CN104923927A - 一种用于异种金属搭接结构的搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种用于异种金属搭接结构的“搅拌摩擦焊-钎焊”复合焊接方法，其操作过程如下：焊接前，将硬度较小的材料置于上层，硬度较大的材料置于下层，两板之间放置低熔点软钎料，如纯Zn或者Zn基钎料；将高速旋转的搅拌头插入到上层金属中，搅拌针进入到下层金属，用搅拌摩擦热将夹在两种金属之间的钎料熔化；最后在轴肩的压力作用下挤出多余的熔化钎料，实现界面的净化，形成扩散连接达到焊接的目的。本发明能够获得复合焊缝，可增大搭接结构的有效搭接宽度，减小搭接界面的应力集中和界面效应，提高接头的服役性能。

Description

一种用于异种金属搭接结构的搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接方法

技术领域

本发明属于金属焊接领域、涉及一种异种金属搭接结构同时实现搅拌摩擦焊连接和钎焊连接的复合焊接方法。

背景技术

异种金属焊接接头由于兼具两种金属的性能，具有优势互补、扬长避短的效果,因而在许多领域得到广泛的应用。如，在汽车工业领域中，采用铝/钢双金属接头能够在保证接头承载能力的前提下，大幅度的降低结构的自身重量，为减轻车身重量，降低油耗奠定基础，研究表明，当汽车自重每减轻25%，能够节省50%的燃油损耗；在航空工业领域中，“减轻重量，提高推重比”成为降低飞行成本的重要设计措施，为此，在飞机座椅导轨中，采用铝/钛复合结构代替了全钛合金结构，能够在保证结构强度的条件下，大幅度地降低结构的自身重量。在异种金属搭接结构的焊接过程中，存在的主要问题是由于两种金属的理化性质存在差异，导致无法形成焊缝；焊后接头存在焊接残余应力导致开裂和变形；接头中的脆性金属间化合物导致接头脆化等问题。目前，国内外常用的异种金属搭接结构的焊接方法主要有熔化焊、钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊等。采用熔化焊对异种金属搭接结构进行焊接时，由于材料的熔点相差较大，低熔点材料熔化时高熔点材料尚未达到熔点，难以形成焊缝；或者两种材料热膨胀系数相差较大，导致焊缝区域变形不协调，容易产生焊接变形和应力集中，焊缝容易开裂；两种材料相互溶解易形成脆性金属间化合物，化合物在焊缝中大量存在会使得焊缝脆化，承载力低。熔化焊的焊缝宽度要小于接头的搭接宽度，这导致搭接结构中存在未焊合的搭接界面，界面容易产生应力集中以及在腐蚀介质中容易聚集腐蚀液而成为整个结构的薄弱区域。钎焊的优点是焊接效率高，能够实现批量生产。缺点是由于钎料的存在，导致接头耐腐蚀性及承载能力较低，无法在高于钎料熔点的温度下使用，降低了母材的使用范围。扩散焊能够获得质量较高的焊接接头，但是由于扩散的速度较慢、焊前清理要求较高，导致了扩散焊的效率低，成本较高，不适合大批量的生产。搅拌摩擦焊在焊接异种金属时由于被焊材料不发生熔化，焊缝中金属间化合物的量较少；焊缝热输入较低，焊后焊缝的残余应力小，焊接变形较小，对于异种金属的焊接具有一定的优势。但是，采用搅拌摩擦焊焊接搭接结构时，由于搭接界面存在界面迁移，会减小界面的有效承载厚度。同时，搭接界面处未焊合区的存在类似于焊缝中的裂纹尖端，承载过程中容易在该处产生应力集中，导致开裂；在腐蚀介质中服役的结构，容易被腐蚀液浸入，并且由于表面吸附作用，腐蚀液聚集，难以清除，导致局部腐蚀，使结构失效。

基于以上分析，针对传统熔化焊和搅拌摩擦焊在焊接搭接结构的缺点（存在搭接界面、有效承载厚度减小、搭接界面尖端容易萌生裂纹、聚集腐蚀液）。本发明提供一种“搅拌摩擦焊-钎焊”复合焊接方法，该方法在消除搭接界面以及弱化界面处尖端效应，防止腐蚀液聚集等方面具有极大的优势。同时，该方法能够对焊缝中的金属间化合物进行干扰和调控有利于接头异种金属间的连接。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的在于提供一种用于焊接异种金属搭接结构的“搅拌摩擦焊-钎焊”复合焊接方法，它适用于Al/（Fe、Mg、Cu、Ti）以及Mg/（Fe、Al、Cu、Ti）等有色金属的焊接，能够获得复合焊缝，可增大搭接结构的有效搭接宽度，减小搭接界面的应力集中和界面效应，提高接头的服役性能。

本发明是这样来实现的，一种用于焊接异种金属搭接结构的“搅拌摩擦焊-钎焊”复合焊接方法，其特征步骤如下：

（1）焊接前，将两种金属搭接固定在一起，硬度较大的金属材料（如Fe、Ti）置于下层、硬度较小的材料（如Al、Mg）置于上层，在两层金属之间添加一层熔点低于上层金属熔点80％、能与上下两板之一发生共晶反应的钎料或者自钎剂钎料，如纯Zn或者Zn基钎料；

（2）将搅拌针长度略大于或者等于上层金属板厚度的高速旋转的搅拌头对结构进行搅拌摩擦焊接，焊接过程中搅拌针要穿透上层金属板，进入下层金属中，用搅拌头轴肩与上板摩擦产生的热量在两种金属之间的钎料熔化；

 （3）最后熔化的钎料将上下两层金属的表面氧化膜溶解，在轴肩的压力作用下挤出多余的熔化钎料，实现接触界面的净化，界面处发生元素扩散，获得钎焊焊缝，形成扩散连接达到焊接的目的。同时，搅拌针作用区域的下层金属被塑化，而进入到上层金属中，实现搅拌摩擦焊接。

本发明在上述过程中，熔化的钎料也会随着搅拌针的作用而进入到上层金属中，对焊缝的形成及组织产生影响，搅拌头停止旋转后，焊件冷却，获得钎焊和搅拌摩擦焊复合焊缝，形成工件的连接。

本发明的工作原理是：高速旋转的搅拌头与铝合金上板摩擦产热，热量经传导将中间的锌基钎料熔化；熔化的钎料将上下板材的氧化膜溶解，随后，在搅拌头的轴向压力作用下被挤出，净化接触界面，使接触界面发生扩散连接；一部分钎料经过搅拌针的搅拌作用，进入到焊缝中，对焊缝中两种母材的反应进行干扰和调控。经过焊接的接头包括三部分：第一是搅拌针作用区域形成的搅拌摩擦焊接焊缝，第二部分是轴肩压力作用区域外的，以中间金属为钎料形成的钎焊焊缝，第三部分为轴肩压力作用区域所形成的扩散焊焊缝。

本发明的效果是：与传统的钎焊或者扩散焊相比，本发明的优势在于，免去了钎焊过程中钎剂等的保护，采用摩擦热为热源，绿色、清洁，焊前不需要严格的界面清理准备；在焊接过程中没有出现两种母材的熔化，有效地避免了产生脆性金属间化合物的问题。

与传统的搅拌摩擦焊相比较，增大了搭接接头的承载宽度和承载厚度，能够有效地利用材料；能够消除搭接界面，减小界面尖端处应力集中，有效地增加接头的服役性能；在焊缝中引入第三种元素对两种母材的直接反应进行干扰调控，有利于对金属间化合物的干扰，形成优质焊缝。

附图说明

图1为本发明中搅拌头的尺寸图。

图2为本发明焊接过程示意图。

图3为本发明焊缝的宏观形貌图。

图4为本发明焊接接头的横截面形貌图。

图中，1为搅拌头、2为上层金属、3为中间层金属、4为下层金属。

具体实施方式

如图2示，本发明是这样来实施的，一种用于异种金属搭接结构的“搅拌摩擦焊-钎焊”复合焊接方法，它包括搅拌头1、上层金属2、中间层金属3和下层金属4，其特征是：搅拌头1的轴肩在保持高速旋转的同时压紧上层金属2、搅拌针穿透上层金属2并且直接与下层金属4接触，轴肩与上层金属1相互摩擦产生的热量经过上层金属1的传导将中间层金属3熔化；熔化的金属3将界面处的上层金属1和下层金属4快速溶解，清除表明氧化膜的同时，消除加工硬化层，清洁接触界面使得界面处发生元素扩散，形成钎焊焊缝。同时，下层金属4在搅拌针的作用区域发生塑性变形，形成“Hook沟”，并有少量的金属随着金属流动进入上层金属1中，于此同时，少量的中间层金属3也随着金属的流动进入上层金属1中，三种金属在搅拌针的作用下形成搅拌摩擦焊焊缝。

所述上层金属为市售各系列铝合金、镁合金，厚度为1-10mm，所述下层金属为镁合金、钢板、钛板、铜板，所述中间层合金为锌基软钎料或者熔点低于500℃的自钎剂钎料，厚度小于0.5mm。所述搅拌头为传统搅拌摩擦焊用搅拌头，搅拌针长度等于略大于上层金属板厚度，材料为高温合金或者合金钢。

所述中间层金属选择锌基软钎料或者低熔点自钎剂钎料原因是：1、钎料能够将界面处的氧化膜以及加工硬化层去除，获得真正洁净的界面；2、钎料在搅拌摩擦焊温度范围内能够完全熔化，在压力的作用下基本挤出，尽可能少的残留在界面处。

现结合铝合金/钛合金焊接实例对本发明进一步进行阐述。

厚度为3 mm的2A14铝合金和3 mm的TC4钛合金异种金属搭接结构焊接。焊接试板尺寸均为长200 mm、宽80 mm，搭接宽度40 mm，所采用中间层金属为0.05 mm纯锌，尺寸为100 mm×40 mm。

具体焊接工艺如下：

焊前用酒精将铝合金板和钛合金板表面的油污清洗干净，用1000目砂纸打磨锌箔表，然后用酒精擦拭，吹风机吹干，待用。

将钛合金板锌箔铝合金板从下往上的顺序依次放好，钛合金和铝合金的搭接宽度为40 mm，搭接区域中间一端放置锌箔，一端不放，用于对比锌钎料的存在必要性。

用经改装过得X53K型摇臂铣床进行焊接，焊接中的参数为：搅拌头轴肩直径为15 mm、搅拌针长度3 mm、焊接行进速度60 mm/min、旋转速度750 rpm、搅拌头倾角2°、下压量0.3 mm。

焊接完成后待焊缝冷却一段时间再松开夹具，取出焊接试板。

以锌箔作为中间合金的搅拌摩擦焊－钎焊复合焊接方法获得的焊接接头的拉剪力为10.6 KN，远高于同样条件下搅拌摩擦焊焊接接头的抗拉剪力（6.5 KN）。

国家专利CN 101530947公开了一项关于搅拌摩擦钎焊的技术。基于该专利与本专利的工程应用有交叉之处，因此，需要对本发明与搅拌摩擦钎焊的区别进行阐述：

（1）在焊接方法上有本质不同，搅拌摩擦钎焊属于钎焊方法，是利用摩擦热来加热实现钎焊的方法。本发明是搅拌摩擦焊和钎焊两种方法复合在一起实现焊接的复合焊接方法。

（2）连接机制不同。搅拌摩擦钎焊是利用搅拌摩擦生成的热量作为加热方式的一种钎焊方法，其接头形成机理为钎焊连接，通过搅拌摩擦热将钎料熔化，然后将母材快速溶解，实现连接，获得的是钎焊焊缝；本发明在钎焊连接的基础上，同时还进行了搅拌摩擦焊接，利用金属的强烈塑性变形及金属流动再结晶等实现焊接，获得的焊缝是钎焊和搅拌摩擦焊复合焊缝。复合焊缝的存在能够在接头服役过程中，表现出更为优越的性能。钎焊焊缝在接头变形的初期对横向变形有较大的抵抗作用，搅拌摩擦焊焊缝的存在对接头的断裂起到关键的作用。

（3）钎料的作用不同。搅拌摩擦钎焊中，钎料是用于将母材快速溶解，以净化接触界面的；而在本发明中，钎料不仅仅能够将界面净化，实现钎焊连接，另一方面，钎料能够进入搅拌摩擦区，对该区域的组织进行调控，从而干扰钛-铝系金属间化合物的生成。钛合金和铝合金的直接接触反应会形成大量的各种脆性金属间化合物，金属间化合物的存在直接影响接头的服役性能。锌基钎料的进入，能够对接头中的金属间化合物生成及分布进行干扰阻隔，对接头性能有一定影响。

Claims (4)

1.一种用于异种金属搭接结构的“搅拌摩擦焊-钎焊”复合焊接方法，其特征方法步骤如下：

（1）焊接前，将两种金属搭接固定在一起，硬度较大的金属材料置于下层、硬度较小的材料置于上层，在两层金属之间添加一层熔点低于上层金属熔点80％、能与上下两板之一发生共晶反应的钎料或者自钎剂钎料；

（2）将高速旋转的搅拌头对结构进行搅拌摩擦焊接，焊接过程中搅拌针要穿透上层金属板，进入下层金属中，用搅拌头轴肩与上板摩擦产生的热量在两种金属之间的钎料熔化； 

 （3）最后熔化的钎料将上下两层金属的表面氧化膜溶解，在轴肩的压力作用下挤出多余的熔化钎料，实现接触界面的净化，界面处发生元素扩散，获得钎焊焊缝，形成扩散连接达到焊接的目的。

2.根据权利要求1所述的一种用于异种金属搭接结构的“搅拌摩擦焊-钎焊”复合焊接方法，其特征在于：所述上层金属为硬度较小的铝、铝合金或者镁合金，厚度为1-10 mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于异种金属搭接结构的“搅拌摩擦焊-钎焊”复合焊接方法，其特征在于：所述下层金属为硬度较大的钢板、钛板或者小硬度的铝板、镁板。

4.根据权利要求1所述的一种用于异种金属搭接结构的“搅拌摩擦焊-钎焊”复合焊接方法，其特征在于：所述搅拌头长度略大于或者等于上层金属。