CN102120287A - 一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异种金属嵌入式搅拌摩擦缝焊方法，尤为适用于铝或镁与较硬金属材料的大面积搭接连接。其工序为：首先在较硬的第二母材上加工一个或多个燕尾槽；然后按搭接形式组装，要求将铝板置于较硬第二母材燕尾槽的上侧；使用无针搅拌头并倾斜安装；启动搅拌头旋转并使之与铝板上表面接触：限制搅拌头的压入深度约为0.1mm～2mm之间，无需穿透焊接界面；经在起始端摩擦预热数秒后，移动旋转着的搅拌头或工作台，即可将铝板旋挤入下板的槽内，完成焊接或包覆。该技术与电阻缝焊相比，具有明显的节能优势；与传统搅拌摩擦焊相比，具有无匙孔、可避免较硬母材对针的磨损等优点。该方法既能用于焊接，又能用于制备双金属复合板。

Description

一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法
技术领域
本发明属于焊接领域，涉及一种缝焊与复合板制备的方法，尤其是涉及一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法。
技术背景
铝与异种高强金属的焊接(如Fe，Cu，Ti，不锈钢等)因彼此冶金相容性差(极易形成脆性金属间化合物)是一项已存在多年的技术难题。特别在运输机械及双金属复合板等行业，这种异种金属间的焊接极为普遍。例如，在以汽车、轻轨电车为代表的运输设备制造行业，为节约燃油、减少排放，密度轻的铝材正被逐渐引入来代替钢材。另一方面，在Al/Steel双金属复合板的制备领域(常用野外爆炸焊、真空热轧焊)，低能耗、安全性高、清洁绿色的低成本制备方法也是人们所期盼的。因此，铝/钢接头的可靠焊接是一必然要遇到的工艺难题。然而，众所周知，铝/钢接头无法用传统的电弧焊工艺施焊，其原因有二：一是在组织方面，电弧焊工艺会引起脆性金属间化合物的出现而使接头脆化；二是在可达性、效率及成形方面，电弧焊也不适宜于薄板间的大面积搭接接头。另一方面，传统的电阻缝焊也因在界面形成液相而导致出现脆性金属间化合物。因此，多年来，可避免母材熔化的钎焊、摩擦焊一直是铝/钢焊接研究的热点。
在钎焊方面，传统炉中钎焊存在以下明显缺点：(1)因加热/冷却速率缓慢，不仅使生产效率低，而且使金属间化合物过度增厚，接头脆化。(2)需保护气体或真空环境，增大了生产成本或设备投资。(3)当使用钎剂(氯化物)去膜时，焊后必须及时清洗钎剂以防止钎剂腐蚀铝材。近年来，法国、德国、日本(尤其是法国)均在开发面向铝/钢接头的激光钎焊技术，但激光钎焊技术存在设备贵、铝材对激光吸收率低、能量利用效率低、润湿性差、需要氩气保护等问题。
基于高温形变金属再结晶的变形式固相焊通常具有免用焊材、免用保护气、效率高等优势。在固相焊接方面，搅拌摩擦焊(FSW：frictionstir welding)虽然有报道用于铝合金车圈、轻轨电车车厢、铝制容器的制造，但当母材之一为较硬的钢材时，因钢材与搅拌针的直接接触摩擦使搅拌针的磨损极为强烈，导致工具的使用寿命显著缩短，焊接难以为继。
为避免针的磨损，虽然可以采用无针搅拌头，但由此而产生的新的矛盾是针的取消将导致两种母材界面间的机械搅拌混合效果丧失掉。为此，申请者提出了“异种金属嵌入式搅拌摩擦缝焊”方法，其最为关键的技术要点在于预先在较硬母材上加工燕尾槽；其后，采用“无针式”柱状工具；活用搅拌头产生的摩擦热与锻压力，使上板温度上升、屈服强度急剧降低而发生软化，同时在工具的下压过程中，将高温、塑化的上板材料嵌入硬板上预先加工好的燕尾槽内，以此实现上下两板间的机械“咬合”，从而在无针的磨损的情况下，实现上下两板间的牢固连接。
发明内容
本发明公开了一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法，尤为适于铝(镁)与高熔点、较硬的异种金属材料(如碳钢、不锈钢、铜、钛等)的搭接连接。本发明的目的是主要是为了解决异种金属(如Al/steel、Al/stainless steel等)在传统搅拌摩擦焊中存在的两项技术难题：一是当第二母材为较硬(如钢材)时，如何避免钢材对搅拌工具“针”部的剧烈磨损。为此，提出采用无针工具的技术方案；同时，限制搅拌头的压入深度约在0.1mm～2mm之间(视板厚而定)，并全在较软第一母材1之内，无须穿透焊接界面。这样，避免了摩擦工具端部与钢材的直接接触，从而避免了钢材对搅拌工具的剧烈磨损。二是当采用无针工具的情况时，随之而来的问题是上下板材间的机械混合效果因针的取消而丧失掉。为此，为可靠地实现上下板材界面间的相互混合或咬合，提出在第二母材上预先加工燕尾槽(可利用电火花切割或铣床加工)的技术方案，这种结构设计能使接头承受较大的拉剪载荷。基于上述技术方案，便可活用搅拌头的摩擦热与锻压力将上板挤入下板，在免除工具磨损情况下，可成功实现焊接或包覆工艺；同时，消除了焊道表面的匙孔。
综上所述，本发明提出的“嵌入式搅拌摩擦缝焊方法”通过在“搅拌工具设计”、“压入深度”、“第二母材2预加工”三个方面采用新的技术方案，并活用申请者前期研究与知识积累，即肩的锻压效应与扭转效应的强化(相关论文分别发表于英国期刊Science and Technologyof Welding and Joining与中国有色金属学报英文版)来综合解决工具磨损、界面混合、表面成形(光滑且无匙孔)、强化高温软化金属的流动嵌入等问题，并获得优质、节能、美观的嵌入式接头。
基于上述分析与技术方案，本发明确立了嵌入式搅拌摩擦缝焊方法。其工序为：
首先，在较硬的第二母材2上预先加工燕尾槽4，燕尾槽有45°和60°两种；然后，按搭接形式组装，要求将铝板置于较硬的第二母材2内燕尾槽的上方；使用无针工具并倾斜安装(0.5°～3°)；启动无针式搅拌头3旋转并使之与较软第一母材1(如Al、Mg)表面接触；限制搅拌头的压入深度约在0.1mm～2mm之内，无须穿透焊接界面；摩擦数秒后将铝板预热，然后随搅拌头搅拌前进，将高温软化铝嵌入较硬下板的燕尾槽4内，即方便地完成异种金属的焊接或包覆。当然，该技术也可用于同种金属的缝焊。
本发明提出的嵌入式搅拌摩擦焊缝焊用于软/硬异种材料间的缝焊时，主要具有以下显著优点：
(1)首先，在工具免磨损(采用无针工具)的情况下也能实现母材间的良好结合(利用预加工的燕尾槽、肩的旋压效果、上板的塑性流变实现板间嵌合)。
(2)接头组织方面：由于焊接过程为固相焊，无金属熔化，避免了界面处金属间化合物过厚。
(3)接头性能调控方面：手段多样灵活。可调节的方面有：摩擦参数；所开槽的参数(包括燕尾槽夹角、槽宽、槽深)等。
(4)极为显著的节能与环保优势：搅拌摩擦焊与电阻焊相比，不需要大量的电流和复杂的设备，具有明显的节能与低成本优势。与其他焊接方法相比，不需要焊丝和保护气体，允许有薄的氧化膜，焊前对表面处理的要求不高。
(5)操作方便简单，易于管理。
附图说明
图1本发明嵌入式搅拌摩擦缝焊焊缝外观；
图2本发明不同倾角焊缝嵌满情况；
图3本发明嵌入式搅拌摩擦缝焊焊缝拉剪试样原始外观与燕尾槽横截面嵌合实貌；
图4本发明所得接头在拉剪测试后断口宏观形貌与位移-载荷曲线；
图5本发明不同燕尾槽倾角在不同焊速下的最大拉伸力的比较；
图6本发明双缝燕尾槽的装配图；
图7本发明双缝燕尾槽试样拉伸测试后断裂于铝母材的外观；
图8本发明双缝燕尾槽和单缝燕尾槽在不同燕尾倾角下的最大拉伸力的比较；
具体实施方法
下举一例(以较为经济的铝板与钢板为例)说明如何具体实施嵌入式搅拌摩擦缝焊，并介绍所焊接头性能的测试结果，以证明本发明的实用性与创新性。
选用铝板厚度为3mm的市售纯铝板作为第一母材1；厚度为4mm的低碳钢板为第二母材2(实测厚3.84mm)。焊前预先在钢板上用电火花加工燕尾槽4，燕尾槽夹角取45°和60°两种，上槽口宽均为4mm，槽深均为2mm。
采用搭接方式组装，并将屈服强度低的铝板置于上侧，将屈服强度高的钢板置于下侧。采用普通铣床或钻床施焊。
搅拌头设计制作、安装与下压：采用无针柱状搅拌头，肩部直径为20mm；安装倾角为3°；压入深度为0.5mm。
所用焊接规范：转速1500rpm，焊接速度23.5mm/min。
焊后采用拉剪测试评价接头性能。
在前述可行性试验的基础上，申请者为了提高效率，又做了焊速为75mm/min和150mm/min的实验。实验证实高焊速是完全可行的。
最后，为扩大本发明的应用范围(如制备包覆式双金属复合板)，或进一步提高接头的强度，申请者想到了由单燕尾槽改为双燕尾槽或多燕尾槽的工艺。实验证实其实用性更强。
施焊结果：
图1(a)、(b)分别为45°和60°的焊缝外观。从图1可知焊缝正面飞边很少，无传统搅拌摩擦焊接头中存在的深匙孔。
图2是用电镜放大后燕尾槽4的嵌满情况(33×)。由图可知60°的(b)要比45°的(a)嵌满的理想。
图3为拉伸样的外观与燕尾槽横截面嵌合实貌。
图4所示拉剪测试后断口宏观形貌与位移-载荷曲线更能清楚地表征出不同夹角燕尾槽的承载情况。图4中(a)、(c)是拉伸断裂后的外观；(b)、(d)拉伸的位移-载荷曲线。首先，拉剪测试完后，对于任一倾角，两种母材(包括较硬的钢材)均发生了明显的弯曲变形，这表明接头强度已足够高，足以承受相应变形。其次，对于60°夹角燕尾槽所得接头，无论母材弯曲变形程度还是最大开裂载荷均大于45°夹角燕尾槽接头。
下表1为拉剪测试数据。
表1不同燕尾槽在23.5mm/min焊速下获得接头的最大承载力
Figure BDA0000038633670000071
由表1可知，60°的燕尾槽的最大拉力高于45°燕尾槽的最大拉力。接头所能承受的最大拉力取决于一个燕尾槽棱角的应力集中程度与另一个燕尾槽斜面摩擦力大小的综合作用结果。应力集中程度与夹角大小有关；而摩擦力又与密合面的长度及结合紧密状况有关。45°的燕尾槽棱角处产生的应力集中应较大，但尚未形成危害。在同等的压力条件下60°燕尾槽斜面更有利于铝的塑性流动，所以嵌入的铝量要比45°的理想，燕尾槽斜面内的密合面长度较长，脱开(拔出)时产生的摩擦力便变大，所以60°燕尾槽接头最大开裂载荷较大。
图5为不同夹角的燕尾槽在不同的焊速下，最大拉伸力的比较结果。由图5(a)可知，45°的最大开裂载荷值(Fm)随着焊速的升高而升高，焊速对60°的FM值影响不大。所以为了提高生产效率，采用高的焊速是可行的。
图7(a)、(b)、(c)分别是焊速为23.5mm/min，75mm/min，150mm/min的45°双燕尾槽拉伸断裂后的外观；(d)、(e)、(f)分别是焊速为23.5mm/min，75mm/min，150mm/min的60°双燕尾槽拉伸断裂后的外观。
图8(a)、(b)显示的是45°与60°单缝燕尾槽和双缝燕尾槽的最大拉伸力的比较；由图可知，双缝燕尾槽的最大拉伸力要比单缝燕尾槽的最大拉伸力高出一倍，出现了上板母材被拉断的情况(而非单槽情况下的拔出模式)。双缝燕尾槽设计的可行性得到了证明，拥有更强的应用前景。

Claims (9)

1.一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法，其特征在于：首先，在较硬的第二母材(2)上预加工一条或多条燕尾槽；对第一母材(1)与第二母材(2)的焊接面进行洁净化预处理；按搭接形式将较软的第一母材(1)置于较硬的第二母材(2)上方；使用无针工具并倾斜安装、倾斜安装角度为0.5～3°；启动无针式搅拌头(3)旋转并使无针式搅拌头(3)与第一母材(1)的表面相接触；保持搅拌头的压入深度在0.1mm～2mm之间，并小于第一母材(1)的厚度；利用无针式搅拌头(3)产生的摩擦热与锻压力将第一母材旋挤入第二母材(2)的燕尾槽(4)内，完成嵌入式搅拌摩擦缝焊。
2.根据权利要求1所述一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法，其特征在于，第二母材(2)上预加工多条燕尾槽；工具为无针工具。
3.根据权利要求1所述一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法，其特征在于，小尺寸式样无需倾斜工具；原位摩擦加压将上板嵌入下板燕尾槽内。
4.根据权利要求1所述一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法，其特征在于，在燕尾槽的上表面预覆钎料以强化焊缝。
5.根据权利要求1所述一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法，其特征在于，所述第一母材(1)是低屈服强度板或防腐蚀板。
6.根据权利要求1所述一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法，其特征在于，所述第一母材(1)是铝板、镁板、铜板或钛板。
7.根据权利要求1所述一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法，其特征在于，在燕尾槽的始端与末端用电弧焊点焊熔化第二母材(2)，封堵燕尾槽始端与末端的空隙，以防被嵌入的第一母材(1)沿燕尾槽的纵向方向发生窜动。
8.根据权利要求1所述一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法，其特征在于，使用直径小于槽宽的带针搅拌头。
9.根据权利要求1所述一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法，其特征在于，所述洁净化预处理酸洗、打磨或喷砂。
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