CN102794562B - 一种适用于铝合金和铜合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种适用于铝合金和铜合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，在搅拌摩擦焊接中生成低熔点的Al₂Cu共晶化合物，随着焊接过程中待焊接头温度场的变化，Al₂Cu等金属间化合物熔化而在待焊接头局部区域形成液相，并在搅拌头的作用下被打碎而均匀的分散在待焊接头各区域，液相具有较好的流动性且由于毛细管效应填充待焊接头间隙，减小待焊接头材料偏析、孔洞等缺陷，从而改善了接头的力学性能。同时，由于金属间化合物形均匀分散在接头中，接头使用性能大大提高。

Description

一种适用于铝合金和铜合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法

技术领域

本发明涉及一种适用于铝合金和铜合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，属于焊接技术领域。

背景技术

新材料的发展，使得异种材料的复合结构在航天、航空以及汽车等工业领域具有非常大的应用前景，而异种材料的焊接技术已经成为解决异种材料复合结构应用前景的首要问题，其中，铝/合金与铜/合金的焊接问题已经成为研究的热点。

现有技术中最初试图采用熔焊的方式来对铝/铝合金与铜/铜合金进行焊接，然而，铝及铜具有强烈的氧化性，尤其对于铝来说，其极易氧化，形成熔点高达2050℃的Al₂O₃氧化膜，氧化膜中含有一定量的吸附水和结晶水，容易使焊缝产生气孔，导致焊缝的力学性能下降；另外，由于铝与铜的熔点相差很大，很难保证两种材料处于适宜的焊接温度，焊接过程中往往铝已经熔化了而铜还处于固态，从而容易导致未熔合或夹杂等缺陷，使焊缝的力学性能进一步下降。

与熔化焊相比，搅拌摩擦焊接温度较低，搅拌摩擦焊接过程中，低熔点母材不熔化，利用搅拌头对母材的强烈搅拌，使其产生热塑性金属，然后冷却形成接头，避免了熔化焊接头的熔合区和过热区。然而，在搅拌摩擦焊接中，为了保证在摩擦热下形成的热塑性金属能够从搅拌头的两侧向搅拌头的后方充分流动，避免焊缝中出现气孔和未熔合等缺陷，需要对焊接工艺参数、搅拌针相对配合面的偏移量及母材放置位置、搅拌头形状进行严格的配合设计，从而使得搅拌摩擦焊接的整体难度增大。

因此，现有技术的铝/铝合金与铜/铜合金连接技术中，缺少一种既能保证焊缝的力学性能又较为容易实现的焊接工艺。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种既能保证焊缝的力学性能又较为容易实现的用于铝/铝合金与铜/铜合金的反应搅拌摩擦焊接方法。

为此，本发明提供一种适用于铝合金和铜合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，至少包括以下步骤：

A.   将铝/铝合金母材与铜/铜合金母材拼合形成待焊接头；

B.   将搅拌头插入所述待焊接头，并对所述待焊接头进行搅拌摩擦焊接，

使所述待焊接头界面温度高于Al₂Cu的共晶点温度；

C.在所述待焊接头有局部液相产生后，沿着焊缝移动所述搅拌头，直至

焊接结束。

在所述步骤B中，所述待焊接头界面温度达到570-580℃。

在所述步骤A中通过控制所述搅拌头在所述待焊接头上的插入位置相对

于待焊接头的配合面中心的偏移量来改变焊缝中不同材料的比例关系。

在所述步骤A中，所述搅拌头在所述待焊接头上的插入位置相对于配合

面中心偏向铝/铝合金侧0.2-1mm。

在所述步骤A中形成的所述待焊接头为对接接头。

在所述步骤A中形成的所述待焊接头为水平搭接接头。

在所述步骤A中，先在所述铝/铝合金母材的待焊界面上形成水平倾斜

角为θ的斜面，再在所述铜/铜合金母材的待焊界面上形成其水平倾斜角与θ互为补角的斜面，然后将所述铝/铝合金母材的斜面与所述铜/铜合金母材的斜面拼合形成所述水平搭接接头。

将所述水平倾斜角θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝/铝合金母材与铜/

铜合金母材的厚度a的关系设置为：                                                            。

在所述步骤A中还包括分别在所述斜面上设置高度为h的竖直搭接界面

的步骤，所述竖直搭接接面位于所述斜面的上部或者下部，将所述高度h、所述水平倾斜角θ、所述搅拌头的轴肩直径d以及铝/铝合金母材和铜/铜合金母材的厚度a的关系设置为：   。

   在所述步骤A之前还包括对所述铝/铝合金及铜/铜合金母材的表面进行去油污和/或去氧化膜的预处理。

本发明提供的用于铝/铝合金与铜/铜合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，具有以下优点：

本发明提供的用于铝/铝合金与铜/铜合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，

在搅拌摩擦焊接中生成低熔点的Al₂Cu共晶化合物，随着焊接过程中待焊接头温度场的变化，Al₂Cu等金属间化合物熔化而在待焊接头局部区域形成液相，并在搅拌头的作用下被打碎而均匀的分散在待焊接头各区域，液相具有较好的流动性且由于毛细管效应填充待焊接头间隙，减小待焊接头材料偏析、孔洞等缺陷，从而改善了接头的力学性能。同时，由于金属间化合物形均匀分散在接头中，接头使用性能大大提高。并且，由于液相具有较好的流动性，其能够沿着所述搅拌头的两侧向后充分流动，相对于现有搅拌摩擦焊接来说，本发明的反应搅拌摩擦焊接方法对焊接工艺参数、搅拌针相对配合面的偏移量及母材放置位置、搅拌头形状的要求不那么严格，从而使得焊接过程较为容易实现，提高焊接工作的效率。另外，由于焊接过程中生成液相，既降低了接头的残余应力，也降低了焊接过程中对搅拌头材料的损耗，提高搅拌头的寿命。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的实施例1中采用的对接接头与搅拌头配合的结构示意图。

图2是本发明的实施例2中采用的搭接接头与搅拌头配合的结构示意图。

图3是本发明的实施例3中采用的搭接接头与搅拌头配合的结构示意图。

图中附图标记表示为：

1-铝/铝合金合金母材；2-铜/铜合金母材。

具体实施方式

实施例1

发明提供一种用于铝合金与铜合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：

A. 用砂纸打磨与搅拌头的轴肩接触的母材表面及材料界面的氧化膜，再用丙酮去除铝合金母材与铜合金母材表面及接触界面的油污；

B.  将铝合金母材与铜合金母材拼合形成对接接头，并将其固定在工装夹具台上；

C.  将搅拌头插入所述对接接头，并对所述对接接头进行搅拌摩擦焊接，

使所述待焊接头界面温度高于Al₂Cu的共晶点温度，在本实施例中，具体温度为580℃；

D.在所述待焊接头有局部液相产生后，见图1，沿着焊缝移动所述搅拌头，直至焊接结束。

本实施例中，在所述步骤A中，所述搅拌头在所述待焊接头上的插入位置相对于配合面中心偏向铝合金侧0.3mm。

对于实现本发明的核心目的来说，高于Al₂Cu共晶点的温度范围是570-580℃。

本实施例中采用的焊接设备以通用的搅拌摩擦焊接设备为主。

实施例2

发明提供一种用于铝合金与铜连接的反应搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：

A. 用砂纸打磨与搅拌头的轴肩接触的母材表面及材料界面的氧化膜，再用丙酮去除铝合金母材1与铜母材2表面及接触界面的油污；

B.  先在所述铝合金母材1的待焊界面上形成水平倾斜角为θ的斜面，再在所述铜母材2的待焊界面上形成其水平倾斜角与θ互为补角的斜面，然后将所述铝合金母材1的斜面与所述铜母材2的斜面拼合形成水平搭接接头，见图2，并将其固定在工装夹具台上；

C.  将搅拌头插入所述水平搭接接头，并对所述水平搭接接头进行搅拌摩擦焊接，使所述待焊接头界面温度高于Al₂Cu的共晶点温度，在本实施例中，具体温度为570℃；

D.在所述待焊接头有局部液相产生后，沿着焊缝移动所述搅拌头，直至焊接结束。

在本实施例中，将所述水平倾斜角θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝合金母材1和铜母材2的厚度a的关系设置为：，更为具体的，所述铝合金母材1的搭接界面的水平倾斜角θ为45°，所述铜母材2的搭接界面的水平倾斜角为135°，所述厚度a均为30mm，所述轴肩直径d至少为60mm。

在所述步骤A中，所述搅拌头在所述待焊接头上的插入位置相对于配合面中心偏向铝/铝合金侧0.2mm。

对于实现本发明的核心目的来说，高于Al₂Cu共晶点的温度范围是570-580℃。

本实施例中采用的焊接设备以通用的搅拌摩擦焊接设备为主。

实施例3

发明提供一种用于铝与铜合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：

A. 用砂纸打磨与搅拌头的轴肩接触的母材表面及材料界面的氧化膜，再用丙酮去除铝母材1与铜合金母材2表面及接触界面的油污；

B.  先在所述铝母材1的待焊界面上形成水平倾斜角为θ的斜面及位于所述斜面上部的高度为h的竖直的搭接界面，再在所述铜合金母材2的待焊界面上形成其水平倾斜角与θ互为补角的斜面及位于所述斜面上部的高度为h的竖直的搭接界面，然后将所述铝母材1与所述铜合金母材2拼合形成水平搭接接头，见图3，并将其固定在工装夹具台上； 

C.  将搅拌头插入所述对接接头，并对所述对接接头进行搅拌摩擦焊接，使所述待焊接头界面温度高于Al₂Cu的共晶点温度，在本实施例中，具体温度为575℃；

D.在所述待焊接头有局部液相产生后，沿着焊缝移动所述搅拌头，直至焊接结束。

在本实施例中，将所述水平倾斜角θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝母材1与铜合金母材2的厚度a的关系设置为：。具体地，所述铝母材1的斜面的水平倾斜角θ为45°，所述铜合金母材2的斜面的水平倾斜角为135°，所述厚度a均为30mm，所述高度h为10mm，所述轴肩直径d至少为40mm。

在所述步骤A中，所述搅拌头在所述待焊接头上的插入位置相对于配合面中心偏向铝/铝合金侧1mm。

对于实现本发明的核心目的来说，高于Al₂Cu共晶点的温度范围是570-580℃。

本实施例中采用的焊接设备以通用的搅拌摩擦焊接设备为主。

本实施例中所述高度为h的搭接界面也可以位于所述斜面的下部。

实施例4

发明提供一种用于铝与铜连接的反应搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：

A. 用砂纸打磨与搅拌头的轴肩接触的母材表面及材料界面的氧化膜，再用丙酮去除铝母材1与铜母材2表面及接触界面的油污；

B.  先在所述铝母材1的待焊界面上形成水平倾斜角为θ的斜面及位于所述斜面上部的高度为h的竖直的搭接界面，再在所述铜母材2的待焊界面上形成其水平倾斜角与θ互为补角的斜面及位于所述斜面上部的高度为h的竖直的搭接界面，然后将所述铝母材1与所述铜母材2拼合形成水平搭接接头，并将其固定在工装夹具台上； 

C.  将搅拌头插入所述对接接头，并对所述对接接头进行搅拌摩擦焊接，使所述待焊接头界面温度高于Al₂Cu的共晶点温度，在本实施例中，具体温度为575℃；

D.在所述待焊接头有局部液相产生后，沿着焊缝移动所述搅拌头，直至焊接结束。

在本实施例中，将所述水平倾斜角θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝母材1与铜母材2的厚度a的关系设置为：  。具体地，所述铝母材1的斜面的水平倾斜角θ为30°，所述铜母材2的斜面的水平倾斜角为150°，所述厚度a均为30mm，所述高度h为10mm，所述轴肩直径d至少为69mm。

在所述步骤A中，所述搅拌头在所述待焊接头上的插入位置相对于配合面中心偏向铝/铝合金侧0.8mm。

对于实现本发明的核心目的来说，高于Al₂Cu共晶点的温度范围是570-580℃。

在本实施例中，所述水平倾斜角为θ为30度

本实施例中采用的焊接设备以通用的搅拌摩擦焊接设备为主。

本实施例中所述高度为h的搭接界面也可以位于所述斜面的下部。

上述实施例1-4中的步骤A为焊接前的预处理步骤，是为了获得更加优异的焊缝力学性能，但是对于实现本发明的核心目的来说，上述步骤A不是必需的。

利用上述实施例1-4的焊接方法或者的焊接接头的硬度较高，可以达到720HV，抗拉强度可以达到170-250Mpa。 

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种适用于铝合金和铜合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特

征在于：至少包括以下步骤：

步骤A：将铝合金母材与铜合金母材拼合形成待焊接头；

步骤B：将搅拌头插入所述待焊接头，并对所述待焊接头进行搅拌摩擦焊接，

步骤C：使所述待焊接头界面温度高于Al₂Cu的共晶点温度；

步骤D：在所述待焊接头有局部液相产生后，沿着焊缝移动所述搅拌头，直至

焊接结束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤B中，所述待焊接头界面温度达到570-580℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤A中通过控制所述搅拌头在所述待焊接头上的插入位置相对于待焊接头的配合面中心的偏移量来改变焊缝中不同材料的比例关系。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在所述步骤A中，所述搅拌头在所述待焊接头上的插入位置相对于配合面中心偏向铝合金侧0.2-1mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤A中形成的所述待焊接头为对接接头。

6.根据权利要求1中任一项所述的方法，其特征在于：在所述步骤A中形成的所述待焊接头为水平搭接接头。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在所述步骤A中，先在所述铝合金母材的待焊界面上形成水平倾斜角为θ的斜面，再在所述铜合金母材的待焊界面上形成其水平倾斜角与θ互为补角的斜面，然后将所述铝合金母材的斜面与所述铜合金母材的斜面拼合形成所述水平搭接接头。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：将所述水平倾斜角θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝合金母材与铜合金母材的厚度a的关系设置为：             。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在所述步骤A中还包括分别在所述斜面上设置高度为h的竖直搭接界面的步骤，所述竖直搭接接面位于所述斜面的上部或者下部，将所述高度h、所述水平倾斜角θ、所述搅拌头的轴肩直径d以及铝合金母材和铜合金母材的厚度a的关系设置为：                。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于：在所述步骤A之前还包括对所述铝合金及铜合金母材的表面进行去油污和/或去氧化膜的预处理。