CN103846542A - 一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法，本发明包括固相焊接工艺及焊接工具，其特征在于，焊接工具采用了双动控制的搅拌针和轴肩分离式工具，所述搅拌针轴向运动采用恒压力控制；所述轴肩采用位移控制。所述搅拌针端部与母材具有大面积接触摩擦特征，所述轴肩端面设计三渐开线凹槽使材料具有内聚趋势；所述的铝材与高熔点金属固相焊接工艺，通过采用上述焊接工具配合合适的焊接参数对界面金属间化合物层进行控制，进行无倾角搅拌摩擦焊连接。该方法能够实现铝及铝材与高熔点金属的高强度、高稳定性连接，解决了异种金属焊接界面金属间化合物控制难题。

Description

一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法及装置

 

技术领域

本发明属于焊接领域，具体涉及一种固相焊接技术，尤其涉及一种铝材与高熔点金属或铝基复合材料搭接固相焊接方法及装置。

背景技术

在工业领域，异种金属复合结构由于集成了两种材料各自的优点而获得了越来越广泛的应用，特别是铝及铝材与其它高熔点金属如碳钢、不锈钢、钛合金、铜合金等。铝及铝材具有轻质、高导热性、高导电性等特点，而高熔点金属具有高强度、塑韧性好等特点，它们组成的复合结构可以有效减重或是实现结构功能一体化。如汽车领域铝材板材与镀锌钢材的复合连接结构、医疗器械领域铝材与不锈钢的连接、热控领域铝材与铜合金的连接、电子领域铝材与铝基复合材料的连接等。

采用传统的焊接方法，如熔化焊、熔钎焊等连接铝合金与异种金属或金属基复合材料面临了巨大挑战。其根本原因在于，铝与上述材料将形成脆性的金属间化合物，金属间化合物界面层的控制成为焊接技术难题。因而，对于上述异种材料的复合结构而言，传统的焊接手段难以实现高质量与高稳定性的连接。

目前，搅拌摩擦焊是一种固相连接方法，其主要的连接机制是通过搅拌工具的旋转摩擦产热，使材料进入塑性状态，再通过工具的搅拌与局部锻造、被连接材料的动态再结晶形成致密的焊缝。这种连接方式材料不发生熔化，从而避免了很多冶金缺陷的产生，非常适合于铝及铝合金、镁合金、铜及铜合金等材料的焊接。同样，由于被焊材料并不熔化，可以有效避免异种材料焊接时形成过厚的界面金属间化合物导致的接头脆性但是，在铝材与高熔点材料的搅拌摩擦焊过程中，仍有尚需解决的几个问题：

一是焊接工具的位置控制问题：由于一般情况下焊接工具采用工具钢，如果直接插入高熔点金属进行搅拌焊接，焊接工具将会很快磨损，并且由于焊接工具与高熔点金属的剧烈摩擦，将会产生局部高温，导致附近的铝材熔化，与钢进行冶金反应形成脆性的金属间化合物。因此，如何控制焊接工具的位置，让其与高熔点金属产生紧密接触、适度摩擦，而不会出现过摩擦或摩擦不足，这是焊接质量控制的关键。

二是焊接质量的稳定性与可靠性问题：由于铝合金与高熔点金属的连接质量主要取决于两者之间的界面，当焊接工具紧贴高熔点金属表面适度摩擦，去除表面氧化膜的同时，还需提供适当的界面反应温度、适当的顶锻力，保证连接界面反应的有效性和适度性。所谓有效性，是指界面反应需要达到一定程度才能形成良好连接，所谓适度，即界面反应不能过度，否则过厚的金属间化合物将损害接头力学性能。因此，接头界面温度、焊接顶锻力的控制也是焊接质量控制的关键，如果通过提高旋转速度或降低焊接速度来增加焊接热输入，提高界面反应所需温度，此时铝合金板位于搭接接头上部，主要的热量由轴肩产生，上部铝合金将会明显过热，过热的软化状态铝合金不能有效地将轴肩的顶锻力传递到搭接界面，从而也难以获得良好的界面连接质量。因此，需要解决界面局部高温而同时避免接头整体过热的矛盾。

三是界面材料的有效传质问题：一方面是指搭接界面氧化膜的破除、弥散，另一方面是指材料的有效流动带来的摩擦热会给界面反应提供足够的温度。传统的搅拌摩擦焊工具，搅拌针端部为圆锥状，在与搭接接头下板高熔点的接触时，面积较小，一般可简化为点接触。另外搅拌工具由轴肩往下，与母材的接触面积是逐渐减小的。因而传统搅拌摩擦焊过程，工件表面温度最高，材料流动最剧烈，由表面往下则传质越困难、温度越低。对于铝合金与高熔点金属的搭接接头，其所需要的最好状态是在界面具有最佳的材料流动与足够的温度，这样有助于获得良好的界面连接效果。

上述问题的存在，使得搅拌摩擦焊焊接铝材与高熔点金属具有特殊性，必须采用新型的焊接方法与焊接工具，才能保证这种异种金属材料的高质量、高稳定性焊接。

 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法及装置。

本发明是通过以下技术方案实现的： 

一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法，包括铝材与高熔点金属及焊接工具，所述焊接工具主要包括搅拌针和轴肩，所述搅拌针的轴向运动采用恒压力控制，所述搅拌针在恒定的轴向顶锻力作用下紧贴高熔点金属的搭接界面摩擦；所述轴肩采用位移控制，可根据被焊工件平整情况及焊接质量调节轴肩下压量。这种控制方式可以根据工件的装配实际情况和焊接情况进行实时调整，保证焊接区域材料能够获得轴肩的紧密压实。搅拌针则采用恒压力控制方式，即不限定搅拌针的轴向位移，可以根据高熔点金属实际的表面凹凸情况、搅拌针的磨损情况进行小范围位移移动。但是给搅拌针施加恒定的顶锻力，这个顶锻力保证搅拌针时刻紧贴高熔点金属进行摩擦。摩擦的程度可以通过改变顶锻力的大小来进行调整。

一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法及装置，其另一个显著特征是搅拌针端部采用了大接触面积设计，典型的是端部为分叉三棱柱或双棱柱形状，端部中心是内凹形状，可容纳一定体积的铝合金材料。这种设计方式一方面可以增加界面附近的搅拌工具与母材的接触面积，获得界面反应所需的足够温度的同时，而不会造成铝合金材料全面过热；另一方面，材料在界面处将获得足够的搅拌作用而得到充分流动，铝合金与高熔点金属搭接界面的氧化膜将会有效弥散到接头内部。

一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法，采用了无倾角焊接方式。采用无倾角焊接手段，材料的内聚和压实通过在轴肩端部设计渐开线凹槽（6）来实现，轴肩旋转时，材料由凹槽（6）导向内聚，再经由搅拌针的螺纹槽向下流动，对材料形成顶锻。这样可以有效避免飞边的产生，焊缝表面无需明显下凹即可获得致密的焊缝。无倾角焊接的另一个关键的考虑是搅拌针（1）端部为分叉的双棱柱或三棱柱形状，如果采用倾角焊接，连接界面上任何时候都仅有一处位置与搅拌针端部接触摩擦；若采用无倾角焊接，搭接界面将具有两处以上的位置与搅拌针进行摩擦，并且这种摩擦前后可重叠，这大大增加了搭接界面氧化膜破除的可靠性和完整性。此外，由于前后摩擦相距有一段距离，这也为界面反应提供了更多的时间。

本发明为解决铝及铝合金与其它高熔点金属，如碳钢、不锈钢、铜合金、钛合金等材料焊接时的焊接质量控制问题，采取的技术方案为：一种双动控制搅拌摩擦焊工具配合无倾角焊接工艺，进行异种材料的高质量与高稳定性焊接，综上，与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

（1）采用搅拌针与轴肩分离设计的双动控制，结合恒压力控制与位移控制来保证对连接界面的适度摩擦，克服传统搅拌摩擦焊连接界面摩擦与轴肩摩擦不可分离控制的困难；

（2）采用了中空分叉式搅拌针形状的工具，提高了对连接界面及附近母材的摩擦面积，为界面反应提供足够温度；

（3）采用了无倾角焊接方法，设计的轴肩形状具有材料内聚效应，可以获得搅拌工具对连接界面的面摩擦效果，提高界面连接强度。

本发明的关键创新在于采用了分离式双动控制的搅拌摩擦焊工具及相应的无倾角焊接工艺，设置了可位移控制的轴肩、恒压力控制的搅拌针，并且采用了无倾角焊接手段，实现了对铝及铝合金与异种金属（高熔点金属、金属基基复合材料材料等）的连接界面反应控制难题，使上述异种金属的高质量、高可靠焊接成为可能，该焊接方法容易实现，具有重要的工程应用价值。

 

附图说明

图1为本发明一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法示意图；

图中：1为搅拌针，2为轴肩，3为焊缝，4为铝材；5为高熔点金属，7和8为接触摩擦点。

图2为本发明一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接装置的轴肩端面形状示意图；

图中：2为轴肩，6为渐开线凹槽。

具体实施方式

以下通过较佳实施例对本发明的技术方案进行说明，但下述实施例并不能限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法，包括铝材（4）与高熔点金属（5）及焊接工具，所述焊接工具主要包括搅拌针（1）和轴肩（2），所述搅拌针（1）的轴向运动采用恒压力控制，所述搅拌针（1）在恒定的轴向顶锻力作用下紧贴高熔点金属（5）的搭接界面摩擦；所述轴肩（2）采用位移控制，可根据被焊工件平整情况及焊接质量调节轴肩下压量。

本实施例中，所述焊接工具采用轴肩（2）与搅拌针（1）分离式设计，旋转运动采用同一电机进行驱动，两者具有相同的旋转速度，典型的选择速度为1000~3000rpm；

在轴向运动上，搅拌针（1）与轴肩（2）采用了不同的控制方式，轴肩（2）采用位移控制方式，即采用电机驱动轴向运动，来获得不同的轴肩（2）压入量。这种控制方式可以根据工件的装配实际情况和焊接情况进行实时调整，保证焊接区域材料能够获得轴肩（2）的紧密压实，典型的轴肩下压量为0.1~0.2mm；

搅拌针（1）则采用恒压力控制方式，即不限定搅拌针（1）的轴向位移，可以根据高熔点金属（5）实际的表面凹凸情况、搅拌针（1）的磨损情况进行小范围位移，典型的位移范围为0.5~2mm，给搅拌针（1）施加恒定的顶锻力，对于2~5mm铝合金壁厚，典型的顶锻力为1~2t，这个顶锻力保证搅拌针（1）时刻紧贴高熔点金属（5）进行摩擦，摩擦的程度可以通过改变顶锻力的大小、焊接速度来进行调整。

本实施例中，焊接过程采用无倾角焊接手段，轴肩（2）的摩擦端面由外向内分别为平面和内凹面，轴肩平面段上采用了具有材料内聚功能的渐开线凹槽（6）实现无倾角焊接，凹槽（6）向外沿轴肩（2）外倒角相接而逐渐变浅消失，向内与轴肩（2）内凹面相交而逐渐变浅。典型的凹槽深度为0.5mm；搅拌针（1）端部采用了大接触面积设计，典型地，端部形状为分叉三棱柱或双棱柱形状，端部中心具有容纳铝材材料的容置空间；这样搅拌针（1）在与搭接界面摩擦时至少具有接触摩擦点（7）和摩擦点（8），通过搅拌针（1）旋转可由传统焊接工具的点摩擦变为线摩擦，并且摩擦点（7）和（8）的摩擦效果可实现叠加，当焊接工具移动时，可实现对搭接界面的面摩擦。

以上公开的仅为本申请的典型实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (5)

1.一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法，包括铝材与高熔点金属的焊接工艺及焊接工具，其特征在于，焊接工具主要包括搅拌针（1）和轴肩（2），所述搅拌针（1）的轴向运动采用恒压力控制，所述搅拌针（1）在恒定的轴向顶锻力作用下紧贴高熔点金属的搭接界面摩擦；所述轴肩（2）采用位移控制，可根据被焊工件平整情况及焊接质量调节轴肩下压量；焊接时焊接工具垂直与被焊工件表面，倾角为0°。

2.一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接工具，其特征在于：搅拌针（1）端部形状为分叉三棱柱或双棱柱形状，端部中心具有一定容纳铝合金材料的空间；轴肩（2）的摩擦端面由外向内分别为平面和内凹面，典型地，平面段占轴肩摩擦端面直径>50%，内凹面的内凹度为6°~7°。

3.根据权利要求书2所述的焊接工具，其特征在于，轴肩（2）采用了三渐开线凹槽，该凹槽典型深度为0.5~1mm，向外沿轴肩外倒角相接而逐渐变浅消失，向内与轴肩内凹面相交而逐渐变浅；搅拌针（1）表面具有反向螺旋凹槽，旋转时将带到材料向板厚深度方向流动。

4.如权利要求1所述的一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法，其特征在于，所述轴肩（2）的轴向运动通过电机驱动控制实现；所述搅拌针（1）的恒压力控制通过液压方式或可压缩强力弹簧实现；所述搅拌针（1）的旋转运动通过电机驱动轴肩，所述轴肩与搅拌针之间通过可轴向滑动的键槽连接传动扭矩。

5.如权利要求1所述的一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法，其特征在于，所述铝材为搭接接头上板，所述高熔点金属为搭接接头下板；所述高熔点金属也包括金属基复合材料和有金属涂镀层的高熔点金属，如铝基复合材料、铜基复合材料、镀锌钢板等。

Images