CN101612690A - 一种铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

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Abstract

一种铜－铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法，涉及一种搅拌摩擦焊方法。它解决了现有铜与铝异种材料对接搅拌摩擦焊存在焊缝难于成形的问题。方法：一、装配对中后施加阻隔铝板；二、设定偏移量；三、搅拌头旋转穿过阻隔铝板压入铝板和铜板内，直至搅拌头的轴肩与阻隔铝板上表面接触，然后移动搅拌头进行焊接，焊接后卸下焊接件，即完成铜－铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊。本发明中通过施加阻隔铝板，阻止铜、铝在轴肩表面附近的流动混合，保证搅拌头轴肩只与铝板相接触，避免了搅拌头轴肩与被焊材料的粘连问题，因而能够获得表面成形良好且无内部缺陷的搅拌摩擦焊缝，且本发明工艺简单，易于实现。

Description

一种铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊方法。
背景技术
搅拌摩擦焊属于固相连接方法，已成功应用在同种材料的连接上，而对于异种材料的连接，尤其是熔点相差较大的铜-铝异种材料的对接时，由于铜-铝混合作用使搅拌头轴肩发生粘连导致焊缝难于成形，接头性能变差。例如，对铜与铝进行对接搅拌摩擦焊时[Materials Research Innovations，1998，1(4)：211-223]，无法形成连续的焊缝，焊缝表面粗糙不平，出现严重的飞边及凹坑，焊缝厚度局部严重剪薄，焊核底部出现较大的孔洞，焊核内也存在裂纹。名称为“异种金属搅拌摩擦焊方法(日本专利号：JP2004255420-A，申请日：2003年2月26日，公开日：2004年9月16日)”的专利中采用搅拌针偏向于较软的材料进行焊接，然而，采用这种方法对铜与铝进行对接搅拌摩擦焊，从[Materials Research Innovations，2004，8(2)：93-96]中表明，接头横截面宏观上虽然没有缺陷，但焊缝减薄严重，且焊缝表观成形较差、飞边严重。
发明内容
本发明目的是为了解决现有铜与铝异种材料对接搅拌摩擦焊存在焊缝难于成形的问题，而提供一种铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法。
铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法按以下步骤实现：一、固定铝板于后退侧，铜板于前进侧，移动搅拌头使其轴线与对接面重合，然后固定阻隔铝板于铝板和铜板之上；二、将搅拌头移向铝板侧，并设定偏移量；三、搅拌头在电机驱动下按逆时针方向旋转穿过阻隔铝板压入铝板和铜板内，直至搅拌头的轴肩与阻隔铝板上表面相接触，然后搅拌头沿平行于对接面的方向进行焊接，焊接后卸下焊接件，即完成铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊；其中步骤一中阻隔铝板的厚度是铝板厚度的0.2～1倍；步骤二中偏移量为搅拌头的轴线与对接面的之间距离，且偏移量小于搅拌针的半径；步骤三中搅拌头转速为200～3000r/min，焊接速度为10～1000mm/min。
本发明中通过在待对接的铜-铝异种材料上表面施加一种横向尺寸不小于搅拌头轴肩直径的阻隔铝板，阻止铜、铝在轴肩表面附近的流动混合，保证搅拌头轴肩只与铝板相接触，避免了搅拌头轴肩与被焊材料的粘连问题，因而能够获得表面成形良好且无内部缺陷的搅拌摩擦焊缝，且本发明工艺简单，易于实现。
附图说明
图1为具体实施方式一中步骤一的示意图；图2为具体实施方式一中步骤二的示意图；图3为具体实施方式一中步骤三的示意图；图4为具体实施方式十三中焊缝表面形貌图；图5为具体实施方式十三中焊缝横截面形貌图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法按以下步骤实现：一、固定铝板4于后退侧，铜板5于前进侧，移动搅拌头1使其轴线与对接面6重合，然后固定阻隔铝板7于铝板4和铜板5之上；二、将搅拌头1移向铝板4侧，并设定偏移量为δ；三、搅拌头1在电机驱动下按逆时针方向旋转穿过阻隔铝板7压入铝板4和铜板5内，直至搅拌头1的轴肩1-2与阻隔铝板7上表面相接触，然后搅拌头1沿平行于对接面6的方向进行焊接，焊接后卸下焊接件，即完成铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊；其中步骤一中阻隔铝板7的厚度是铝板4厚度的0.2～1倍；步骤二中偏移量δ为搅拌头1的轴线与对接面6之间的距离，且偏移量δ小于搅拌针1-3的半径；步骤三中搅拌头1转速为200～3000r/min，焊接速度为10～1000mm/min。
本实施方式步骤一中，前进侧是指接头的一侧，且在此侧搅拌头旋转方向与前行方向相同；后退侧是指接头的另一侧，且在此侧搅拌头旋转方向与前行方向相反。
本实施方式步骤一中阻隔铝板1的横向尺寸不小于搅拌头轴肩直径。
本实施方式步骤二中搅拌针1-3的长度略小于阻隔板7与被焊母材(铝板4或铜板5)的厚度之和，具体可以根据阻隔铝板7和被焊母材(铝板4或铜板5)的厚度加以调节以满足焊接需要。
本实施方式中被焊区域在搅拌头1的轴肩1-2与阻隔铝板7产生的摩擦热以及搅拌针1-3与阻隔铝板7、铝板4和铜板5产生的摩擦热共同作用下发生塑化，在搅拌头1后部形成表面光洁、均匀稳定的焊缝。
本实施方式步骤三中焊接后卸下焊接件，可以不去除阻隔板，能起到强化接头的作用，也可以采用铣削方法去除阻隔板。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中铜板5为纯铜板或铜合金板；铝板4为纯铝板或铝合金板。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式中铜合金为现有各种型号的铜合金；铝合金为现有各种型号的铝合金。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一中阻隔铝板7为纯铝板或铝合金板。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
本实施方式铝合金为现有各种型号的铝合金。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一中搅拌头1的材质为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金、钼基合金或多晶立方氮化硼。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一中阻隔铝板7的厚度是铝板4厚度的0.2倍。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一中阻隔铝板7的厚度是铝板4厚度的1倍。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一中阻隔铝板7的厚度是铝板4厚度的0.5倍。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一中阻隔铝板7的厚度是铝板4厚度的0.8倍。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五、六、七或八不同的是步骤三中搅拌头1转速为200r/min，焊接速度为10mm/min。其它步骤及参数与具体实施方式五、六、七或八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤三中搅拌头1转速为3000r/min，焊接速度为1000mm/min。其它步骤及参数与具体实施方式九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤三中搅拌头1转速为800r/min，焊接速度为200mm/min。其它步骤及参数与具体实施方式九相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤三中搅拌头1转速为1000r/min，焊接速度为300mm/min。其它步骤及参数与具体实施方式九相同。
具体实施方式十三：本实施方式铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法按以下步骤实现：一、固定铝板4于后退侧，铜板5于前进侧，移动搅拌头1使其轴线与对接面6重合，然后固定阻隔铝板7于铝板4和铜板5之上；二、将搅拌头1移向铝板4侧，并设定偏移量为δ；三、搅拌头1在电机驱动下按逆时针方向旋转穿过阻隔铝板7压入铝板4和铜板5内，直至搅拌头1的轴肩1-2与阻隔铝板7上表面相接触，然后搅拌头1沿平行于对接面6的方向进行焊接，焊接后卸下焊接件，即完成铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊；其中步骤一中阻隔铝板7的厚度是铝板4厚度的1倍；步骤二中偏移量δ为搅拌头1的轴线与对接面6之间的距离，且偏移量δ小于搅拌针1-3的半径；步骤三中搅拌头1转速为400r/min，焊接速度为100mm/min。
本实施方式中铝板4为5052-O铝，铜板5为T3-Y2铜，尺寸均为200mm×50mm×3mm。阻隔铝板7为5052-O铝，尺寸为200mm×50mm×3mm。搅拌头1的材质为工具钢，其轴肩1-2直径为15mm，搅拌针1-3长为5.75mm，搅拌针1-3直径为4mm，偏移量δ为1.8mm。
本实施方式中的铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊，如图4和图5所示，形成了表面成形美观、内部无任何焊接缺陷的焊缝，而且接头性能好。
具体实施方式十四：本实施方式铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法按以下步骤实现：一、固定铝板4于后退侧，铜板5于前进侧，移动搅拌头1使其轴线与对接面6重合，然后固定阻隔铝板7于铝板4和铜板5之上；二、将搅拌头1移向铝板4侧，并设定偏移量为δ；三、搅拌头1在电机驱动下按逆时针方向旋转穿过阻隔铝板7压入铝板4和铜板5内，直至搅拌头1的轴肩1-2与阻隔铝板7上表面相接触，然后搅拌头1沿平行于对接面6的方向进行焊接，焊接后卸下焊接件，即完成铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊；其中步骤一中阻隔铝板7的厚度是铝板4厚度的0.6倍；步骤二中偏移量δ为搅拌头1的轴线与对接面6之间的距离，且偏移量δ小于搅拌针1-3的半径；步骤三中搅拌头1转速为600r/min，焊接速度为100mm/min。
本实施方式中铝板4为2219-T6铝，铜板5为T2-Y2铜，尺寸均为300mm×75mm×5mm。阻隔铝板7为2219-O铝，尺寸为300mm×50mm×3mm。搅拌头1的材质为工具钢，其轴肩1-2直径为22mm，搅拌针1-3长为7.75mm，搅拌针1-3直径为5.6mm，偏移量δ为2.4mm。
本实施方式中的铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊，形成了表面成形美观、内部无任何焊接缺陷的焊缝，而且接头性能好。

Claims (8)

1、铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法，其特征在于铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法按以下步骤实现：一、固定铝板(4)于后退侧，铜板(5)于前进侧，移动搅拌头(1)使其轴线与对接面(6)重合，然后固定阻隔铝板(7)于铝板(4)和铜板(5)之上；二、将搅拌头(1)移向铝板(4)侧，并设定偏移量为δ；三、搅拌头(1)在电机驱动下按逆时针方向旋转穿过阻隔铝板(7)压入铝板(4)和铜板(5)内，直至搅拌头(1)的轴肩(1-2)与阻隔铝板(7)上表面相接触，然后搅拌头(1)沿平行于对接面(6)的方向进行焊接，焊接后卸下焊接件，即完成铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊；其中步骤一中阻隔铝板(7)的厚度是铝板(4)厚度的0.2～1倍；步骤二中偏移量δ为搅拌头(1)的轴线与对接面(6)之间的距离，且偏移量δ小于搅拌针(1-3)的半径；步骤三中搅拌头(1)转速为200～3000r/min，焊接速度为10～1000mm/min。
2、根据权利要求1所述的铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法，其特征在于步骤一中铜板(5)为纯铜板或铜合金板；铝板(4)为纯铝板或铝合金板。
3、根据权利要求1所述的铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法，其特征在于步骤一中阻隔铝板(7)为纯铝板或铝合金板。
4、根据权利要求1所述的铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法，其特征在于步骤一中搅拌头(1)的材质为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金、钼基合金或多晶立方氮化硼。
5、根据权利要求1所述的铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法，其特征在于步骤一中阻隔铝板(7)的厚度是铝板(4)厚度的0.5倍。
6、根据权利要求1所述的铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法，其特征在于步骤一中阻隔铝板(7)的厚度是铝板(4)厚度的0.8倍。
7、根据权利要求1所述的铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法，其特征在于步骤三中搅拌头(1)转速为800r/min，焊接速度为200mm/min。
8、根据权利要求1所述的铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法，其特征在于步骤三中搅拌头(1)转速为1000r/min，焊接速度为300mm/min。
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