CN104923911B - 一种异种金属搅拌摩擦焊接单面焊双面成形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异种金属搅拌摩擦焊接单面焊双面成形的方法及装置，是在刚性支撑平台上固定高熔点金属和低熔点金属两种工件，使用搅拌头搅拌摩擦焊接，搅拌头偏向于低熔点金属一侧，搅拌针的旋转方向与焊接行进方向之间的关系为：当高熔点金属位于焊接行进方向的左侧，低熔点金属位于焊接行进方向的右侧，则搅拌针为顺时间方向旋转。本发明利用现有设备改造，用较小的投入解决了铝铜、铝钢等异种金属间搅拌摩擦焊单面焊双面成形问题。采用手工操作为科研教学提供了极为便利、简洁的实验操作方式。

Description

一种异种金属搅拌摩擦焊接单面焊双面成形的方法

技术领域

本发明涉及一种异种金属间的搅拌摩擦焊工艺方法，特别是手工操作下的异种金属间搅拌摩擦焊接单面焊双面成形的方法及装置。

背景技术

随着工业生产和人类生活水平的不断提高，利用异种金属连接的结构越来越多地使用，如，铜和铝、铝和钢、铝和钛以及铜和钢、铜和钛等的连接使用，特别是铜铝、铝钢之间的连接。由于上述连接金属的性能相差很大，如密度、导热性、导电性、线胀系数等。此外，两种金属熔化混合后可能会产生脆性的金属化合物，难以满足接头质量的性能要求。因此采用熔化方法焊接异种金属的工艺过程是非常复杂和难以控制的。实现异种金属间的焊接最理想的工艺方法是采用固态焊接，其实现思路是在清除两结合面上的氧化膜的基础上，通过在两结合面连接处施加足够的压力和温度就能使新鲜的两连接面得以结合连接。目前可以实现压力连接的新方法有，爆炸焊、电磁脉冲焊以及搅拌摩擦焊接。搅拌摩擦焊接是由英国焊接研究所于1991年发明的一种固相焊接技术，它解决了活性且较低熔点金属的焊接技术难题。在此基础上，中国专利200810230080.4提出了有关铜铝异种金属搅拌摩擦焊接的工艺方法。此外，南昌航空大学柯黎明等也发表了关于铝合金LF6与工业纯铜T1的搅拌摩擦焊工艺研究等相关技术文章。在上述技术文献介绍的焊接过程中，都没有提及到异种金属间单面焊双面成形的工艺技术。而目前仅由中国专利200810202856.1提供了关于搅拌摩擦焊接铝及其合金的同种材质的单面焊双面成形技术。

截至目前，搅拌摩擦焊技术仍处于专利保护下，搅拌摩擦专用焊机设备庞大，国内外一般都设计成自动化水平相对较高的设备，因此其价格很高。据了解其国内价格一般在百万元以上，一些较小的科研、教学机构和企事业单位就只能望尘莫及了。此外，从培养人才的角度看，手工操作是进行自动化操作的基础，基本的手工操作能够帮助理解和领悟焊接参数对焊缝成形的影响具有很深的意义。因此，可以说自动化程度高的搅拌摩擦焊设备对于初学习搅拌摩擦焊技术的人员不一定适合。因此，对于一般非特殊要求的科研、教学究机构能够实现搅拌摩擦基本功能，满足基本焊接质量要求的质优价廉的简单手动焊机是更能满足需求的。

发明内容

本发明的目的是提供一种异种金属搅拌摩擦焊接单面焊双面成形的方法及装置，以解决铝铜、铝钢等异种金属间搅拌摩擦焊单面焊双面成形问题。

本发明采用的技术方案是：一种异种金属搅拌摩擦焊接单面焊双面成形的方法，是在刚性支撑平台上固定高熔点金属和低熔点金属两种工件，使用搅拌头搅拌摩擦焊接，搅拌头偏向于低熔点金属一侧，搅拌头偏向于低熔点金属一侧的偏置量为0.1～0.5倍的搅拌针直径。当搅拌针在低熔点金属侧偏置量达到0.5倍时，搅拌针基本全部处于低熔点金属一侧，搅拌针与高熔点金属侧面仅仅是摩擦过程，搅拌针的旋转方向与焊接行进方向之间的关系为：当高熔点金属位于焊接行进方向的左侧，低熔点金属位于焊接行进方向的右侧，则搅拌针为顺时间方向旋转；反之如果调换高熔点金属与低熔点金属位置或改变焊接行进方向，搅拌头的旋转方向都是相反的；在焊接过程中要始终使搅拌针穿透工件背面，实现穿孔焊接，以达到单面焊双面成型。

异种金属间的搅拌摩擦焊接相对同材质的搅拌摩擦焊接而言技术难度要大一些。特别像铝和铜、铝和钢、铝和钛等这些熔点相差较大的金属间搅拌摩擦焊，不能简单地采用将塑性化的两种金属搅拌混合均匀的办法来实现焊接。采用摩擦加热低熔点金属一侧使其达到塑性化，而高熔点金属侧仅达到一定温度并保持活化状态实现焊接是相对比较容易的。在搅拌头偏置到低熔点金属一侧后，通过高速旋转摩擦低熔点金属产生加热过程。加热塑性化的低熔点金属在搅拌针旋转带动下，塑性化的低熔点金属流向高熔点金属侧的焊接活化面。通过给搅拌针施加一定的侧向压力将塑性化的低熔点金属挤压到高熔点金属的活化面。在挤压的同时，旋转的搅拌针与高熔点金属活化面也进行着摩擦接触，在接触的过程中及时消除表面所生成的氧化膜，产生新鲜的高熔点金属面。这就满足了异种金属压力焊接的基本要求。这一过程有点像水泥瓦工利用手中的压板工具在现存墙面上压抹水泥桨的过程，因此可以形象地称之为“抹墙模型”。在这一模型过程，要实现异种金属间的搅拌摩擦焊接必须要正确选择焊接的行进方向和搅拌针的旋转方向。

本发明针对小型实验室对搅拌摩擦焊机的小型化、简单化的使用要求，利用普通台式钻床改装成了手摇动搅拌摩擦焊机，其主要组成有：拥有较大功率（2KW以上）电机的台式钻床系统、专用搅拌头、搅拌头行走导向槽板、具有3～5°倾角的刚性支撑平台、支撑平台移动卡紧装置及工件夹持机构。

实现异种金属间的搅拌摩擦焊接单面焊双面成形，首先必须遵循上述“抹墙模型”。其次，要实现背面成形，就要保证搅拌针能够将厚度方向上的全部塑性化的低熔点金属挤压到高熔点金属侧。为防止塑性化的低熔点金属在搅拌针的挤压下往下外溢，要求在接缝的底部添加衬垫，衬垫材质可选用与低熔点金属相近的材料。而要实现单面焊双面成形还需要在搅拌摩擦焊接时要求垫板不能焊敷（或尽可能少量地）到低熔点金属上。本发明在工件下面设有钢制软垫板，钢制软垫板上面有与焊缝相对应的二级台阶凹槽，在二级台阶凹槽上槽口中放有与低熔点金属材质相近的衬垫，衬垫厚度为0.5～1mm。当搅拌针穿过焊接工件下压到衬垫上后，由于衬垫薄且下部预留间隙，使其有空间进行变形，这样就减少了焊连到工件背面的可能性。

本发明根据异种金属的搅拌摩擦焊的“抹墙模型”设计了专用的搅拌头及其搅拌针。搅拌头的搅拌针3主体为等径圆柱体，等径圆柱体长度与工件的厚度相等；在搅拌针底端中心有球形凸起，球形凸起的高度为0.5～１mm，其作用是在焊接过程穿透低熔点金属形成小孔。再穿过低熔点金属后给予背面衬垫板一定的压力，使衬垫板与焊接低熔点金属分离，降低两者之间的焊敷连接可能性。

搅拌头夹持端，搅拌头轴肩以及搅拌针三部分可以是整体加工，也可以是三部分分别选材加工后组合。搅拌头材料选用的多样性。搅拌头的夹持部分主要是传递扭矩和下压力，可选用高强钢，如中碳调质钢。轴肩和搅拌针部分考虑到焊接过程中的磨损和受力情况，由于焊接时搅拌头存在偏置，搅拌头轴肩在焊接过程中大部分过程与低熔点金属接触摩擦，少部分与高熔点金属接触摩擦。此外，在与低熔点金属接触摩擦过程中会在轴肩端面粘敷大量的低熔点金属（特别是铝焊接时），这些金属的存在会在一定程度上保护轴肩的磨损。因此，轴肩所用材料可选用既耐磨又容易加工的材料，如高速钢、钨钢等。在焊接过程中搅拌针既要与低熔点金属进行摩擦产热，又与高熔点金属进行摩擦消除氧化膜。在旋转前进过程中，受到前进方向和侧向的挤压反作用力。由此可见，搅拌针的受力过程相对复杂且承受强烈的磨损。因此在搅拌针的选材方面要既考虑高温强度又要考虑高温耐磨性。基于此，本发明所设计的搅拌针选用硬质合金、立方氮化硼等高耐磨性材料等。搅拌头组成各部分的连接方式多样性。搅拌头各部分的组合方式可采用两种方式。第一种是永久链接，可采用摩擦焊接或过盈配合安装。第二种是可拆卸调整连接。也就是三部分连接后可以拆下来进行搅拌针的长度调整。搅拌头的安装连接方法：（1）摩擦焊接方法。提前用线切割将硬质合金材料或高速钢材料按照所设计的搅拌针直径尺寸加工长度为数倍长的搅拌针。同时通过机加工的方式将搅拌头本体完毕。将搅拌针安装到车床的卡盘上，将本体安装到车床的顶尾端。利用摩擦焊接的方式，将两者焊接在一起，最后将按照设计搅拌针长度利用线切割机将搅拌针切断并加工出顶端。（2）过盈配合热套法，将搅拌针安装在一欲加载设备上并与搅拌头本体安装孔对中，对搅拌针稍加一定预压力，然后利用火焰或感应加热方式对搅拌头本体进行加热，当温度达到本体塑性化温度后，启动加压装置，将搅拌针压入搅拌头本体中。（3）可拆卸调整就是采用反扣螺纹链接。反扣螺纹链接可以根据工件厚度进行长度调整，具有很好地焊接厚度适应性。在反扣螺纹连接时，可将搅拌针全长度都加工出反扣螺纹，通过向螺纹孔内填加调节短节后，就可调节出搅拌针的长度。同时，搅拌轴肩的连接螺纹也需要加工出反扣螺纹与搅拌针相配合。

本发明在搅拌头移动行走的两边安置了导向槽板。由于钻床主轴刚度有限，在改造成搅拌摩擦焊机时，刚度可能不够。在异种金属焊接时，由于两边金属的性能有差异，加剧了横向摆动的幅度。严重影响焊道成型和焊接质量，甚至造成焊道偏离接缝。为解决此问题，在搅拌头移动边缘安置行走导向槽，提高了主轴的刚度，约束搅拌头的横向摆动。导向槽可采用以厚度为3～4㎜的低碳钢制造。规格尺寸为50×150×3～4.槽位于板中央，槽宽度为搅拌头轴肩直径。

本发明利用现有设备改造，用较小的投入解决了铝铜、铝钢等异种金属间搅拌摩擦焊单面焊双面成形问题。采用手工操作为科研教学提供了极为使利、简洁的实验操作方式。

附图说明

图1为现有采用垫板的单面焊双面成型搅拌摩擦焊示意图，其中3为搅拌针，6、8为焊接工件，4为材质薄衬垫，10为钢制软垫板；

图2为异种金属搅拌摩擦焊接行进方向与搅拌头旋转方向之间的关系示意图，其中6为高熔点金属，8为低熔点金属，2为搅拌头轴肩，3为搅拌针。

图3为使用钢制软垫板的异种金属搅拌摩擦焊接行走示意图，其中4为与低熔点金属相近材质衬垫，5为导向槽板，6为高熔点金属，7为预留变形空间，8为低熔点金属,9为销钉，10为钢制软垫板，11为支撑平台，12为十字移动平台钳口。

图4为搅拌头结构示意图，其中1为搅拌头夹持端，2为搅拌头轴肩，3为搅拌针。

图5焊接实施过程示意图。其中1为搅拌头夹持柄，2为搅拌头轴肩，3为搅拌针，4为与低熔点金属相近材质衬垫，5为导向槽板，6为高熔点金属，7为预留变形空间，8为低熔点金属,9为销钉，10为钢制软垫板，11为支撑平台，12为十字移动平台钳口。

具体实施方式

本发明用普通台式钻床改装成了手摇动搅拌摩擦焊机，将电机改成2KW以上的功率，搅拌头具有夹持端1、轴肩2和搅拌针3，刚性支撑平台11具有3～5°的倾斜角度，支撑平台移动卡紧装置采用十字移动平台，工件夹持机构为四个大力钳。

焊接操作过程：

1、根据焊接规范调整好钻床转速档位。

2、将钢制软垫板10通过销钉9固定到刚性支撑平台11上，之后将刚性支撑平台11及钢制软垫板10安置在到十字移动平台钳口12中平稳放置，刚性支撑平台11安装时要注意将高的一端安置在起焊位置，低的一端安置到焊接终点端。

3、将预先加工好的与低熔点金属相近材质的衬垫4放置到钢软垫板10的二级台阶槽口中，在衬垫4下面留有预留变形空间7。

4、焊接工件准备，根据钳口大小及可移动范围大小确定工件的宽和长度尺寸。将待焊接端面加工平直并清理附近区域的氧化膜及其他异物。

5、根据钻床的转动方向和预设焊接行走方向确定低熔点金属板8和高熔点金属板6的放置位置，并将两焊接接缝处置于钢制软垫板10的预留空间槽7的一个规定边缘处。

6、安装搅拌头行走导向槽板5，导向槽板5的两槽边缘位置处于焊接时搅拌头轴肩2两侧边缘处。利用四个大力钳将导向槽板5、高熔点金属板6和低熔点金属板8、钢制软垫板10及刚性支撑平台11一并卡紧固定在十字移动平台钳口12内。

7、搅拌头的安装及高度调整，将搅拌头夹持端1安装到钻床夹头中并拧紧。通过调整钻床夹头位置进而调整搅拌头高度位置，使其轴肩2端面能够到达焊接试板6或8的焊接终端上表面位置下2mm左右。

8、调整搅拌头的位置，将搅拌头调整到导向槽5内的起始焊接端位置。

9、开始焊接，在准备好上述工作后，启动电机，下压搅拌头使其与低熔点金属8接触并开始摩擦，不断增加下压力，待搅拌针3全部进入低熔点金属8板内后保持稳定的压力进行摩擦预热。在预热过程中当发现高熔点侧金属6发生颜色变化（或低熔点材料8，如铝表面有气体蒸发）后，开始缓慢摇动手柄使十字移动平台架前进从而形成焊接过程。在焊接过程要时刻关注焊缝的表面成形情况，依其情况确定移动速度。

10、焊接结束时，首先停止手柄摇动，然后缓慢抬起搅拌头，按下电机停止开关结束搅拌头转动。接着松开四个大力钳，取下导向槽板和焊接工件。

焊接实例：

1、铝铜焊接：铝板为纯铝板，厚度为5mm，铜板为T2纯铜板，厚度为5mm。两工件尺寸均为100×50×5mm。焊后表面良好，端面密实无缺陷，接头强度为铝母材强度的60%左右。

铝钢焊接：铝板为纯铝板，厚度为8mm，钢为低碳钢Q235，厚度为8mm。两工件尺寸为100×50×8mm。焊后表面良好，端面密实无缺陷，接头强度为铝母材强度的60%左右。

Claims (2)

1.一种异种金属搅拌摩擦焊接单面焊双面成形的方法，是在刚性支撑平台（11）上固定高熔点金属和低熔点金属两种工件，使用搅拌头搅拌摩擦焊接，搅拌头偏向于低熔点金属一侧，其特征是：当搅拌针在低熔点金属侧偏置量达到0.5倍时，搅拌针基本全部处于低熔点金属一侧，搅拌针与高熔点金属侧面仅仅是摩擦过程，搅拌针的旋转方向与焊接行进方向之间的关系为：当高熔点金属位于焊接行进方向的左侧，低熔点金属位于焊接行进方向的右侧，则搅拌针为顺时间方向旋转；反之如果调换高熔点金属与低熔点金属位置或改变焊接行进方向，搅拌头的旋转方向都是相反的；在焊接过程中要始终使搅拌针穿透工件背面，实现穿孔焊接；加热塑性化的低熔点金属在搅拌针旋转带动下，塑性化的低熔点金属流向高熔点金属侧的焊接活化面，通过给搅拌针施加一定的侧向压力将塑性化的低熔点金属挤压到高熔点金属的活化面，在挤压的同时，旋转的搅拌针与高熔点金属活化面也进行着摩擦接触，在接触的过程中及时消除表面所生成的氧化膜，产生新鲜的高熔点金属面，满足了异种金属压力焊接的基本要求；在工件下面设有钢制软垫板（10），钢制软垫板（10）上面有与焊缝相对应的二级台阶凹槽，在二级台阶凹槽上的槽口中放有与低熔点金属材质相近的衬垫（4），衬垫（4）厚度为0.5～1mm，当搅拌针穿过焊接工件下压到衬垫上后，由于衬垫薄且下部预留间隙（7），使其有空间进行变形，减少了焊连到工件背面的可能性；搅拌头的搅拌针（3）主体为等径圆柱体，等径圆柱体长度与工件的厚度相等；在搅拌针底端中心有球形凸起，球形凸起的高度为0.5～１mm；刚性支撑平台（11）具有3～5°的倾斜角度；工件夹持机构为四个大力钳。

2.根据权利要求1所述的异种金属搅拌摩擦焊接单面焊双面成形的方法，其特征是：在工件上面沿焊接方向设有二个导向槽板（5），二个导向槽板（5）之间的宽度与搅拌头的轴肩（2）直径相等。