一種同步實現鋁和鎂異種材料攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊的方法
【專利摘要】一種同步實現鋁和鎂異種材料攪拌摩擦點焊?釬焊?擴散焊的方法，其操作過程如下：將清理干凈的鋁板和鎂板搭接固定，在兩板之間添加釬料片，釬料片兩側分別于鋁板和鎂板接觸。對固定的搭接結構進行攪拌摩擦點焊焊接，焊接過程中，一方面通過攪拌頭上的攪拌針與下方板材的作用，實現鋁板和鎂板的攪拌摩擦點焊；另一方面，在攪拌頭軸肩摩擦產熱和鍛壓力的作用下，貼近攪拌針周圍區(qū)域溫度較高、釬料片融化，鋁板和鎂板之間形成釬焊連接；而離攪拌針稍遠的區(qū)域，在攪拌摩擦的熱力作用下，鋁板/釬料片、鎂板/釬料片之間發(fā)生原子擴散，形成擴散焊接。本發(fā)明能夠在攪拌摩擦點焊的同時形成釬焊和擴散焊接頭，增大焊點的有效承載面積，提高接頭的抗拉剪力。
【專利說明】
一種同步實現鋁和鎂異種材料攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊的方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及鋁/鎂異種材料的焊接，具體涉及一種同步實現鋁和鎂異種材料攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊的方法。
【背景技術】
[0002]目前，國內外常用的鋁/鎂異種材料點焊的焊接方法主要有電阻點焊、激光焊、攪拌摩擦點焊等。由于，鋁/鎂都是較為活潑的金屬，采用電阻點焊或者激光焊等熔焊方法焊接時，接頭中容易產生氣孔、夾雜以及裂紋等缺陷；同時，兩種材料焊接時極易形成脆性金屬間化合物Al3Mg2和Al12Mg17,金屬間化合物大量生成會使得焊縫脆化，難以獲得剪切性能理想的點焊接頭。
[0003]攪拌摩擦點焊是由攪拌摩擦焊發(fā)展而來的點焊方法，在焊接過程中由于被焊材料不被熔化，焊縫熱輸入較低，焊縫中金屬間化合物的量較少，對于鋁/鎂異種材料的焊接具有一定的優(yōu)勢。但是，采用攪拌摩擦點焊焊接鋁/鎂異種材料時，攪拌針退出后會在焊點表面留下匙孔，匙孔的存在減小了點焊接頭的有效承載面積，導致焊點的承載能力較低。
[0004]針對鋁/鎂異種材料攪拌摩擦點焊接頭力學性能較低的問題，有學者提出了各種解決方法。
[0005]德國GKSS研究中心1999年發(fā)明了無匙孔攪拌摩擦點焊技術，該技術采用特殊設計的攪拌頭，通過精確控制攪拌頭各部分的相對運動，在攪拌針回撤時，通過軸肩的向下擠壓將焊點金屬回填到匙孔中，從而達到消除匙孔，提高接頭承載力的目的。無匙孔攪拌摩擦點焊方法對焊接設備的要求較高，需要采用專門設計的專機設備，焊接成本較高。
[0006]專利CN101837513A采用補焊方式來消除攪拌摩擦點焊接頭表面的匙孔，從而增大點焊接頭的承載面積，提高接頭承載能力?；靥钍綌嚢枘Σ咙c焊需要在焊后采用消耗式攪拌針對匙孔進行補焊，增加了焊后處理工序。
[0007]有學者提出了攪拌摩擦膠接點焊方法，通過在焊前或者焊后對焊點進行化學膠接，從而增大接頭的承載面積，提高承載能力。該方法能夠增加接頭的承載面積，在一定程度上提高接頭的承載力。但是，化學膠與金屬基材之間并沒有發(fā)生冶金反應，相互之間的結合是通過物理吸附的方式進行的，因此，強度較低，難以滿足需求。
[0008]基于以上分析，本發(fā)明提供一種同步實現鋁/鎂異種材料攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊的方法。該方法能夠增大鋁/鎂異種材料點焊接頭的有效承載面積，顯著提高接頭的承載能力。并且，該方法與傳統(tǒng)攪拌摩擦點焊操作過程相同，在攪拌摩擦點焊的過程中同時實現釬焊和擴散焊，沒有后續(xù)工序，操作簡便。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明是這樣來實現的，一種同步實現鋁和鎂異種材料攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊的方法，其特征步驟如下: 步驟1、將鋁板和鎂板的接觸表面及周圍清理干凈，去除試件表面的氧化膜;并采用酒精或丙酮擦拭鋁板與鎂板的表面，去除油污與雜物；
步驟2、將招板和鎂板搭接固定在一起，在兩板之間添加一厚度范圍為0.lmm-0.5mm的釬料片，薄片兩側分別于鋁板和鎂板接觸；
步驟3、對固定的搭接結構進行攪拌摩擦點焊焊接，焊接過程中，一方面通過攪拌頭上的攪拌針與下方板材的作用，實現鋁板和鎂板的攪拌摩擦點焊;另一方面，在攪拌頭軸肩摩擦產熱和鍛壓力的作用下，貼近攪拌針周圍區(qū)域溫度較高、釬料片融化，鋁板和鎂板之間形成釬焊連接;而離攪拌針稍遠的區(qū)域，在攪拌摩擦的熱力作用下，鋁板/釬料片、鎂板/釬料片之間發(fā)生原子擴散，形成擴散焊接。
[0010]所述上層金屬板為鋁合金板或者鎂合金板，厚度為l-10mm。
[0011]所述下層金屬為鎂合金板或者鋁合金板，厚度為1-10mm。
[0012]所述攪拌頭的攪拌針長度大于上層金屬板厚度。
[0013]本發(fā)明的工作原理是:在旋轉的攪拌頭的軸肩與上板摩擦產熱，和鍛壓力作用下，使接觸界面發(fā)生釬焊和原子擴散連接。焊后的點焊接頭包括三部分:第一部分是攪拌針作用區(qū)域形成的攪拌摩擦點焊區(qū)域;第二部分是軸肩壓力作用下離攪拌針較近的區(qū)域，釬料片熔化，鋁/鎂之間形成釬焊連接;第三部分是軸肩壓力作用下離攪拌針稍遠的區(qū)域，釬料片作為中間層金屬其主要組分在固態(tài)下向鋁板、鎂板擴散，形成擴散焊連接。
[0014]本發(fā)明的效果是:與傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于，在攪拌摩擦點焊的過程中同時實現了釬焊和擴散焊，顯著增大了點焊接頭的有效承載面積，提高了點焊接頭的抗拉剪力，免去了復雜的機械設備和后續(xù)補焊程序。與傳統(tǒng)的擴散焊相比，采用的摩擦熱源是綠色、清潔熱源，焊前不需要嚴格的界面清理準備，焊接耗時、耗能較少。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明中攪拌頭的尺寸圖。
[0016]圖2為本發(fā)明焊接過程示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明焊縫的宏觀形貌圖。
[0018]圖4為采用本發(fā)明獲得的焊點拉伸曲線與普通攪拌摩擦點焊獲得的焊點拉伸曲線圖。
[0019]圖中，I為攪拌頭、2為上層金屬、3為釬料片、4為下層金屬。
【具體實施方式】
[0020]如圖1-4示，本發(fā)明是這樣來實施的，一種同步實現鋁/鎂異種材料“攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊”復合焊接接頭的方法，它包括攪拌頭1、上層金屬2、釬料片3和下層金屬4，其特征是:攪拌頭I的軸肩在保持高速旋轉的同時壓緊上層金屬2、攪拌針穿透上層金屬2并且直接與下層金屬4接觸，攪拌頭I與上層金屬2相互摩擦產生的熱量經過上層金屬2的傳導至釬料片3;釬料片3在界面處與上層金屬2和下層金屬4壓緊貼合，實現元素擴散、形成擴散焊焊縫，離攪拌針近的區(qū)域溫度高、釬料片熔化形成釬焊接頭。同時，下層金屬4在攪拌頭的作用進入上層金屬2中，形成攪拌摩擦焊焊縫。
[0021]所述的釬料片厚度小于0.5mm、熔點低于450°C。所述攪拌頭為傳統(tǒng)攪拌摩擦焊用攪拌頭，攪拌針長度大于上層金屬板厚度，材料為鎳基合金或者Hl 3鋼。
[0022]現結合焊接實例對本發(fā)明進一步進行闡述。
[0023]厚度為3mm的2A14鋁合金和4 mm的AZ31鎂合金異種金屬攪拌摩擦點焊。焊接試板尺寸均為長150 mm、寬40 mm，搭接寬度40 mm，所采用釬料片為0.2 mm鋅基釬料片，尺寸為80 mmX40 mm。用經改裝過的X53K型搖臂銑床進行焊接，焊接用攪拌頭的尺寸為，軸肩直徑20 mm、攪拌針長度3.5 mm。
[0024]具體焊接工藝如下:
焊前用乙醇將鋁合金板和鎂合金板表面的油污清洗干凈，用1000目砂紙打磨Zn片表面，然后用乙醇擦拭，吹干，待用。
[0025]將鎂合金板、鋅基釬料片、鋁合金板從下往上的順序依次放好，鎂合金和鋁合金的搭接寬度為40 mm。
[0026]焊接時的參數為:旋轉速度950r/min、焊接時間10s、下壓量2 mm，焊接完成后松開夾具，取出焊接試樣。
[0027]以鋅箔作為中間合金的攪拌摩擦點焊一擴散焊復合焊接方法獲得的焊接接頭的拉剪力為8 kN，遠高于同樣條件下攪拌摩擦點焊焊接接頭的抗拉剪力(4.2 kN)0
【主權項】
1.一種同步實現鋁和鎂異種材料攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊的方法，其特征步驟如下: 步驟1、將鋁板和鎂板的接觸表面及周圍清理干凈，去除試件表面的氧化膜;并采用酒精或丙酮擦拭鋁板與鎂板的表面，去除油污與雜物； 步驟2、將招板和鎂板搭接固定在一起，在兩板之間添加一厚度范圍為0.1mm-0.5mm的釬料片，薄片兩側分別于鋁板和鎂板接觸； 步驟3、對固定的搭接結構進行攪拌摩擦點焊焊接，焊接過程中，一方面通過攪拌頭上的攪拌針與下方板材的作用，實現鋁板和鎂板的攪拌摩擦點焊;另一方面，在攪拌頭軸肩摩擦產熱和鍛壓力的作用下，貼近攪拌針周圍區(qū)域溫度較高、釬料片融化，鋁板和鎂板之間形成釬焊連接;而離攪拌針稍遠的區(qū)域，在攪拌摩擦的熱力作用下，鋁板/釬料片、鎂板/釬料片之間發(fā)生原子擴散，形成擴散焊接。2.根據權利要求1所述的一種同步實現鋁/鎂異種材料攪拌摩擦點焊-擴散焊的方法，其特征在于:所述上層金屬板為鋁合金板或者鎂合金板，厚度為l-10mm。3.根據權利要求1所述的一種同步實現鋁/鎂異種材料攪拌摩擦點焊-擴散焊的方法，其特征在于:所述下層金屬為鎂合金板或者鋁合金板，厚度為1-10 mm。4.根據權利要求1所述的一種同步實現鋁/鎂異種材料攪拌摩擦點焊-擴散焊的方法，其特征在于:所述攪拌頭的攪拌針長度大于上層金屬板厚度。
【文檔編號】B23K20/24GK105834608SQ201610342740
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】陳玉華, 謝吉林, 曹文明, 劉東亞
【申請人】南昌航空大學