CN102861999A - 一种用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接头，第一接头和第二接头至少分别具有倾斜的搭接界面，所述第一接头的倾斜的搭接界面的水平倾斜角为锐角θ，所述第二接头的倾斜的搭接界面的水平倾斜角与所述锐角θ互为补角，将所述第一接头和所述第二接头通过所述倾斜的搭接界面搭接在一起，从而使得所述第一接头和所述第二接头位于同一水平面，相比于现有技术的上下搭接的搭接接头来说，减少了搭接接头的总体厚度，从而降低了对搅拌头的设计要求；并且，所述倾斜的搭接界面方便中间层物质的安装。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接头，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。由于被焊接的两种金属在物理性能以及化学性能等方面具有较大的差异，在界面处容易形成脆性的金属间化合物，一方面起到连接两种母材载体的作用，只有具备一定厚度的金属间化合物层才能形成有效的焊接接头；另一方面，当所述金属间化合物层厚度过大时，焊接接头的强度和塑性将大大降低，因此，获得适当的金属间化合物层厚度是实现异种材料良好焊接的关键问题。
为了解决上述技术问题，现有技术中往往在被焊接金属的焊接接头上添加中间层物质，中间层物质的物理化学性能一般处于异种母材之间，然而，现有技术中的对接接头不利于中间层物质的添加，人们纷纷研究搭接接头，但是，现有技术中的焊接搭接接头一般是上下搭接，为了便于添加中间层，通常将中间层夹在上部母材和下部母材之间，见图1，这无疑增大了搭接接头的厚度，在摩擦搅拌焊接中，搅拌头需要伸入下部的母材中才能进行充分搅拌，为了保证较适宜的金属间化合物层厚度，需要对搅拌头的旋转速度、搅拌头的轴肩尺寸以及搅拌头与接头接触时影响摩擦热产生的因素进行综合考量，从而对搅拌头提出了较高的设计要求，尤其在接头的厚度较大时，位于上部和下部的接头在搅拌过程中很容易与中间层物质产生界面移动，从而使搅拌头的设计要求变得更高。
因此，现有技术中缺少一种既便于添加中间层物质又能够在搅拌焊接中降低搅拌头设计难度的搭接接头。
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方便添加中间层物质又能降低搅拌头设计难度的搭接接头。
为此，本发明提供一种用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接头，包括具
有不同物理或者化学性能且厚度为a的第一接头和第二接头，所述第一接头和所述第二接头至少分别具有倾斜的搭接界面，所述第一接头的倾斜的搭接界面的水平倾斜角为锐角θ，所述第二接头的倾斜的搭接界面的水平倾斜角与所述锐角θ互为补角，所述第一接头的搭接界面与所述第二接头的搭接界面配合后使所述第一接头和第二接头处于同一水平面。
所述锐角θ与搅拌头的轴肩直径d的关系为： 
。
所述第一接头和所述第二接头还分别具有高度为h的竖直的搭接界面。
所述竖直的搭接界面位于所述倾斜的搭接界面的上部。
所述竖直的搭接界面位于所述倾斜的搭接界面的下部。
所述锐角θ与搅拌头的轴肩直径d的关系为：
。
所述锐角θ为30-60°。
所述锐角θ为45°。
所述第一接头和/或所述第二接头分别具有高出水平面的部分。
还包括设置在所述搭接界面之间的中间层物质。
本发明还提供一种采用上述任一技术方案的搭接接头的搅拌摩擦焊接方法。
本发明提供的用于异种材料搅拌焊接的搭接接头具有以下优点：
1. 本发明提供的用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接头，第一接头和
第二接头至少分别具有倾斜的搭接界面，所述第一接头的倾斜的搭接界面的水平倾斜角为锐角θ，所述第二接头的倾斜的搭接界面的水平倾斜角与所述锐角θ互为补角，将所述第一接头和所述第二接头通过所述倾斜的搭接界面搭接在一起，从而使得所述第一接头和所述第二接头位于同一水平面，相比于现有技术的上下搭接的搭接接头来说，减少了搭接接头的总体厚度，从而降低了对搅拌头的设计要求；并且，所述倾斜的搭接界面方便中间层物质的安装。
2. 本发明提供的用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接头，所述锐角θ与搅拌头的轴肩直径d的关系为：。锐角θ与所述搅拌头的轴肩直径d的该种关系可以保证所述中间层在添加后能够始终位于所述搅拌头的作用范围内，从而有利于改善焊接接头的力学性能。
3. 本发明提供的用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接头，所述第一接头和所述第二接头还分别具有高度为h的竖直的搭接界面。所述竖直的搭接界面可以位于所述倾斜的搭接界面的上部，也可以位于所述倾斜的搭接界面的下部。在所述搭接接头上添加一定厚度的中间层物质时，一般会考虑第一接头和第二接头的物理或化学性能的差别大小，在倾斜的搭接界面的基础上增加竖直的搭接界面，可以满足添加中间层物质的同时，减小接头焊缝的宽度，降低对搅拌头轴肩的要求。
4. 本发明提供的用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接头， 所述锐角θ与搅拌头的轴肩直径d的关系为：
。锐角θ与所述搅拌头的轴肩直径d的该种关系可以保证所述中间层在添加后能够始终位于所述搅拌头的作用范围内，从而有利于改善焊接接头的力学性能。
5.本发明提供的用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接头，还具有以下优点：1）接头更加美观，2）水平搭接减小了接头与母材的厚度差，实现接头与母材均匀过渡，容易焊接厚板，3）减少焊缝缺陷。界面两侧材料均匀混合，缺陷减少；4）接头质量高，形成的焊接接头缺陷减少，金属间化合物均匀分布，且焊接过程中适于钎料等的添加，接头性能大大提高；5）焊接过程易于实现，这种搭接形式降低了异种材料搭接对搅拌头的要求，易于实现，6）减小搅拌头材料的损耗，焊后接头材料均匀分布，性能更好。
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是现有技术中的带有中间层物质的搭接接头的结构示意图。
图2是本发明的实施例1提供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2提供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-第一接头；2-第二接头；3-中间层物质。
具体实施方式
实施例1
如图2所示，本实施例提供一种用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接
头，包括具有不同物理或者化学性能且厚度为a的第一接头1和第二接头2，所述第一接头为铜材，所述第二接头为铝材，所述第一接头1和所述第二接头2分别具有倾斜的搭接界面，所述第一接头1的倾斜的搭接界面的水平倾斜角锐角θ为45°，所述第二接头2的倾斜的搭接界面的水平倾斜角为135°，所述第一接头1的搭接界面与所述第二接头2的搭接界面配合后使所述第一接头1和第二接头2处于同一水平面。
本发明中，为了保证所述搭接接头在添加中间层物质后，所述中间层物质都能位于所述搅拌头的作用区，所述锐角θ与搅拌头的轴肩直径d的关系为：
。在本实施例中，所述第一接头1和所述第二接头2的厚度a均为30mm，所述锐角θ为45°，因此，本实施例提供的搭接接头适合的搅拌头的轴肩直径至少为60mm。
需要说明的是，在本实施例中，所述第一接头1和所述第二接头2还可以是其他的异种材料，例如铝材和钢材或者钛合金与铝合金等。
在本实施例中，所述锐角θ为45°只是本发明的最佳的实施方式，其实，所述锐角θ在30-60°这一范围内时对于实现本发明的目的来说都有较好的技术效果。
本实施例中提供的搭接接头，所述第一接头1和所述第二接头既可以是平板状，也可以是具有凸起构件的非平板状，在保证通过所述搭接界面使所述第一接头1和所述第二接头2处于同一水平面的前提条件下，所述第一接头1和所述第二接头2的具体形状不受限制。
本实施例提供的搭接接头的形成过程为：
首先，在所述第一接头1和所述第二接头2的焊接面上分别形成一个水平倾斜角为45°和135°的斜面，所述斜面即为倾斜的搭接界面；然后，在所述斜面之间加装所述中间层物质；最后，将所述第一接头1的斜面和所述第二接头2的斜面拼合形成所述搭接接头。
利用本实施例提供的搭接接头进行异种材料的搅拌摩擦焊接前，首先将所述第一接头1和所述第二接头2进行清洗并去除油污；需要添加中间物质层时，在所述第一接头1和所述第二接头2的搭接界面之间添加中间层物质，并用夹具装夹，本实施例中提供的搭接接头，搭接界面具有水平倾斜角锐角θ，适于中间层物质的添加；最后选用轴肩直径至少为34.6mm的搅拌头进行搅拌摩擦焊接，在锐角θ确定后，焊接工艺参数、搅拌头扎入位置相对配合面中心的偏移量及母材的放置位置根据实际情况确定。
利用本实施例提供的搭接接头进行焊接时，焊接过程中，界面两侧材料在搅拌头的作用下均匀混合，添加的中间层物质及生成的金属间化合物随着接头温度的升高而熔化，形成的液相在搅拌头的作用下被打碎而均匀的分布在接头各区域，从而减少焊缝缺陷并提高了接头的质量。
实施例2
如图3所示，本实施例提供一种用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接
头，包括具有不同物理或者化学性能且厚度为a的第一接头1和第二接头2，所述第一接头为钢材，所述第二接头为铝材，所述第一接头1和所述第二接头2分别具有倾斜的搭接界面和位于所述倾斜的搭接界面上的高度为h的竖直的搭接界面，所述第一接头1的倾斜的搭接界面的水平倾斜角锐角θ为30°，所述第二接头2的倾斜的搭接界面的水平倾斜角为150°，所述第一接头1的搭接界面与所述第二接头2的搭接界面配合后使所述第一接头1和第二接头2处于同一水平面。
本发明中，为了保证所述搭接接头在添加中间层物质后，所述中间层物质都能位于所述搅拌头的作用区，所述锐角θ与搅拌头的轴肩直径d的关系为：
。在本实施例中，所述第一接头1和所述第二接头2的厚度a均为30mm，所述竖直搭接界面的高度h为10mm，所述锐角θ为30°，因此，本实施例提供的搭接接头适合的搅拌头的轴肩直径至少为69mm。
需要说明的是，在本实施例中，所述第一接头1和所述第二接头2还可以是其他的异种材料，例如铝材和铜材或者钛合金与铝合金等。
在本实施例中，所述锐角θ为30°只是本发明的较佳的实施方式，其实，所述锐角θ在30-60°这一范围内时对于实现本发明的目的来说都有较好的技术效果。
另外，本实施例中，所述竖直搭接界面位于所述倾斜搭接界面的上部，其实，所述竖直搭接界面也可以位于所述倾斜搭接界面的下部。
本实施例中提供的搭接接头，所述第一接头1和所述第二接头既可以是平板状，也可以是具有凸起构件的非平板状，在保证通过所述搭接界面使所述第一接头1和所述第二接头2处于同一水平面的前提条件下，所述第一接头1和所述第二接头2的具体形状不受限制。
本实施例提供的搭接接头的形成过程为：
首先，在所述第一接头1和所述第二接头2的焊接面上分别形成一个水平倾斜角为30°和150°的斜面，所述斜面即为倾斜的搭接界面；然后，在所述斜面上形成一个高度为10mm的竖直的搭接界面；接着，在所述搭接界面之间加装所述中间层物质；最后，将所述第一接头1的斜面和所述第二接头2的斜面拼合形成所述搭接接头。
利用本实施例提供的搭接接头进行异种材料的搅拌摩擦焊接前，首先将所述第一接头1和所述第二接头2进行清洗并去除油污；需要添加中间物质层时，在所述第一接头1和所述第二接头2的搭接界面之间添加中间层物质，并用夹具装夹，本实施例中提供的搭接接头，搭接界面具有水平倾斜角锐角θ，适于中间层物质的添加；最后选用轴肩直径至少为34.6mm的搅拌头进行搅拌摩擦焊接，在锐角θ确定后，竖直搭接界面的高度h、焊接工艺参数、搅拌头扎入位置相对配合面中心的偏移量及母材的放置位置根据实际情况确定。
利用本实施例提供的搭接接头进行焊接时，焊接过程中，界面两侧材料在搅拌头的作用下均匀混合，添加的中间层物质及生成的金属间化合物随着接头温度的升高而熔化，形成的液相在搅拌头的作用下被打碎而均匀的分布在接头各区域，从而减少焊缝缺陷并提高了接头的质量。
实施例3
本实施例提供一种用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接头，包括具有不同物理或者化学性能且厚度为a的第一接头1和第二接头2，所述第一接头为铝合金，所述第二接头为不锈钢，所述第一接头1和所述第二接头2分别具有倾斜的搭接界面，所述第一接头1的倾斜的搭接界面的水平倾斜角为锐角θ为60°，所述第二接头2的倾斜的搭接界面的水平倾斜角为120°，所述第一接头1的搭接界面与所述第二接头2的搭接界面配合后使所述第一接头1和第二接头2处于同一水平面。
本发明中，为了保证所述搭接接头在添加中间层物质后，所述中间层物质都能位于所述搅拌头的作用区，所述锐角θ与搅拌头的轴肩直径d的关系为：
。在本实施例中，所述第一接头1和所述第二接头2的厚度a均为30mm，所述锐角θ为60°，因此，本实施例提供的搭接接头适合的搅拌头的轴肩直径至少为34.6mm。
在本实施例中，所述搭接接头还包括设置在所述搭接界面之间的中间层物质3，所述中间层物质3是由镍制成的金属薄片。所述中间层物质也可以以金属粉末的形式添加在所述搭接界面之间。
本实施例中提供的搭接接头，所述第一接头1和所述第二接头既可以是平板状，也可以是具有凸起构件的非平板状，在保证通过所述搭接界面使所述第一接头1和所述第二接头2处于同一水平面的前提条件下，所述第一接头1和所述第二接头2的具体形状不受限制。
本实施例提供的搭接接头的形成过程为：
首先在所述第一接头1和所述第二接头2的焊接面上分别形成一个水平倾斜角为60°和120°的斜面，所述斜面即为倾斜的搭接界面，然后在所述斜面之间加装所述中间层物质，最后将所述第一接头1的斜面和所述第二接头2的斜面拼合形成所述搭接接头。
利用本实施例提供的搭接接头进行异种材料的搅拌摩擦焊接前，首先将所述第一接头1和所述第二接头2进行清洗并去除油污；然后在所述第一接头1和所述第二接头2的搭接界面之间添加中间层物质，并用夹具装夹，本实施例中提供的搭接接头，搭接界面具有水平倾斜角锐角θ，适于中间层物质的添加；最后选用轴肩直径至少为34.6mm的搅拌头进行搅拌摩擦焊接，在锐角θ确定后，焊接工艺参数、搅拌头扎入位置相对配合面中心的偏移量及母材的放置位置根据实际情况确定。
利用本实施例提供的搭接接头进行焊接时，焊接过程中，界面两侧材料在搅拌头的作用下均匀混合，添加的中间层物质及生成的金属间化合物随着接头温度的升高而熔化，形成的液相在搅拌头的作用下被打碎而均匀的分布在接头各区域，从而减少焊缝缺陷并提高了接头的质量。
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)
1.一种用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接头，包括具有不同材质且厚度为a的第一接头（1）和第二接头（2），其特征在于：所述第一接头（1）和所述第二接头（2）至少分别具有倾斜的搭接界面，所述第一接头（1）的倾斜的搭接界面的水平倾斜角为锐角θ，所述第二接头（2）的倾斜的搭接界面的水平倾斜角与所述锐角θ互为补角，所述第一接头（1）的搭接界面与所述第二接头（2）的搭接界面配合后使所述第一接头（1）和第二接头（2）处于同一水平面。
2.根据权利要求1所述的用于异种材料搅拌摩擦焊接的搭接接头，其特征在于：所述锐角θ与搅拌头的轴肩直径d的关系为： 。
3.根据权利要求1所述的用于异种材料焊接的搭接接头，其特征在于：
所述第一接头（1）和所述第二接头（2）还分别具有高度为h的竖直的搭接界面。
4.根据权利要求3所述的用于异种材料焊接的搭接接头，其特征在于：所述竖直的搭接界面位于所述倾斜的搭接界面的上部或下部。
5.根据权利要求4所述的用于异种材料的搭接接头，其特征在于：所述锐角θ与搅拌头的轴肩直径d的关系为： 。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于异种材料焊接的搭接接头，其特征在于：所述锐角θ为30-60°。
7. 根据权利要求6所述的用于异种材料焊接的搭接接头，其特征在于：所述锐角θ为45°。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的用于异种材料焊接的搭接接头，其特征在于：所述第一接头（1）和/或所述第二接头（2）分别具有高出水平面的部分。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的用于异种材料焊接的搭接接头，其特征在于：还包括设置在所述搭接界面之间的中间层物质（3）。
10.一种搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：采用权利要求1-9中任一项所述的搭接接头。
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| JP2010036230A (ja) * | 2008-08-06 | 2010-02-18 | Toshiba Corp | 異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法および異種材料の摩擦攪拌接合方法 |
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