuò)散物質(zhì)濃度低，不足以形成大量的金屬間化合物，并且旋轉(zhuǎn)摩擦焊在摩擦及頂鍛過(guò)程中工件會(huì)在軸向位置產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的縮短量，所以鋁、銅向中間層擴(kuò)散所形成的少量金屬間化合物將以飛邊的形式被擠出，最終獲得的鋁、銅異種金屬摩擦焊接頭中沒(méi)有鋁銅金屬間化合物生成，提高了接頭強(qiáng)度。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案：一種添加中間層的鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一、打磨鋁金屬1、銅金屬3和中間層金屬2的待焊接端面。

步驟二、將鋁金屬1夾持在摩擦焊機(jī)固定端，將中間層金屬2夾持在摩擦焊機(jī)旋轉(zhuǎn)端。設(shè)定焊接參數(shù)為：焊接轉(zhuǎn)速1200～1500rpm，焊接壓力60～80MPa，軸向縮短量5mm，頂鍛壓力100～110MPa，頂鍛時(shí)間4～6s。運(yùn)行摩擦焊機(jī)，進(jìn)行鋁金屬1及中間層金屬2的摩擦焊接。

步驟三、對(duì)帶有中間層金屬2的鋁金屬1焊接接頭進(jìn)行加工，保留5mm長(zhǎng)度的中間層金屬2。對(duì)中間層金屬2端面進(jìn)行打磨、清洗，去除加工過(guò)程中殘留的油污、雜質(zhì)。

步驟四、將銅金屬3夾持在摩擦焊機(jī)的旋轉(zhuǎn)端，將帶有5mm長(zhǎng)度中間層2的鋁金屬1夾持在摩擦焊機(jī)固定端。設(shè)定焊接參數(shù)為：焊接轉(zhuǎn)速1200rpm，焊接壓力80～90MPa，軸向縮短量5mm，頂鍛壓力100～120MPa，頂鍛時(shí)間5～6s，運(yùn)行摩擦焊機(jī)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

所述鋁金屬1的材料是1100純鋁或7050鋁合金的任一種。

所述銅金屬3的材料是T2紫銅。

所述中間層金屬2的材料是ZAMAK3鋅合金或鎳金屬的任一種。

本發(fā)明的有益效果是：該方法首先將鋁金屬與中間層金屬進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，再將帶有中間層金屬的鋁金屬與銅金屬進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，中間層金屬采用與鋁和銅具有較高固溶度的金屬，焊接過(guò)程中，中間層金屬分別向鋁、銅兩側(cè)擴(kuò)散，形成固溶體。雖然鋁、銅也同時(shí)向中間層擴(kuò)散，但由于旋轉(zhuǎn)摩擦焊具有焊接時(shí)間短、焊接溫度低的特點(diǎn)，因此鋁、銅向中間層的擴(kuò)散物質(zhì)濃度低，不足以形成大量的金屬間化合物，并且旋轉(zhuǎn)摩擦焊在摩擦及頂鍛過(guò)程中工件會(huì)在軸向位置產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的縮短量，所以鋁、銅向中間層擴(kuò)散所形成的少量金屬間化合物將以飛邊的形式被擠出，最終獲得的鋁、銅異種金屬摩擦焊接頭中沒(méi)有鋁銅金屬間化合物生成，提高了接頭強(qiáng)度。經(jīng)檢測(cè)，接頭強(qiáng)度由背景技術(shù)的140MPa提高到148～300MPa。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明添加中間層的鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法中銅金屬、鋁金屬及中間層金屬安裝示意圖。

圖2是本發(fā)明添加中間層的鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法中銅金屬、鋁金屬及中間層金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊后的接頭示意圖。

圖中，1-鋁金屬，2-中間層金屬，3-銅金屬。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例參照?qǐng)D1-2。

實(shí)施例一：采用ZAMAK3鋅合金中間層的1100純鋁和T2紫銅的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

步驟1、1100純鋁與ZAMAK3鋅合金中間層的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

1100純鋁1為直徑20mm、長(zhǎng)度90mm的棒材，ZAMAK3鋅合金2為直徑20mm、長(zhǎng)度60mm的棒材。待焊端面焊前進(jìn)行精磨處理。焊接時(shí)，首先將1100純鋁1夾持于摩擦焊機(jī)固定端，將ZAMAK3鋅合金2夾持于旋轉(zhuǎn)端，設(shè)定焊接參數(shù)為：焊接轉(zhuǎn)速1500rpm，焊接壓力60MPa，軸向縮短量5mm，頂鍛壓力100MPa，頂鍛時(shí)間6s。焊后采用線切割對(duì)鋁、鋅接頭進(jìn)行加工，保留5mm長(zhǎng)度鋅合金層2，并將鋅合金端面進(jìn)行打磨處理。

步驟2、帶中間層的1100純鋁與T2紫銅的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

T2紫銅3為直徑20mm、長(zhǎng)度90mm的棒材，待焊端面焊前進(jìn)行精磨處理，將T2紫銅3夾持于摩擦焊機(jī)旋轉(zhuǎn)端，將鋅合金層2厚度為5mm的1100純鋁1夾持于摩擦焊機(jī)固定端，設(shè)定焊接參數(shù)為：焊接轉(zhuǎn)速1200rpm,焊接壓力80MPa，軸向縮短量5mm，頂鍛壓力100MPa，頂鍛時(shí)間6s，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

焊后對(duì)焊接接頭進(jìn)行EDS分析，焊接界面兩側(cè)沒(méi)有鋁銅金屬間化合物的生成；對(duì)鋁、銅異種金屬焊接接頭進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，接頭強(qiáng)度為140～148MPa，接頭均在鋁金屬側(cè)發(fā)生斷裂；

實(shí)施例2：采用鎳中間層的7050鋁合金和T2紫銅的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

步驟1、7050鋁合金與鎳金屬的焊接。

7050鋁合金1為直徑20mm、長(zhǎng)度90mm的棒材，鎳金屬2為直徑20mm、長(zhǎng)度60mm的棒材。待焊端面焊前進(jìn)行精磨處理。焊接時(shí)，首先將7050鋁合金1夾持于摩擦焊機(jī)固定端，將鎳金屬2夾持于摩擦焊機(jī)旋轉(zhuǎn)端，設(shè)定焊接參數(shù)為：焊接轉(zhuǎn)速1200rpm,焊接壓力80MPa，軸向縮短量5mm，頂鍛壓力110MPa，頂鍛時(shí)間4s。焊后采用線切割對(duì)接頭進(jìn)行加工，保留5mm長(zhǎng)度鎳金屬2，并將端面進(jìn)行打磨處理。

步驟2、帶中間層的7050鋁合金與T2紫銅的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

T2紫銅3為直徑20mm、長(zhǎng)度90mm的棒材，，待焊端面焊前進(jìn)行精磨處理。將T2紫銅3夾持于摩擦焊機(jī)旋轉(zhuǎn)端，將帶有鎳金屬2厚度為5mm的7050鋁合金1夾持于摩擦焊機(jī)固定端，設(shè)定焊接參數(shù)為：焊接轉(zhuǎn)速1200rpm,焊接壓力90MPa，軸向縮短量5mm，頂鍛壓力120MPa，頂鍛時(shí)間5s，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

焊后對(duì)接頭進(jìn)行EDS分析，焊接界面兩側(cè)沒(méi)有鋁銅金屬間化合物的生成；對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，接頭抗拉強(qiáng)度為280～300MPa，接頭均在鋁金屬側(cè)發(fā)生斷裂。