CN102085599A - 摩擦搅拌接合方法及摩擦搅拌接合产品 - Google Patents

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Abstract

一种摩擦搅拌接合方法，包括以下步骤：提供接合工具；提供第一部件，该第一部件具有第一表层；提供第二部件，该第二部件具有第二表层；提供焊接材料，其熔点低于第一部件及第二部件的熔点；将焊接材料设置于第一部件与第二部件的接合处，并将该第一部件与第二部件对接；用旋转并移动接合工具摩擦搅拌上述至少一个表层，使两者材料塑性流动而接合在一起。本发明还涉及一种摩擦搅拌接合产品。上述摩擦搅拌接合方法，通过接合工具部件表层进行摩擦搅拌通过热量传递的方式使部件接合，且部件材料组织较少发生变化。另外，设置熔点较低的焊接材料，可较早出现流动状态，帮助导热，因此可使第一部件和第二部件的具有较好的接合强度。

Description

摩擦搅拌接合方法及摩擦搅拌接合产品
技术领域
本发明涉及一种摩擦搅拌接合方法及产品，特别涉及一种无搅拌针的摩擦搅拌接合方法及由该方法制成的产品。
背景技术
摩擦搅拌接合法主要是在进行板材的对接接合时，采用旋转工具搅拌接合部位材料的一种摩擦压接方法。由于其简易性及优良的生产性，适用范围正在逐渐扩大。由于摩擦搅拌接合法对工具的耐久性要求较高，大多用于铝合金的接合。但是，当接合面为产品外表面时，由于会残留凹凸状的搅拌痕迹或毛刺，因而必须通过切削加工或研磨加工除去接合工件表面层。
进一步地说，即使除去上述表面层，得到平滑的接合面，但由于接合时被搅拌的部分重复发生较大的塑性流动，其金属组织会变得与母材大不相同。这使得后续进行铝合金中常用的铝阳极化处理时，会在加工面上留下痕迹。上述痕迹虽然可以通过加工消除，但无法通过铝阳极化处理消除。换句话说就是，通常的铝阳极化处理附带一种化学蚀刻效果，因而会使母材的金属组织的变化浮现出来。也就是说，由于摩擦搅拌产生的塑性流动机械性地改变了金属组织，使其变成与母材不同的金属组织，因此，一旦进行铝阳极化处理，无论如何也无法避免表面产生微妙的凹凸差异，使得接合部被看出来。
即使在后续添加退火步骤，将接合件放入炉中以再结晶温度以上的温度进行退火处理，以消除上述接合部的金属组织的局部性的差异，但若是采用一般的退火处理，再结晶时搅拌部存在的差异会使得之前加工产生的差异显现出来，无法实现全体金属组织的均匀化。
通过上述实验可以了解，对部分金属组织与周围不同的接合件进行铝阳极化处理后，金属组织的差异必然会在表面性状上表现出来。总的来说就是，即使是相同成分的金属，如果采用不同的素材制造方法(压延、挤出、锻造、铸造、烧结)，金属组织就会有差异，因此不管采用什么样的方法接合，一旦进行铝阳极化处理，就会以接合部为界显现出某种表面性状的差异。更何况在摩擦搅拌接合时，接合部的金属组织与母材大不相同，因此处理后接合部与周围相较而言显得十分显眼。
如果按照这种方式思考下去，铝阳极化处理时要考虑到母材的制造方法及其金属组织，接合区域的不可视在理论上非常难以实现的。
发明内容
鉴于上述状况，有必要提供一种新的摩擦搅拌接合法使接合部的外观良好。
一种摩擦搅拌接合方法，包括以下步骤：提供接合工具，该接合工具具有摩擦面；提供第一部件，该第一部件具有第一表层；
提供第二部件，该第二部件具有第二表层；提供焊接材料，其熔点低于第一部件及第二部件的熔点；将焊接材料设置于第一部件与第二部件的接合处，并将该第一部件与第二部件对接；将该接合工具的摩擦面抵压于第一部件的第一表层及第二部件的第二表层两者中至少一个上，旋转并移动所述接合工具，使所述接合工具的摩擦面于该至少一个表层上摩擦搅拌产生热量，所述热量于第一部件和第二部件内传递，使两者材料塑性流动而接合在一起。
一种摩擦搅拌接合产品，包括相互接合而成的第一部件和第二部件，第一部件与第二部件接合处组织结构与所述第一部件和第二部件接合前的组织结构基本一致，且所述第一部件和第二部件的接合处设置有焊接材料，该焊接材料的熔点低于第一部件及第二部件。
上述摩擦搅拌接合方法，通过接合工具仅在第一部件和第二部件的表层进行摩擦搅拌通过热量传递的方式使第一部件和第二部件的接合，只有表层材料产生塑性流动，因此，第一部件和第二部件的的材料组织较少发生变化。另外，于第一部件和第二部件接合处设置熔点较低的焊接材料，该焊接材料可较早出现流动状态，帮助导热，因此可使第一部件和第二部件的具有较好的接合强度。
附图说明
图1是本发明实施例所采用的接合工具的结构示意图。
图2是图1所示接合工具的摩擦面的结构示意图。
图3是图1所示接合工具的摩擦面的另一结构示意图。
图4是本发明实施例的第一部件和第二部件的结构示意图以及焊接材料的结构示意图。
图5是图4所示的第一部件和第二部件的接合示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明提供的摩擦搅拌接合方法作进一步地详细说明。
请同时参阅图1和图4，本发明实施例提供的摩擦搅拌接合方法采用接合工具10对第一部件60和第二部件70进行摩擦搅拌接合。
请同时参阅图1至图3，接合工具10基本呈柱状，一端具有摩擦面11，该接合工具10的摩擦面11一端为平头，即该摩擦面11基本为平面。自该摩擦面11向接合工具10的内部凹陷形成有若干凹槽13，凹槽13的形状可以为螺旋状或以接合工具10的回转中心为共同起点的若干条圆弧。接合工具10工作时的旋转方向与凹槽13自中心向外延伸的方向相同。
请同时参阅图1，图4及图5，第一部件60包括第一表层61和第一接合部63。第一接合部63为平面，相对第一表层61倾斜。该第一部件60还包括自第一接合部63向第一部件60内部凹陷的第一沟槽67，第一沟槽97位于远离第一表层61的一端。第二部件70包括第二表层71和第二接合部73。第二接合部73为平面，相对第二表层71倾斜。第二部件70还包括自第二接合部73向第二部件70内部凹陷的第二沟槽77，第一沟槽67和第二沟槽77可以组合形成一凹槽。
接合第一部件60和第二部件70时，预选在凹槽中放入熔点较低的焊接材料400，使第一部件60的第一接合部63和第二部件70的第二接合部73对接后，将第一部件60和第二部件70固定。其中，第一部件60的第一表层61和第二部件70的第二表层71之间具有夹角，该夹角可以为除0度和180度外的任意角度，本实施例中，夹角为90度，即第一部件60和第二部件70垂直。第一接合部63和第二接合部73在第一表层61和第二表层71之间形成接合线(图未标)，该接合线69为第一部件60和第二部件70连接拐角的边缘。
接合时，将接合工具10的摩擦面11抵压在第一部件60的第一表层61上。然后使接合工具10相对接合线旋转并沿接合线延伸方向移动，使第一部件60的第一表层61被摩擦搅拌。摩擦搅拌产生的热量传递至未被搅拌的第一接合部63和第二接合部73中使第一部件60和第二部件70被加热至塑性流动状态后无间隙地接合在一起形成摩擦搅拌接合产品。
当第一部件60的第一表层61被摩擦搅拌产生的热量传递至第一沟槽67和第二沟槽77处时，因为焊接材料400的熔点较低，因此可以较容易地出现塑性流动状态，而使第一部件60和第二部件70具有较好的接合强度。可以理解，也可以仅在第一部件60和第二部件70其中之一上设置沟槽。另外，也可以在第一部件60和第二部件70内分别设置焊接材料。
焊接材料400为熔点较低的材料，其熔点低于第一部件60和第二部件70的熔点。本实施例中，焊接材料400为焊锡。该焊接材料的熔点应当低于第一部件及第二部件的熔点。
进一步地，该摩擦搅拌接合方法还包括对摩擦搅拌接合产品进行后处理加工，即在第一部件60和第二部件70接合后，将第一部件60的第一表层61和第二部件70的第二表层71的组织发生变化的部分去除，使组织未发生变化或变化极小的材料露于外面。这样，即使后续的处理，如阳极氧化后，接合后的产品也可以获得良好的外观，减小甚至消除色差等缺陷。
其中，接合工具10的旋转方向与凹槽13自摩擦面11的中心向外部延伸的方向相同，且采用高速旋转，低速移动并略微插入第一部件60的第一表层61的方式对第一部件60和第二部件70进行摩擦搅拌。接合工具10的旋转速度S、移动速度V以及插入的第一表层61的深度H根据第一部件60和第二部件70的所需接合部位的厚度、材料以及接合工具10的尺寸及材料等因素确定，能使第一部件60和第二部件70仅有部分材料塑性流动并能产生足够的热量传递至未被搅拌的部位而使第一接合部63和第二接合部73接合即可。本实施例中，旋转速度S为每分钟7000转，移动速度V为每分钟500毫米，第一表层41被搅拌的厚度H为0.15毫米。
第一部件60和第二部件70的材料可以为铝、铝合金、铜合金、橡胶等熔点较低的材料，形状也不局限于固定形状，可以为任何结构。第一接合部63及第二接合部73可以是面，可以是线，也可以是点。
可以理解，该第一部件60和第二部件70也可不成角度接合，而是平齐设置，即第一部件60的第一表层和第二部件70的第二表层平齐，接合工具10同时摩擦搅拌第一表层和第二表层。
本发明实施例的摩擦搅拌接合方法所需要接合的产品尺寸较小，所采用的接合工具10的尺寸也较小，而且多是对产品进行部分的连续加工，加工动力及加工力较小，因此加工设备简单且比较廉价。
进一步地，本发明实施例中的接合工具10可应用于常见的机械加工中心(图未示)中，以对第一部件60和第二部件70进行预处理，不需要专用设备，通用性很好，而在摩擦搅拌接合后，可在同一台加工中心上对摩擦搅拌接合产品进行后续处理，只需一次装夹，生产效率较高。
此外，因为采用具有平面状摩擦面的接合工具10，只要在物体表面作业，即使结合部是曲面或者曲线结构也可以良好接合。
本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种摩擦搅拌接合方法，包括以下步骤：
提供接合工具，该接合工具具有摩擦面；
提供第一部件，该第一部件具有第一表层；
提供第二部件，该第二部件具有第二表层；
提供焊接材料，其熔点低于第一部件及第二部件的熔点；
将焊接材料设置于第一部件与第二部件的接合处，并将该第一部件与第二部件对接；
将该接合工具的摩擦面抵压于第一部件的第一表层及第二部件的第二表层两者中至少一个上，旋转并移动所述接合工具，使所述接合工具的摩擦面于该至少一个表层上摩擦搅拌产生热量，所述热量于第一部件和第二部件内传递，使两者材料塑性流动而接合在一起。
2.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：使所述第一部件和第二部件之间具有一定的夹角的接合，所述接合工具的摩擦面抵压于第一部件的第一表层，且与第二部件的第二表层之间的夹角大于0度且小于180度。
3.如权利要求2所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：所述第一部件还包括与第一表层相接的第一接合部，所述第二部件还包括与第二表层相接的第二接合部，第一部件及第二部件于第一接合部及第二接合部处接合；所述第一部件的第一接合部为相对所述第一表层倾斜的斜面，所述第二部件的第二接合部为与所述第一接合部贴合的斜面。
4.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：所述第一部件的第一表层与第二部件的第二表层平齐。
5.如权利要求1至4任意一项所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：所述摩擦搅拌接合方法还包括在所述第一部件和第二部件结合后，于所述第一部件的第一表层及第二部件的第二表层去除一定厚度的材料。
6.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：所述接合工具自摩擦面向其内部凹陷形成有凹槽。
7.一种摩擦搅拌接合产品，包括相互接合而成的第一部件和第二部件，其特征在于：第一部件与第二部件接合处组织结构与所述第一部件和第二部件接合前的组织结构基本一致，且所述第一部件和第二部件的接合处设置有焊接材料，该焊接材料的熔点低于第一部件及第二部件。
8.如权利要求7所述的摩擦搅拌接合产品，其特征在于：所述第一部件和第二部件的接合处形成接合线，该接合线与该产品的边缘重合。
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