CN101530947B - 一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法：将硬度小的板材作为覆层金属板，硬度大的板材作为基层金属板，以搭接形式水平固定于工作台面上；在上/基层金属板之间预置能与两板之一发生共晶反应的软钎料；在覆层金属板上空设置一无针式圆柱摩擦工具；使无针圆柱摩擦工具旋转并压下与覆层金属板表层紧密接触但不穿透覆层金属板，然后或原地旋转，或边旋转边沿覆层金属板材表面向前移动；利用摩擦热使钎料熔化，促使上/基层金属板材均向钎料中快速溶解，以获得良好的界面接合；并挤出多余钎料，形成薄而致密的钎缝；从而制得双金属复合板。与炉中钎焊相比，具有高效、节能、可导入压力、无需钎剂与保护气体、高温停留时间短。

Description

一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法

技术领域

本发明属于焊接领域，涉及一种搅拌摩擦钎焊的方法。

背景技术

双金属材料是由材质不同的由基材与覆材组成的，两者之间的结合强度取决于其焊接质量。由于基材与覆材之间的焊接属于异种金属之间的焊接，所以在焊接界面很容易出现脆性金属间化合物。为了抑制金属间化合物的厚度，常采用适于大面积焊合的固相焊接方法。目前，工业中常用的有轧制复合法(也称压延法)、爆炸焊复合法、扩散复合合法等。其中最常用的是爆炸焊复合法与轧制复合法。爆炸复合法的缺点有：对环境、管理、操作的安全性有严格要求；对生产单位的资质有严格要求，限制了其在一般生产单位的广泛应用；边部较大区域的焊接质量差，焊后需切除；安全性差，噪声大；不适于较小面积板材的制备或小面积焊接的工况，灵活性差。轧制复合法又分热轧法与冷轧法。热轧法的工艺流程一般为：先对母材四周预先进行封闭焊接→放入密闭容器内→排气→加热→压延。热轧法的优点在于高温下材料屈服强度低、对轧机要求低；缺点在于需采取复杂的且高成本的防止界面氧化措施、能耗大、金属间化合物易增厚。冷轧法的工艺流程一般为：表面处理→轧制复合→退火强化。冷轧复合法虽有利于防止界面氧化，但仅实现新生界面间的紧密接触还不足以形成稳定、牢固的界面结合，轧后还需进行扩散热处理，以促使原子相互扩散，进一步强化并稳定结合性能；另外，冷轧复合法对材料的塑性有要求，否则，在大压下率的情况下可能出现裂纹。

由铝材与异种金属材料(如钢或不锈钢)组成的双金属复合板结合了两种材料的优点，在防腐、耐磨场合有广阔应用前景。目前，铝/钢(Al/steel)双金属复合板主要采用“冷轧+轧后扩散”方法制备。如上所述，对于冷轧方法，在确保界面致密性的前提下，如何降低轧制压力，特别是如何能免除轧后扩散热处理(以便缩短流程、节约能源)应是新方法的突破口。可行的对策是在上/下板之间预置合适的钎料，利用钎料熔化后所得的液相易于流动的特点填充界面空隙，获得致密界面；同时，利用液相对母材的溶解作用破除母材表面氧化膜，获得洁净界面。

然而，对于Al/steel复合系，其钎焊技术，特别是炉中钎焊存在相当大的难度，较为理想的钎焊技术尚未确立，世界各国均在竞相开发之中。众所周知，对于铝材与较强异种金属材料(如Al/steel、Al/Ti、Al/stainless steel、Al/Cu)焊接，由于传统电弧焊无法避免脆性金属间化合物的形成，因此，电弧焊不能用于铝材与上述较强异种金属材料的焊接，因而钎焊成为铝材与异种金属材料焊接的主要工艺方法。这主要是由于钎焊具有加热温度低、可避免母材熔化，因而有利于避免脆性金属间化合物。特别在薄板的焊接方面、熔焊可焊性差铝材的焊接方面，钎焊仍有很强的生命力。决定铝与异种金属材料钎焊成败的关键在于：(A)铝材表面氧化膜的破除情况(氧化铝膜熔点高、致密、高温稳定性强，难以破除)；(B)界面金属间化合物的抑制情况。

但是，无论是现行的炉中钎焊(Furnace Brazing)，还是发达国家积极研发的激光钎焊(Laser Brazing)，都存在诸多明显的缺点。

传统电阻炉炉中钎焊存在如下显著缺点(主要是冶金质量可控性差)：

(1)能耗高：其主要原因在于热源来自于大电流流经发热体(如钼片、石墨等)的焦耳热，而工件依赖发热体的辐射被间接加热；而且被加热区为整个工件，无法实现仅对焊接区的局部加热。此外，发热体的辐射热并非能全部用于加热工件，水冷炉壁的大面积散热也是降低热效率的重要原因。

(2)加热/冷却速度慢，耗时长：其原因在于升温过程中，一方面工件依赖发热体的辐射被间接加热，另一方面炉膛的热惯性大，两者均限制了工件的快速升温；降温过程中，同样因炉膛的热惯性大，且工件为整体加热，两者均使冷却速度缓慢。缓慢的加热/冷却速度使接头的实际高温停留时间被延长(可控性差)，易使界面处生成的脆性金属间化合物过度增厚，接头随之脆化。

(3)需钎剂、真空或氩气保护：这些措施虽有利于破除铝表面的氧化膜；改善钎料对铝基体的润湿性；防止钎焊过程中出现新的氧化；但会增大生产成本。

(4)由于熔融钎剂、钎料(Al-Si)紊乱而不均匀的宏观填缝流动，形成夹气、夹渣类致密性缺陷，实际钎着率低(如铝/不锈钢的钎着率只有60-70％)。

(5)铝基钎料对铝材及钢材的润湿及扩散能力不同，导致两侧界界面焊合情况不均匀。

在上述炉中钎焊缺点中，缓慢的加热/冷却速度易使金属间化合物过度增厚正是传统炉中钎焊不适于铝材与异种金属材料钎焊的根本原因。如上所述，这是由于缓慢的加热/冷却速度使接头的实际高温停留时间过长所致。为此，铝材与异种金属材料钎焊新工艺的开发应着眼于：(A)在加热方面，如何有效缩短实际高温停留时间，或尽量降低钎焊温度。但降低温度的潜力有限(要保证润湿性)，可行的途径是缩短高温停留时间，而这一点恰是炉中钎焊的弱项所在。(B)在冶金设计方面，如何优化钎料合金系来抑制金属间化合物，同时确保铝材表面氧化膜的顺利破碎。

近年来，法国、德国、日本均开发了激光钎焊技术，主要思路是利用激光能源具有可控性优良、加热区域窄、加热/冷却速率快的独特优点，有利于抑制脆性金属间化合物过度增厚；同时也有利于抑制母材组织劣化与接头变形。但是，以激光为加热能源的激光钎焊存在如下显著缺点：

(1)需要钎剂、保护气体：增大了生产成本

(2)能源利用率极低：铝材对CO₂激光的反射率高，吸收率不足2％

(3)此外，设备投资昂贵，且激光器寿命有限。

上述缺点限制了激光钎焊在我国普通工业领域的推广。

最近，值得关注的动向是，日本(大阪大学、东京工业大学与新潟大学)及国内一些学者为避免铝材与异种金属材料熔焊中常出现的脆性金属间化合物，尝试采用了“搭接搅拌摩擦焊(Friction Stir Lap Welding，FSLW)”工艺(搭接接头可增大接合面积，一般优先用于界面接合性能较弱的场合)。虽接头性能尚可，但其缺点可归纳如下：(1)搅拌头针部的端头磨损严重，这是由于为了破除界面氧化膜，针的端部要穿透上部的铝材并伸入下部钢材内部(一般距离钢材表面约0.1mm处)，显然，针的端部由于与较硬的钢材直接接触而被加速磨损；(2)对搅拌头压入深度的控制要求较严；(3)在焊缝末端残留有宽而深的匙孔。可见，搅拌摩擦焊并非万能的，它仅适于Al/Al类组合，不适于Al/steel类组合。当母材之一是远比Al硬的钢材时，钢对针的直接摩擦所引起针的严重磨损及其使用寿命的显著缩短将成为搅拌摩擦焊应用于Al/steel类母材组合的致命性技术障碍。国内外尚无克服此技术障碍的报道。

Al/steel的搭接搅拌摩擦焊的难点主要包括如下几个方面：(1)钢的屈服强度高，在同样的焊接温度下(一般约400～500℃)，钢材难以软化、变形，影响界面结合；更为严重的是，较硬钢材与搅拌头的直接摩擦将导致工具(针)的严重磨损。(2)线膨胀系数的差别大，在冷却过程中铝的自由收缩量大，导致界面产生剪切应力(平行于界面)以及界面边缘易产生使界面剥离的残余拉应力(垂直于界面)。(3)热输入过大或过度搅拌易产生金属间化合物(IMC)。其主要问题在于针的磨损，冶金相容性问题为次要问题。

基于上述分析，针对传统炉中钎焊的缺点(能耗高、加热过程耗时长、需钎剂或真空保护)以及激光钎焊成本高的缺点(投资大、能效低、需钎剂与保护气体)，为节约能源、快速加热、免用钎剂或保护气体，必须寻求直接、快速并能压紧贴合面而防止空气侵入的加热方法。为此，本发明提出了采用绿色、节能、加热区域集中的“摩擦热”作为热源的加热方法；同时，在具体获得摩擦热的途径方面，针对硬质板材与工具间的摩擦会严重影响工具使用寿命这一难点，大胆提出了采用“无针柱状”工具的设计思路；进而在摩擦工具的设计及焊缝外观光滑成形方面、摩擦工具安装方面、压入位置方面、钎料设计方面、氧化膜破除方面、特别在抑制金属间化合物过度增厚方面以及改善界面致密性方面，均提出了系列新设计思路。循此新思路，则完整地建立了面向薄板铝材的“搅拌摩擦钎焊”(Friction Stir Brazing，FSB；或Friction Stir Soldering，FSS)新技术。

从应用前景看，搅拌摩擦钎焊的典型应用场合可分两类：(1)用于薄板铝材与较硬异种金属材料的搭接连接，这是其基本应用。在汽车、轻轨车辆等运输机械行业有应用前景。(2)当采用更大直径的无针柱状工具或进行多道搅拌摩擦钎焊时，便可用于制备大面积的“双金属复合板”(bimetal composite plate)。以钢/铝双金属复合板为例，这种双金属复合材料在轻轨电车导电轨、电磁炊具、军用装备散热器等方面的应用方兴未艾，潜力巨大。与传统制备双金属复合材料技术(包括如界面结合差的爆炸焊、热轧、挤压、滚压、扩散等固相焊复合技术；难于抑制脆性金属间化合物的激光熔覆、电弧堆焊、等离子喷焊技术等熔焊复合技术)相比，该工艺可视为一种虽采用机加工工艺，但可获得冶金结合的制备“双金属复合板”新技术。它具有如下明显优势：简便、绿色、节能、高效、界面结合致密且均一(得益于特选钎料的溶解及其破膜作用)、防剥离与滑移性好(得益于冶金结合)。

发明内容

本发明的目的及基本内容之概要

本发明的目的在于设法克服铝材与异种金属(如Al/steel、Al/Ti、Al/stainless steel、Al/Cu)现行炉中钎焊的缺点(耗能高；耗时长；需钎剂或氩气或真空环境；整体加热；加热/冷却速度缓慢；高温停留时间长；难以有效抑制脆性金属间化合物过度增厚)，为此，提出一种以“摩擦热”为热源并采用“无针柱状”工具的“搅拌摩擦钎焊”技术；在此基础上研发一种基于钎焊技术制备双金属复合板的新型方法——搅拌摩擦钎焊法。

一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法，将覆层金属板1和基层金属板2以搭接形式水平固定于工作台面上；在覆层金属板1和基层金属板2之间预置能与两板之一发生共晶反应的钎料3；设置于覆层金属板1上表面的摩擦工具4为无针式圆柱摩擦工具，无针圆柱摩擦工具4与两板材法线间的倾斜角度为1-5°；使无针圆柱摩擦工具4旋转并缓慢压下，直至无针圆柱摩擦工具4端部与覆层金属板1上表面相接触；然后使无针圆柱摩擦工具4在覆层金属板1上表面原地摩擦或沿焊接方向移动，利用摩擦热使钎料3熔化，促使覆层金属板1、基层金属板2向钎料3中快速溶解以获得良好的界面接合；并挤出多余的钎料3，形成薄而致密的钎缝；从而制得双金属复合板。

所述覆层金属板1的厚度为1-5mm。所述覆层金属板1为铝板、镁板、锌板、铜板或钛板，所述基层金属板2为钢板、铝板、镁板、锌板、铜板或钛板，覆层金属板1的硬度小于等于基层金属板2的硬度。所述钎料3为Zn基软钎料，Zn基软钎料厚度为10-100微米。

所述无针圆柱摩擦工具4端部边缘形状为为：无倒角、有倒角或浅台阶。所述无针圆柱摩擦工具4直径为覆层金属板1厚度的5-10倍。

所述双金属复合板利用多道搅拌摩擦钎焊可制得大面积的双金属复合板。

一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法，将覆层金属板1和基层金属板2以搭接形式水平固定于工作台面上；在覆层金属板1和基层金属板2之间预置钎料3；设置于覆层金属板1上表面的摩擦工具4为无针式圆柱摩擦工具，无针圆柱摩擦工具4与两板材法线间的倾斜角度为1-5°；使无针圆柱摩擦工具4旋转并缓慢压下，直至无针圆柱摩擦工具4端部与覆层金属板1上表面相接触；然后使无针圆柱摩擦工具4在覆层金属板1上表面原地摩擦或沿焊接方向移动，利用摩擦热使钎料3熔化，促使覆层金属板1、基层金属板2向钎料3中快速溶解获得良好的界面接合；并挤出多余钎料3，形成薄而致密的钎缝；从而制得两层双金属复合板；再将两层双金属复合板的硬度高的面作为基层金属板2，在基层金属板2上搭接覆层金属板1并在其间预置钎料3，重复上述搅拌摩擦钎焊过程，从而制得三层双金属复合板。

本发明主要技术构思方案及其原因

加热方法方面：针对传统炉中钎焊的缺点，为节约能源、快速加热、免用钎剂或保护气体，必须寻求直接、快速并能压紧贴合面而防止空气侵入的加热方法。为此，本发明提出了采用绿色、节能、加热区域集中的“摩擦热”作为热源的加热方法。

具体获得摩擦热的途径方面：采用无针圆柱工具/工件间的摩擦热代替传统摩擦焊中工件/工件间的摩擦热。搅拌摩擦钎焊所用的工具不同于一般搅拌摩擦焊所用的工具，其特征在于“无针”。无针柱状摩擦工具具有三方面的优点：(1)简化了摩擦工具的设计与制作；(2)避免了针的磨损；(3)可消除传统搅拌摩擦焊工艺残留的匙孔(或称尾孔)。

摩擦工具端部(肩部)直径设计方面：搅拌摩擦钎焊工艺中，肩的直径决定了有效搭接距离、接合面积及焊缝表面成形粗糙度，推荐肩的直径取5～10倍板厚；若过小则焊缝表面成形粗糙；过大则造成不必要的浪费及应力集中。若对表面质量要求高，则在搅拌头周边适当加工微小台阶，以磨平被挤出的飞边。当用于制备双金属复合板时，摩擦工具的直径可更大。

摩擦工具安装与压力的导入方面：要求摩擦工具相对于工件表面法线方向应适当倾斜(1～5°)。当肩倾斜后，随工作台水平移动而产生的肩与工件表面之间的水平挤压力可以产生一垂直于肩部端面的附加分压力，这样便可“兼顾”在水平方向与垂直方向均有适当的挤压力(特别是后者)，这将有利于摩擦生热、锻压效应、焊缝内部前/后塑化层间以及上/下板与钎料间的紧密接触、界面氧化膜的机械破碎；特别是有利于挤出多余低熔点液态金属，从而为改善钎缝致密性与钎缝强度创造了有利条件。

压下位置方面：肩部仅需与位于上板位置的铝材表面完全接触即可，以确保最大摩擦加热面积；无需压入过深，这样即可避免上板减薄，又可避免残留匙孔；更无须穿透上板而与下板相接触、或伸入下板内部表层区，以避免较硬的下板材料与较硬的钢材的直接接触，从而可避免工具的磨损，并消除传统搅拌摩擦焊接头末端出现的匙孔。

钎料选择与焊接界面氧化膜破除方面：基于铝钎焊时，其表面存在的致密、稳定、高熔点的氧化铝膜的破除是钎焊成功的首要前提条件这一要求，进一步考虑到选用无针工具时，焊接界面氧化膜的机械式破除效果将受到影响，故提出通过“冶金措施”来破除界面氧化膜的技术路线，即利用钎料与母材的共晶反应与钎料对母材的溶解来破碎并分散母材表面除氧化膜。为此，对所用钎料有如下3点要求：(A)能与铝母材发生共晶反应，且共晶反应温度范围在400-500℃范围内(此温度范围为一般搅拌摩擦焊所能达到的加热温度)；(B)与铝的冶金相容性好，即不与铝在室温下形成金属间化合物；(C)对另一较强母材钢材润湿良好并有适当的溶解度。因此，推荐采用熔点较低且不与Al形成金属间化合物的Zn及Zn基合金箔带作钎料。

最终，依据上述分析与设计思路，本发明确立的搅拌摩擦钎焊工艺的具体操作步骤概述如下：

将上板材和下板材以搭接形式(异种材料焊接时将强度较低的铝材置于上板位置；将强度较高的钢、铜等置于下板位置)固定于工作台面上，搭接距离略大于摩擦工具直径；在两板之间预置能与铝材发生共晶反应的Zn基箔带(几～几十微米厚)。采用直径约为铝板厚度5～10倍的无针柱状搅拌头(可用工具钢等较硬材料制备；若对表面质量要求高则在搅拌头周边适当加工微小台阶)，将其相对于垂直方向倾斜1～5°安装于机头上。启动无针圆柱摩擦工具旋转，并缓慢压下，直至工具肩部完全与上板(铝材)相接触，无须穿透上板，然后启动工作台开始移动，随着相继快速发生的Zn钎料的熔化、母材的快速溶解、氧化膜的破碎与分散、多余液态金属的挤出，即可获得上/下待焊界面间致密的连接，从而避免了较强下板对搅拌头的直接磨损、宽而深的尾孔以及传统钎焊耗时、耗能、金属间化合物过度增厚等多种缺点，完成搅拌摩擦钎焊。

本发明相对传统技术的优点

本发明相对于现行炉中钎焊技术，具有以下优点：

本发明所提出的搅拌摩擦钎焊在生产管理方面，省去了钎剂、保护气体、节能环保，显示了其低成本、高生产率、低消耗与简捷性的优势。更为重要的是，在接头质量改善方面具有以下四大优点：

(1)高温停留时间短：利用摩擦热进行局部加热并可实现快热/快冷，这一方面有利于提高生产率，更为重要的一面是缩短了高温停留时间短，有利于抑制脆性金属间化合物的过度增厚。

(2)钎缝致密性好：通过倾斜安装工具可导入竖向分压力，进而强化挤压效应，这十分有利于改善搭接接头致密性。

(3)界面均一性好，钎着率高：预置钎料、压力的导入、母材快速溶解三方面的因素可改善固/液界面润湿性，破碎氧化膜，避免普通钎焊宏观填缝过程中出现的“大包围”与“小包围”现象。

(4)可挤出多余液态钎料，限制金属间化合物过度增厚：正是由于搅拌摩擦钎焊具有可导入压力这一普通炉中钎焊所不具备的明显优势特征，因而可挤出多余钎料，从而可避免母材过度溶解，最终有利于减小残留金属间化合物厚度。

所以，从焊接质量保证方面看，搅拌摩擦钎焊也尤为适于铝材与较硬的异种金属材料的钎焊。

另一方面，考虑到搅拌摩擦焊在国内外业界的强势影响，在此，有必要更清楚、全面地论述搅拌摩擦钎焊相对于搅拌摩擦焊的特征及显著改进效果，以便充分展示两者的区别。在搅拌摩擦钎焊中，针对搭接焊接上/下界面混合困难、较硬母材对针端部的摩损严重这两大难点，提出了采用无针搅拌头与共晶反应冶金作用这两项措施来综合改善界面结合致密性的技术思路。对于搅拌摩擦焊与搅拌摩擦钎焊两者间的区别，综合分析如下：

(1)接合机理不同：用母材的快速溶解(搅拌摩擦钎焊的主要机理)代替了母材的强烈塑性流变与再结晶(搅拌摩擦焊的主要机理)，免除了传统搅拌摩擦焊中要求硬质母材也发生塑性变形的苛求，进而也免除了对设备加压、加热能力的苛求。

(2)所用工具不同：大胆采用无针工具带来三方面的优点：简化了摩擦工具的设计与制作；避免了针的磨损；消除了残留尾孔(也称匙孔或拔出孔)，改善了外观平整度。但应注意具体实施时，考虑到在“无针”情况下，无法用机械方式破除氧化膜(传统搅拌摩擦焊的主要破膜方式)，为保证界面间的紧密接触与破膜，提出下述两方面的配合措施：其一，通过冶金措施成功实现上/下界面间的密合、溶解、破膜；其二，通过摩擦工具的倾斜安装来强化竖向挤压效果，保证了上板/钎料/下板三者之间的紧密接触，为摩擦热的产生、传导、界面的活化、冶金反应的顺利实现，特别是为界面致密化、多余液态金属的挤出以及限制金属间化合物的厚度创造了有利条件。

(3)延长了工具使用寿命：通过三方面措施避免搅拌头端部的磨损：采用无针柱状工具，取消了较细而弱的针；工件装配(屈服强度低的铝材置于上部，高强耐磨的钢材置于下部)；限制压入深度(只需保证搅拌头断面与上板表层完全接触即可，无需穿透上板，避免了与高强耐磨母材的直接接触)。

(4)适用的材质范围不同：传统搅拌摩擦焊仅适于Al/Al类较软母材焊接的情况，无法实现对钢材的焊接。而搅拌摩擦钎焊中工具与较硬的钢材之间无需接触，利用母材的溶解代替了高硬度母材的塑性变形与再结晶，尤为适于母材中有一种为铝材，而另一种为钢材(或其他高强耐磨母材)的情况，解决了钢材焊接的难题，对材质的适应范围更广。

(5)改进效果的显著性：

首先，外观方面：消除了尾孔。而搅拌摩擦焊焊缝末端的尾孔必须封填或割除。

其次，组织与性能方面：液相的出现使母材迅速溶解，这样，即使较硬的高强耐磨母材不发生塑性变形也能实现界面间的致密化与冶金连接；获得了拉剪测试时断裂位置位于母材铝板上而非铝/钢原始界面的高强度接头。

再次，工具寿命与制作方面：工具制作简便；不与高强耐磨母材直接接触而延长了工具的使用寿命。

附图说明

图1本发明的原理示意图；

图2工具直径的设计取值对表面成形的影响；

图3无钎料加入情况下铝/钢搭接搅拌摩擦焊接头外观与断口形貌；

图4搅拌摩擦钎焊接头外观与末端；

图5倾斜安装工具可强化锻压效应图；

图6倾斜安装工具可导入焊接压力的受力分析图；

图7搅拌摩擦钎焊接头断裂于铝板母材内而非待焊界面的测试结果图；

图8-a搅拌摩擦钎焊接头钎缝中心区的扫描电镜组织图；

图8-b搅拌摩擦钎焊接头钎缝中心区的扫描电镜组织图；

图8-c搅拌摩擦钎焊中铝、钢母材均能被快速溶解且锌被挤出的能谱线扫描结果图；

图8-d搅拌摩擦钎焊接头钎缝边部区域的扫描电镜组织图；

图9多道搅拌摩擦钎焊制备的较大复合面积(140mm×38mm)的Al/steel双金属复合板的原始外观图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

具体实施方式：参见图1，一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法，将覆层金属板1和基层金属板2以搭接形式水平固定于工作台面上；在覆层金属板1和基层金属板2之间预置能与两板之一发生共晶反应的钎料3；设置于覆层金属板1上表面的摩擦工具4为无针式圆柱摩擦工具，无针圆柱摩擦工具4与两板材法线间的倾斜角度为1-5°；使无针圆柱摩擦工具4旋转并缓慢压下，直至无针圆柱摩擦工具4的端部与覆层金属板1上表面相接触；然后使无针圆柱摩擦工具4在覆层金属板1上表面原地摩擦或沿焊接方向移动，利用摩擦热使钎料3熔化，促使覆层金属板1、基层金属板2向钎料3中快速溶解以获得良好的界面接合；并挤出多余钎料3，形成薄而致密的钎缝；从而制得双金属复合板。

所述覆层金属板1的厚度为1-5mm。所述覆层金属板1为铝板、镁板、锌板、铜板或钛板，所述基层金属板2为钢板、铝板、镁板、锌板、铜板或钛板，覆层金属板1的硬度小于等于基层金属板2的硬度。所述钎料3为Zn基软钎料，Zn基软钎料厚度为10-100微米。

所述无针圆柱摩擦工具4端部边缘形状为：无倒角、有倒角或浅台阶。所述无针圆柱摩擦工具4直径为覆层金属板1厚度的5-10倍。

本发明中所用母材为市售1.8mm厚的纯铝板与低碳钢板。将两母材各自的焊接面用400-600#砂纸打磨，以获得洁净界面。装配时，为了避免较硬母材对搅拌头(工具)的磨损，装配时将屈服强度低、硬度低的Al板置于上侧；将屈服强度高、硬度高的钢板置于下侧。

依据上述发明内容中对钎料选择的3点要求，选市售0.1mm厚Zn薄片作为钎料。具体原因在于：(1)Zn的熔点较低(420℃)，有利于在有限的摩擦热作用下被熔化。(2)更低的Al-Zn共晶反应温度(380℃)有利于Al的早期溶解及破膜；富Zn低铝的共晶反应成分(95Zn-5Al)有利于在更广的待焊范围内顺利实现界面致密化，从而提高焊合率。(3)由Al-Zn二元相图可知，Al与Zn在室温下不形成金属间化合物，有利于防止Al-Zn界面脆化。

搅拌头设计为的无针圆柱体。“无针”是本发明提出的搅拌摩擦钎焊所用工具的重要特征，目的在于一方面消除匙孔；另一方面在于避免硬质钢板对针的严重磨损。所用搅拌头采用廉价的45钢制备。在研究无针柱状搅拌头的直径对接头外观光滑成形、钎料熔化行为的影响规律时，所用搅拌头的直径有以下规格：5、10、15、20mm(约分别对应覆层金属板1厚度的3、5、7、10倍)。在后续试验中，均采用了45钢制备的大直径(20mm，约10倍板厚)无针圆柱工具。

所用设备：普通立式铣床(型号：X52K立式升降铣床；北京第一机床厂生产)。摩擦工具安装方面：摩擦工具相对垂直方向倾斜3°安装，以利于强化挤压效果，挤出多余液态金属。压入深度：要求上板不穿透上部铝板，从而避免了搅拌头与下部较硬钢板的直接接触。实际取压入深度约0.5mm。摩擦工具旋转速度设1180与1500rpm(转/分)两档；工件移动速度设为23.5、75、150mm/min三档。

(1)搅拌头直径的设计原则的实验证明

参见图2，其中图2-a、2-b、2-c分别为采用5、10、20mm搅拌头直径所得搅拌摩擦钎焊接头(转速1180rpm)焊缝表面的成形状况。可以看出，搅拌头直径的设计取值对焊缝表面成形的光滑与否有显著影响。搅拌头的直径设计过小(5mm)时，不仅焊缝表面成形粗糙，而且Zn层难以熔化，界面结合极差。当搅拌头的直径在10mm以上时，方可保证表面成形光滑。可见，轴肩兼具保证焊缝表面光滑成形与摩擦加热双重作用。

由此可知，搅拌头直径的设计取值不能照搬普通钎焊中搭接长度的推荐值：普通钎焊中搭接长度常取板厚的3倍，而搅拌摩擦钎焊要求肩的直径取板厚的5～10倍。这是由于传统炉中钎焊的温度取决于加热体的发热及炉膛温度而与搭接长度无关，而搅拌摩擦钎焊过程中，焊接温度强烈地依赖于搅拌头的直径(决定了摩擦线速度与加热区域的面积)。当搅拌头直径过小时，例如，搅拌头直径若按钎焊常推荐的搭接长度取值时，将导致两大问题：一是焊缝表面成形粗糙；二是钎料难以被顺利熔化，无法实现连接。其原因在于较小的直径降低了工具旋转时的线速度，从而导致热输入不足，表面变形金属的流动性变差；焊接界面温度也低，钎料(即使是易于熔化的Zn)难以熔化。

因此，搅拌头直径的设计原则是宜粗不宜细。这一设计原则十分有利于制备双金属材料的工况，因为更粗的直径一方面有利于表面成形的光滑，另一方面也有利于提高双金属复合材料的制备效率。但是，对于搅拌摩擦钎焊搭接接头，为避免过长的搭接长度造成的不必要的浪费，搅拌头的直径或搭接长度不宜过大，只要所取直径足以使焊缝表面成形光滑并能同时确保钎料顺利熔化即可。

(2)无中间层情况下Al/steel搭接接头直接焊接困难性的证明

参见图3，其中图3-a与3-b分别为采用无针柱状搅拌头所得铝/钢搭接搅拌摩擦焊接头(无任何中间层)的外观与断口照片。在外观方面，尽管在后侧(RS)出现了飞边，但焊缝表面本身光滑，且无尾孔，可见表面成形良好。同时，由于搅拌头并不与下部的钢板相接触，便可自然避免摩擦工具端部的严重磨损。但是，试样焊后末端存在宽约1mm的“张口”；在进行拉剪测试前，用手便可掰开接头；接头沿原始待焊界面断开，断口光滑，彼此无粘着。即使将转速调到最快(1500rpm)，两板也不能焊上。这些结果都表明铝/钢搭接接头直接进行搭接搅拌摩擦焊十分困难。该结果利用反证法说明了预置钎料的必要性

采用无针工具、且不加无中间层而直接进行铝/钢搭接搅拌摩擦焊十分困难的原因在于：(1)钢的屈服强度高，在同样的焊接温度下(一般约400～500℃)，钢材难以软化、变形；且Fe熔点高、相变温度高，Fe原子难以激活；因此导致铝/钢之间的紧密接触、混合以及固态结合都难以实现。(2)线膨胀系数的差别大，在冷却过程中铝的自由收缩量比钢大，导致界面产生剪切应力(平行于界面)以及界面边缘易产生使界面剥离的残余拉热应力(垂直于界面)。(3)“针”的取消虽然可避免钢材对其的磨损，延长工具使用寿命并消除了匙孔，但是由此导致新的矛盾，即界面破膜与混合变得困难。因此，在母材之一为坚硬钢材且使用无针工具的特殊情况下，为了在免用更大压力、更大转速(甚至于超出设备所提供的条件)的条件下也能实现界面良好接合，必须利用中间层对母材的快速溶解来破除氧化膜并实现界面致密化，从而降低对较硬钢板塑性变形的要求，同时也降低了对设备的苛求，这正是搅拌摩擦钎焊的技术路线。

(3)搅拌摩擦钎焊焊缝外观与焊缝末端特征

参见图4，其中图4-a为焊缝表面整体形貌(搅拌头直径为20mm)，图4-b为焊缝末端放大图。该图反映了采用较大直径工具情况下的若干重要信息：一是Zn钎料完全可以利用摩擦热来顺利熔化(见焊缝末端挤出的钎料珠)，从而确保了成功钎焊所需必要条件的顺利实现；二是在焊缝末端成形方面，可以看到匙孔在此被顺利消除；三是整个焊缝外观成形光滑(包括末端)，仅仅在后退侧出现一些飞边(这些飞边焊后易于消除)；四是工具倾斜安装提高了竖向挤压效果，多余熔化钎料可被挤出，这将既有利于钎缝的致密化，又有利于避免母材过度溶解导致的金属间化合物过度增厚。

另一方面，申请者还用了其他的两种试验钎料(Cu箔与Al-12Si粉末)进行了试验，但其都难以被摩擦热所熔化。这是由于它们自身的熔点以及与铝的共晶反应温度都比较高，单靠磨擦热难以达到之故。

(4)工具的倾斜安装能强化锻压效应、挤出钎料的验证与理论分析

参见图5，由图5可看出，倾斜安装(倾斜角度为3°)情况下，挤入垫板上预钻小孔内变形金属的长度(见图5-a)明显大于垂直安装(倾斜角度为0°)情况下塑化金属挤入长度(见图5-b)，据此可推测出如下重要结论：倾斜安装情况下产生的竖向压力明显大于垂直安装情况下产生的竖向压力。通过重复性试验也的到相同的结果。

参见图6，当工作台(工件)相对于搅拌头水平移动时，在轴肩与工件表面之间产生一水平挤压力(F)。当肩不倾斜而平行于工件表面时，该水平挤压力难以产生其他方向的附加压力；当肩倾斜后，该水平挤压力可以在垂直于肩的方向产生一竖向附加分压力：F_vertical＝F_horizontal·sinα。

值得注意的是，为实现上/下界面间的混合，与常见“对接”搅拌摩擦焊相比，在“搭接”搅拌摩擦钎焊接头焊接中，工具的倾斜更为必要。这是由于，“对接”搅拌摩擦焊中待实现的界面混合属于左/右界面之间的混合，易于实现：即使工具不倾斜，在搅拌头的水平旋转中，也能很好地实现左/右界面间的混合；与之不同的是，“搭接”搭接搅拌摩擦焊中的待实现的界面混合属于上/下界面之间的混合，在搅拌头的水平旋转中，难以实现上/下界面间的混合。由于搭接接头上/下界面间的混合困难，故必须倾斜安装搅拌头，以促使上/下界面间的密合。

应该强调指出，与传统炉中钎焊相比，搅拌摩擦钎焊可以通过倾斜工具导入并强化锻压作用，这是搅拌摩擦钎焊的重要优势，它十分有利于改善接头性能，其原因在于：利用锻压效应，一方面可促进固态下母材/钎料之间的紧密接触，进而有利于防止钎料的氧化，可免用钎剂及保护气体，并促进两者之间的相互作用；另一方面，可以挤出多余液态钎料，既有利于钎缝的致密化，又有利于避免母材过度溶解导致的金属间化合物过度增厚。

(5)搅拌摩擦钎焊接头的断裂特征

参见图7，在保证钎料熔化的前提下，当采用较快的焊接速度时，采用搅拌摩擦钎焊完全可以稳定地获得断裂于上板铝母材内而并非断裂于原始待焊界面的优良接头。这是证明搅拌摩擦钎焊可以获得成功的重要事实依据。在此推荐规范参数为：工具直径20mm；转速1500rpm；焊速75～150mm/min；工具倾角3°(图7即为所得接头断裂位置的照片)。可喜的是，较高焊速既有利于提高生产效率，又有利于提高接头性能。这是由于较高焊速可缩短母材溶解时间，避免母材过度溶解，从而避免金属间化合物过量。相比之下，图3中直接焊接(无中间层)的情况下，接头性能均很差，表现在接头全部沿待焊原始界面断裂。

应注意，在较低焊速情况下(如23.5mm/min)时，接头性能欠稳定，故应避免用较低焊速。其原因在于低焊速时，母材向液相中的溶解时间过长，母材溶解过度，引起金属间化合物过量，特别是当Zn片过厚或过宽时会加剧这一不利情况的出现。

(6)界面与钎缝微观组织特征及接合机理(母材快速溶解)的证明

参见图8的扫描电镜照片及能谱线扫描曲线，可了解界面、钎缝的组织特征、元素分布及接合机理，也可为优化断裂路径、提高接头断裂载荷提供若干可行的改进途径。微观分析表明：(A)无论铝/钎缝界面、钎缝、钎缝/钢界面均致密性良好，无空洞出现。(B)由能谱线扫描曲线可知，焊后所留钎缝主要由Al、Fe元素组成，Zn的含量极少，而大量液态Zn被挤出到钎缝的边缘位置。这表明搅拌摩擦钎焊能获得成功的核心机理在于母材(Al、Fe)能被快速溶解，而母材的溶解十分有利于氧化膜的破碎与界面间的致密化。由于能谱线扫描曲线表明所留钎缝主要由Al-Fe金属间化合物组成，因此，必须限制其厚度。在本试验条件下(采用100μm的较厚Zn片)，焊后钎缝层厚度约10μm，此值接近于一般钎焊接头中所指出的临界厚度，远小于焊前Zn片的原始厚度。能谱线扫描与最终钎缝厚度测试两方面的结果均表明，在搅拌摩擦钎焊中通过倾斜工具而导入锻压力，挤出过量的Zn液，有利于限制母材过度溶解，并进而减小残留钎缝或金属间化合物的厚度；同时，锻压力的作用也十分有利于钎缝本身的致密化。可见，通过导入压力来抑制金属间化合物的厚度并改善钎缝致密性是搅拌摩擦钎焊在质量控制方面优于普通炉中钎焊的重要因素。(C)界面氧化膜破除效果良好，特别是铝表面的氧化膜已由连续膜状变为分散的粒状。只是在铝/钎缝界面处，由于铝较软而钎缝较硬(有Al-Fe金属间化合物而较硬)，在试样研磨中易于被磨损，导致该界面铝材侧在用扫描电镜的二次电子观察形貌时略发黑，但并不代表该界面有残留空洞，也不代表氧化膜未被破碎而成连续膜状存在于界面。可见“界面致密性”与“界面氧化膜破除效果”均较好。(D)基于断裂行为(裂纹的萌生位置、扩展方向、重要影响因素)的观察可在断裂路径优化方面获得以下两点启示：其一，基于过厚的Zn层使钎缝的开裂越趋明显(见钎缝边缘有大量Zn堆积部位的组织)，因此，实际应用中应严格限制Zn箔的厚度；其二，基于裂纹始终在靠近钢材一侧的钎缝内开裂这一特征，为防止裂纹沿直线扩展而应使裂纹在扩展中改变方向，故不宜过度追求钢材表面光滑，反而应对钢材表面进行适度粗化处理(如喷砂，用钢丝刷刷或刻槽等)，以促使裂纹在表面起伏较大处发生改向，从而增大裂纹扩展阻力，提高断裂载荷。另外，应注意残余应力的危害，特别当金属间化合物较厚，而且肩的尺寸较大时。因此，若受条件限制无法获得很薄的Zn箔时，则应该用细肩而不宜用粗肩，以减轻残余应力的危害。

最后，应指出的是，虽然搅拌摩擦焊在国内外业界有强势影响，但搅拌摩擦焊并非万能的：最典型的情况是当母材之一是钢材时(制备双金属板时，常常有一种为较硬的钢材)经典搅拌摩擦焊便难以胜任。其原因在于：若使用普通工具钢制搅拌头，则因工具严重磨损而难以为继(除非采用陶瓷搅拌头，不仅价贵、易碎且市场供货难以保证)；若为了避免工具磨损而采用无针式搅拌头时，则无论如何调整参数，两板界面上无变形、无粘附，界面结合极差，断裂于原始界面。此时，恰好正是搅拌摩擦钎焊的用武之地。当加入锌钎料后，通过活用搅拌摩擦钎焊的思路，以清洁、高效的摩擦热使锌充分液化，通过钎料(Zn)的熔化、母材的快速溶解、氧化膜的破碎与分散、多余液态金属的挤出，即可在待焊上/下界面间获得牢固而致密的焊接，从而完成焊接过程。这样，便同时解决了经典搅拌摩擦焊存在的或工具磨损(有针情况下)，或很容易地沿原始界面开裂(无针情况下)的问题。因此，从应用范围角度看，搅拌摩擦钎焊的适用范围更广，不仅可以用于铝/铝搭接，更适于铝/钢类含有较硬异种材料搭接的工况，是搅拌摩擦焊的重要补充。

当采用更大直径的无针柱状摩擦工具或多道焊时，搅拌摩擦钎焊技术便可用于制备“双金属复合板”(如铝/钢双金属复合板等)。作为成功应用的一个实例，参见图9。图9为搅拌摩擦钎焊制备的较大复合面积(140mm×38mm)的Al/steel双金属复合板的原始外观(未进行任何打磨；采用推荐规范1500rpm×150mm/min；2道焊接)。可见，外观光滑，钎料(Zn)层的熔化与挤出效果良好。这种技术相对于传统的轧制、爆炸焊等方法的特征在于：(1)对设备加工能力与环境安全性无苛求，普通机加设备便可使用，投资小，适合中小企业采用；(2)以高效、无污染的摩擦热为热源，简便高效，节能降耗，绿色环保，而且工具简单、使用寿命长；(3)在常规钎焊过程中有效地导入了压力，有利于获得致密而牢固的界面冶金结合。由于该制备方法可视为一种用普通机加工方法制备双金属复合板的先进技术，这种优势是传统方法所无法比拟的，因此，易于在一般企业推广应用。

Claims (8)

1.一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法，其特征在于：

将覆层金属板(1)和基层金属板(2)以搭接形式水平固定于工作台面上；在覆层金属板(1)和基层金属板(2)之间预置钎料(3)；设置于覆层金属板(1)上表面的摩擦工具(4)为无针圆柱摩擦工具，无针圆柱摩擦工具(4)与两板材法线间的倾斜角度为1-5°；使无针圆柱摩擦工具(4)旋转并缓慢压下，直至无针圆柱摩擦工具(4)端部与覆层金属板(1)上表面相接触；然后使无针圆柱摩擦工具(4)在覆层金属板(1)上表面原地摩擦或沿焊接方向移动，利用摩擦热使钎料(3)熔化，促使覆层金属板(1)、基层金属板(2)向钎料(3)中快速溶解获得良好的界面接合；并挤出多余钎料(3)，形成薄而致密的钎缝；从而制得两层双金属复合板；所述钎料(3)为纯Zn或Zn基软钎料，钎料(3)厚度为10-100微米。

2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法，其特征在于：所述覆层金属板(1)的厚度为1-5mm。

3.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法，其特征在于：所述覆层金属板(1)为铝板、镁板、锌板、铜板或钛板；所述基层金属板(2)为钢板、铝板、镁板、锌板、铜板或钛板；覆层金属板(1)的硬度小于等于基层金属板(2)的硬度。

4.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法，其特征在于：所述钎料(3)为与覆层金属板(1)或基层金属板(2)发生共晶反应的钎料。

5.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法，其特征在于：所述无针圆柱摩擦工具(4)端部边缘形状为：直角、倒角或浅台阶。

6.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法，其特征在于：所述无针圆柱摩擦工具(4)直径为覆层金属板(1)厚度的5-10倍。

7.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法，其特征在于：所述无针圆柱摩擦工具(4)的材料是工具钢。

8.一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法，其特征在于：

将覆层金属板(1)和基层金属板(2)以搭接形式水平固定于工作台面上；在覆层金属板(1)和基层金属板(2)之间预置钎料(3)；设置于覆层金属板(1)上表面的摩擦工具(4)为无针圆柱摩擦工具，无针圆柱摩擦工具(4)与两板材法线间的倾斜角度为1-5°；使无针圆柱摩擦工具(4)旋转并缓慢压下，直至无针圆柱摩擦工具(4)端部与覆层金属板(1)上表面相接触；然后使无针圆柱摩擦工具(4)在覆层金属板(1)上表面原地摩擦或沿焊接方向移动，利用摩擦热使钎料(3)熔化，促使覆层金属板(1)、基层金属板(2)向钎料(3)中快速溶解获得良好的界面接合；并挤出多余钎料(3)，形成薄而致密的钎缝；从而制得两层双金属复合板；再将两层双金属复合板的硬度高的面作为基层金属板(2)，在基层金属板(2)上搭接覆层金属板(1)并在其间预置钎料(3)，重复上述搅拌摩擦钎焊过程，从而制得三层双金属复合板。

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