CN102990221A

CN102990221A - 一种具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法

Info

Publication number: CN102990221A
Application number: CN2012105141312A
Authority: CN
Inventors: 倪丁瑞; 马宗义
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2013-03-27

Abstract

一种具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法，在铝、镁、铜、锌、钛、钢等被连接金属件上开螺纹孔；将螺钉拧入螺纹孔紧固；用无针式搅拌摩擦焊（焊接工具仅有轴肩而没有搅拌针）对螺钉进行沿拧紧方向的旋转、压紧，通过剧烈的摩擦生热和塑性变形，使螺钉进一步紧固，并在螺钉尾部和被连接金属件之间形成具有几毫米深的焊接层。该连接方法结合强度高；接合处隐蔽，不影响装配、美观；而且密封性好，可有效防止气体与液体的渗漏。

Description

一种具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法

技术领域

本发明属于金属材料的连接技术领域，具体涉及一种具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法。

背景技术

一些构件在工作时，既要求零件之间要传递载荷，又不能有过多的连接点暴露在外，影响装配，还要考虑构件外表美观性，有些场合还要求对气体、液体有良好的密封性。常规的螺钉/螺栓连接、焊接、胶接方法很难同时满足上述要求。装备制造业非常需要能同时满足上述要求的连接工艺。

搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，FSW）是由英国焊接研究所于1991年发明的一种固相焊接技术。FSW工作原理如图1所示：焊接时，搅拌头（焊接工具，由轴肩和搅拌针）高速旋转，使搅拌针挤入待焊工件接缝处直至轴肩与工件表面接触，轴肩与工件表面摩擦产生温升（低于被焊材料熔点）使材料软化，搅拌针则带动接缝两侧材料产生塑性流变和混合，搅拌头沿接缝移动形成均匀致密的焊缝，焊接结束时搅拌针拔出，在板上留下一个类似于钥匙孔的针孔。FSW形成的焊缝具有锻态组织特点，且焊接过程无需填充材料、保护气氛以及辅助加热，还可实现全自动化焊接。FSW理论上几乎可适用于所有具有塑性流变能力材料的焊接，并具有高效、优质、节能无污染的优点，被誉为“绿色焊接技术”。目前FSW不仅被应用于传统技术难以焊接的铝、镁合金等金属的焊接，还被用来补充或替代其它焊接技术以提高材料的焊接质量。

FSW不仅可以实现对接焊接，而且可以进行搭接与点焊。搭接时搅拌针穿透上板面并插入下板一定深度，然后水平移动，两板接触面处被针扫过的区域形成焊缝。点焊时，搅拌针穿透上板面并插入下板一定深度，保压一定时间后，无水平移动直接拔出，在板上留下一个类似于钥匙孔的针孔，依靠搅拌针周围材料的热塑性变形形成焊点。

上述两种方式的焊接受接合面积限制，结合强度有限，仅限于薄板件的焊接，而且常规情况下还会因搅拌针拔出后留下匙孔，影响美观。更为重要的是，它们对于异种金属的焊接难度很大，这是因为异种金属焊接时易出现脆性的金属间化合物。

另外，还有一种用作修复工艺的FSW方法：搅拌摩擦塞焊，即先在工件上需要修复的地方打孔，用修复料做成可消耗式搅拌针，搅拌针旋转插入时变软断在孔中实现补焊。搅拌摩擦塞焊受工作方式限制，搅拌针的长度和尺寸变化有限，不适于进行零件的连接。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法，该连接方法结合强度高；接合处隐蔽，不影响装备、美观；而且密封性好，可有效防止气体与液体的渗漏。可用于连接后需要装配、对外表美观、或对气体/液体密封性要求高的零件连接。

本发明提供了一种具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法，该方法的具体过程为：先在被连接金属件上开螺纹孔，再用螺钉拧入螺纹孔进行紧固，然后对紧固好的螺钉沿紧固方向进行摩擦焊接，通过剧烈的摩擦生热和塑性变形，使螺钉进一步紧固，并在螺钉尾部和被连接金属件之间形成具有几毫米深的焊接层。

本发明提供的具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法，所述金属件为金属材料铝、镁、铜、锌、钛、钢中的至少一种。

本发明提供的具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法，所述螺钉的材质与被焊件相同，或者为性能更好的异种金属材料。

本发明提供的具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法，所述摩擦焊接技术为无针式搅拌摩擦焊；所述无针式搅拌摩擦焊的焊接工具仅有轴肩而没有搅拌针。

本发明方法中，首先根据传递载荷的大小，选取螺钉的材质与尺寸，然后用无针式搅拌摩擦焊进行紧固、焊接，并根据工件材质选取合适的工艺参数。工具转速400-4000转/分钟，压下速度10-100毫米/分钟，压下量0.1-2毫米，保压时间1-20秒钟。

与传统螺纹连接相比，本发明工艺的结合强度更高，具有密封性，而且外表美观，不影响零件之间的装配。与搅拌摩擦点焊相比，由于引入同质/异质螺钉，结合强度极大提高。因此，有理由相信这种新的连接工艺将有广阔的工业应用前景。

附图说明

图1为搅拌摩擦焊原理与过程示意图；

图2为本发明连接示意图，其中，1、2为待焊金属件，3为螺钉，4为焊接区域。

具体实施方式

下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1

用该方法连接10毫米厚的两块6061铝合金板材。先用同材质的M10螺钉紧固，然后在转速2000转/分钟、压下量0.5毫米、压下速度10毫米/分钟、保压时间6秒钟的条件下进行无搅拌针的摩擦焊接紧固。在搅拌工具造成的强塑性变形和摩擦热作用下，螺钉进一步紧固，并在螺钉尾部和被焊件形成具有一定深度的焊接层，铣去焊点表层飞边后，无缝隙存在。打水压没有出现漏水现象，说明实现密封焊接。

实施例2

用该方法连接15毫米厚的两块AZ91D镁合金铸板。先用铝材质的M12螺钉紧固，然后在转速3000转/分钟、压下量0.5毫米、压下速度10毫米/分钟、保压时间8进行搅拌摩擦焊接紧固。铣去焊点表层飞边后，无缝隙存在，实现密封焊接。

比较例1

用该方法连接10毫米厚的两块6061铝合金板材。先用同材质的M10螺钉紧固，然后在转速300转/分钟、压下量0.5毫米、保压时间6秒钟的条件下进行无搅拌针的摩擦焊接紧固。铣去焊点表层飞边后，可观察到缝隙存在，表明未能实现密封焊接。原因是工具转速过低，产生的摩擦热不足，塑性变形不充分，未能实现紧密焊接。

比较例2

用该方法连接10毫米厚的两块6061铝合金板材。先用同材质的M10螺钉紧固，然后在转速2000转/分钟、压下量0.5毫米、保压时间2秒钟的条件下进行无搅拌针的摩擦焊接紧固。铣去焊点表层飞边后，可观察到缝隙存在，表明未能实现密封焊接。原因是保压时间过短，产生的摩擦热不足，塑性变形不充分，未能实现紧密焊接。

比较例3

用螺钉连接10毫米厚的两块6061铝合金板材，用同材质的M10螺钉紧固。当螺钉尾部露在外面时，无法进行后续装备配合。

比较例4

用螺钉连接10毫米厚的两块6061铝合金板材，用同材质的M10螺钉紧固。当螺钉尾部沉入板面时，打水压实验中出现漏水现象。

比较例5

用该方法连接15毫米厚的两块AZ91D镁合金铸板。先用铝材质的M12螺钉紧固，然后在转速3000转/分钟、压下量0.5毫米、保压时间5秒钟下进行无搅拌针的摩擦焊接紧固。铣去焊点表层飞边后，可观察到缝隙存在，表明未能实现密封焊接。原因是摩擦热不足、塑性变形不充分，未能实现紧密焊接。

Claims

1.一种具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法，其特征在于：该方法的具体过程为：先在被连接金属件上开螺纹孔，再用螺钉拧入螺纹孔进行紧固，然后对紧固好的螺钉沿紧固方向进行摩擦焊接，通过剧烈的摩擦生热和塑性变形，使螺钉进一步紧固，并在螺钉尾部和被连接金属件之间形成焊接层。

2.按照权利要求1所述具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法，其特征在于：所述金属件为金属材料铝、镁、铜、锌、钛、钢中的至少一种。

3.按照权利要求1所述具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法，其特征在于：所述螺钉的材质与被连接金属件相同，或者为性能更好的异种金属材料。

4.按照权利要求1所述具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法，其特征在于：所述摩擦焊接方法为无针式搅拌摩擦焊。

5.按照权利要求4所述具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法，其特征在于：所述无针式搅拌摩擦焊的焊接工具仅有轴肩而没有搅拌针。

6.按照权利要求1或4所述具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法，其特征在于：所述焊接工艺参数为：工具转速400-4000转/分钟，压下速度10-100毫米/分钟，压下量0.1-2毫米，保压时间1-20秒钟。

7.按照权利要求1所述具有密封效应的嵌入式金属材料连接方法，其特征在于：所述焊接层的厚度为几毫米深。