一種用于異種金屬材料對接的攪拌摩擦焊方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于異種金屬材料對接的攪拌摩擦焊方法，屬于焊接技術領域。
【背景技術】
[0002]攪拌摩擦焊(Frict1n Stir Welding，F(xiàn)Sff)作為一種先進的固相連接技術，它是利用摩擦熱作為焊接熱源，在焊接過程中由一個圓柱體形狀的焊頭(welding pin)伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化，同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接。攪拌摩擦焊具有焊接變形小、殘余應力小，焊接接頭質量高，焊接時無需保護氣體、可消除氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，不產生弧光、煙塵、噪音污染，同時又具有焊接操作簡單、便于自動化焊接等顯著優(yōu)點。
[0003]近些年來，為節(jié)省能源，高速列車、汽車以及航天工程中的輕量化大大提高了鋁鎂合金材料的應用，鋁鎂合金材料的應用必然涉及到鋁-鎂、鋁-鋼、鋁-銅等異種金屬材料之間的連接。現(xiàn)在異種材料的焊接方法大體分為熔焊、釬焊和壓力焊。熔焊不僅易產生金屬間化合物，還會在接頭處產生缺陷以及一些附加產物。而釬焊和壓力焊效率低，對工件的形狀和尺寸有特殊的要求，不適于大批量的生產。所以攪拌摩擦焊是一種較好的異種金屬材料焊接的方法。但異種金屬材料間的攪拌摩擦焊，焊接時存在金屬間固溶度低、熱物理性能差異大等問題，并且兩者之間極易反應生成脆性金屬間化合物，影響異種金屬焊接接頭的力學性能。目前，解決這個問題的方法主要集中在在搭接接頭間添加中間金屬(焊料)的方法。
[0004]中國專利文獻CN103934584A公開了一種適于鋁鋼異種材料搭接的釬焊輔助攪拌摩擦焊方法，在異種材料搭接接頭間添加純鋅或者鋁鋅薄片然后對其進行攪拌摩擦焊接，以消除鋁鋼異種材料搭接接頭中金屬間化合物的產生，提高焊接質量。但搭接接頭的方法浪費材料，焊接質量受中間金屬厚度影響大，可靠性低。因此，為了輕量化和節(jié)省材料，在很多工業(yè)領域，異種金屬材料焊接結構中應盡量減少搭接接頭，而使用對接接頭。對于異種金屬對接接頭的焊接，接頭中金屬間化合物的控制是獲得優(yōu)質接頭的關鍵，目前針對異種金屬主要是直接對接焊，未提出對金屬間化合物的有效控制措施。所以，亟需尋求一種焊接效果好并節(jié)省材料的，可以控制異種材料間金屬化合物的攪拌摩擦焊方法。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種用于異種金屬材料對接的攪拌摩擦焊方法。該焊接方法解決了異種金屬材料焊接時由于容易形成異種金屬間化合物導致的焊接接頭脆化、焊接強度低以及因熱膨脹系數(shù)差異大而造成的焊接接頭的易產生缺陷和性能差等問題。且該焊接方法操作簡單，節(jié)省材料，焊接接頭質量好，擴大了攪拌摩擦焊在異種金屬材料對接焊接中的應用。
[0006]本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的采取的技術方案是:一種用于異種金屬材料對接的攪拌摩擦焊方法，其步驟如下:
[0007]A、在待焊的異種材料的板材一和板材二對接位置處加工坡口，坡口的寬度為
0.5?5_，且小于攪拌摩擦焊設備的攪拌針的直徑，坡口的深度小于板厚；
[0008]B、選取與板材一和板材二材料均不同的，熔點至少低于板材一和板材二中的一種板材的熔點的中間金屬，并將中間金屬加工成所述坡口的形狀，得到塊狀焊料；
[0009]C、清理板材坡口及其周圍區(qū)域，去除表面的氧化物；
[0010]D、將B步得到的塊狀焊料加入到C步的板材的坡口中，進行攪拌摩擦焊焊接。
[0011]本發(fā)明的工作原理是:對異種材料的兩板材開坡口，在坡口部位添加與坡口形狀相同的塊狀焊料；焊接時，一方面軸肩和塊狀焊料以及兩板材表面摩擦產生摩擦熱，另一方面攪拌針與塊狀焊料、兩板材摩擦產生摩擦熱和塑性變形熱，使坡口中的金屬處于熔化或半熔化狀態(tài)，在異種材料之間形成有效的連接，獲得可靠的對接接頭。
[0012]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0013]一、本發(fā)明通過簡單的操作，有效地防止了異種金屬材料直接接觸，從而抑制異種金屬材料之間形成脆性金屬間化合物，使異種金屬材料形成有效的連接，焊接效果好，焊縫成形美觀。
[0014]二、本發(fā)明方法與搭接接頭相比，大大節(jié)省了原材料，節(jié)約了焊接成本。
[0015]三、本發(fā)明方法降低了異種金屬攪拌摩擦焊對接焊接的難度，擴大了攪拌摩擦焊在異種金屬材料對接焊接中的應用。
[0016]進一步，本發(fā)明所述的A步中加工的坡口形狀為V型、Y型或U型。
[0017]這幾種坡口形狀，方便中間金屬的添加以及其在焊接過程中的固定，進一步得到性能優(yōu)良的焊接接頭。
[0018]更進一步，本發(fā)明所述的板材一的的材料為鋁，板材二的材料為鎂、鈦或鋼。
[0019]本發(fā)明所述的中間金屬包括鋅、鎳、錫的純金屬或合金。
[0020]這樣，通過向異種金屬材料鋁-鎂之間加鋅、鋁-鈦之間加鎳、鋁-鋼之間加純鋅或鋁鋅，在對接攪拌摩擦焊時有效地防止了異種金屬材料直接接觸，從而抑制異種金屬材料之間形成脆性金屬間化合物，使異種金屬材料形成有效的連接。
[0021]再進一步，本發(fā)明所述的D步中攪拌摩擦焊焊接的參數(shù)為:下壓量0.1?0.5mm，焊接速度60?150mm/min，旋轉速度為600?1500rpm，焊接傾角為2°?5°，攪拌頭的軸肩直徑為10?20mm，攪拌頭的攪拌針的直徑為3?1mm0
[0022]選取合適的焊接參數(shù)，可避免焊接接頭的缺陷，從而獲得良好的焊接質量；經試驗標明，對于兩板材的材料為鋁-鎂、鋁-鈦或鋁-鋼的對接焊接，上述焊接參數(shù)可獲得質量好且無缺陷的接頭。
[0023]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步描述。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明實施例一中兩板材對接位置處加工坡口并放置塊狀焊料后的結構示意圖。
[0025]圖2為本發(fā)明實施例一攪拌摩擦焊過程的剖視結構圖。
[0026]圖2中，6表示攪拌摩擦焊接過程中，坡口處的中間金屬、板材一和板材二形成的熔融金屬混合物。
【具體實施方式】
[0027]實施例一
[0028]圖1、圖2示出，本發(fā)明的一種【具體實施方式】是:一種用于異種金屬材料對接的攪拌摩擦焊方法，其步驟如下:
[0029]A、在待焊的異種材料的板材一 I和板材二 2對接位置處加工V型坡口，坡口的寬度為0.5?5mm，且小于攪拌摩擦焊設備的攪拌針5的直徑，坡口的深度小于板厚；
[0030]B、選取與板材一 I和板材二 2材料均不同的，熔點至少低于板材一 I和板材二 2中的一種板材的熔點的中間金屬，并將中間金屬加工成所述坡口的形狀，得到塊狀焊料3 ;
[0031]C、清理板材坡口及其周圍區(qū)域，去除表面的氧化物；
[0032]D、將B步得到的塊狀焊料3加入到C步的板材的坡口中，進行攪拌摩擦焊焊接。
[0033]本例中所述的板材一 I的的材料為鋁，板材二 2的材料為鎂、鈦或鋼。
[0034]本例中所述中間金屬包括鋅、鎳、錫的純金屬或合金。
[0035]本例中所述的D步中攪拌摩擦焊焊接的參數(shù)為:下壓量0.1?0.5mm，焊接速度60?150mm/min，旋轉速度為600?1500rpm，焊接傾角為2°?5°，攪拌頭的軸肩4直徑為10?20mm，攪拌頭的攪拌針5的直徑為3?10mm。
[0036]實施例二
[0037]本例與實施例一的步驟基本相同，不同的僅僅是:本例A步的在待焊的異種材料的板材一I和板材二 2對接位置處加工U型或Y型坡口。
【主權項】
1.一種用于異種金屬材料對接的攪拌摩擦焊方法，其步驟如下: A、在待焊的異種材料的板材一(I)和板材二(2)對接位置處加工坡口，坡口的寬度為0.5?5_，且小于攪拌摩擦焊設備的攪拌針(5)的直徑，坡口的深度小于板厚； B、選取與板材一(I)和板材二(2)材料均不同的，熔點至少低于板材一(I)和板材二(2)中的一種板材的熔點的中間金屬，并將中間金屬加工成所述坡口的形狀，得到塊狀焊料(3)； C、清理板材坡口及其周圍區(qū)域，去除表面的氧化物； D、將B步得到的塊狀焊料(3)加入到C步的板材的坡口中，進行攪拌摩擦焊焊接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于異種金屬材料對接的攪拌摩擦焊方法，其特征在于:所述的A步中加工的坡口形狀為V型、Y型或U型。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種用于異種金屬材料對接的攪拌摩擦焊方法，其特征在于:所述的板材一⑴的的材料為鋁，板材二⑵的材料為鎂、鈦或鋼。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種用于異種金屬材料對接的攪拌摩擦焊方法，其特征在于:所述中間金屬包括鋅、鎳、錫的純金屬或合金。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種用于異種金屬材料對接的攪拌摩擦焊方法，其特征在于:所述的D步中攪拌摩擦焊焊接的參數(shù)為:下壓量0.1?0.5mm，焊接速度60?150mm/min，旋轉速度為600?1500rpm，焊接傾角為2°?5°，攪拌頭的軸肩(4)直徑為10?20mm，攪拌頭的攪拌針(5)的直徑為3?1mm0
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于異種金屬材料對接的攪拌摩擦焊方法，其步驟如下：A、在待焊的異種材料的板材一和板材二對接位置處加工坡口，坡口的寬度為0.5～5mm，且小于攪拌摩擦焊設備的攪拌針的直徑，坡口的深度小于板厚；B、選取與板材一和板材二材料均不同的，熔點至少低于板材一和板材二中的一種板材的熔點的中間金屬，并將中間金屬加工成所述坡口的形狀，得到塊狀焊料；C、清理板材坡口及其周圍區(qū)域，去除表面的氧化物；D、將B步得到的塊狀焊料加入到C步的板材的坡口中，進行攪拌摩擦焊焊接。該焊接方法操作簡單，節(jié)省材料，焊接接頭質量好，擴大了攪拌摩擦焊在異種金屬材料對接焊接中的應用。
【IPC分類】B23K20-12, B23K20-24, B23K103-18
【公開號】CN104842062
【申請?zhí)枴緾N201510201881
【發(fā)明人】李達, 肖長源, 張敏敏, 陳兵, 范興文
【申請人】西南交通大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年4月24日