CN105965150A - 一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：1）、确定两种金属板的相对厚度：2）、在两种金属板的焊接端加工接头结构：在低熔点金属板的焊接端加工一个矩形凹槽，在高熔点金属板的焊接端加工一个矩形凸台，矩形凸台的高度与厚度分别与矩形凹槽的深度和宽度相匹配；3）、确定是否需要添加能够避免或减少金属间化合物产生的过渡层，如果两种金属板之间的金属间化合物的延伸率不大于2%，则在矩形凸台的表面设置过渡层；否则，直接进入下一个步骤；4）、将两种金属板用夹具固定；5）、设定焊接工艺参数；6）、使搅拌头在设定的焊接工艺参数下完成对两种金属板的焊接。焊接质量高，并且可改善接头的受力情况。

Description

一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法
技术领域
本发明涉及异种金属板材的连接技术领域，尤其是涉及一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
在工业生产中，由于不同的金属具有不同的优点，因此将不同的金属连接在一起得到的异种金属连接件通常会具有更大的实用价值。比如，在当今工业中目前应用最广的有色金属铝及铝合金，其质量轻、比强度大、耐腐蚀，导热导电性能好；另一种工程中最常用的结构材料钢，强度比较高；还有一种在海洋船舶领域得到了大量应用的钛及钛合金，不仅比强度高，而且耐蚀性好，因此，将上述三种金属任意两种之间进行连接得到的异种金属连接件都将会具有很大的实用价值，其更适用于汽车、高速列车、航空航天、核动力和潜艇等迫切需要轻量化技术的领域。
现有技术中，异种金属之间通常采用爆炸焊、激光焊、熔钎焊或者采用固相连接的摩擦焊这些焊接方法进行连接。这些焊接方法由于受到各种因素的影响，难以保证焊接的质量，从而限制了其在异种金属焊接中的大规模应用。
搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接方法，具有高效、环保、热变形和残余应力小等综合优点。搅拌摩擦焊是通过高速旋转的搅拌头插入待焊接的两个工件，并沿焊接方向运动，利用搅拌头探针和轴肩与工件之间的摩擦热使工件焊接区域的金属发生软化，软化后的金属发生塑性流动，使得两个工件焊接区域的金属搅拌混合，依靠搅拌、重结晶作用，使之融为一体实现材料连接的固相焊接方法。
现有技术中采用搅拌摩擦焊接方法来进行两种不同金属板的焊接时，是采用直板式的对接结构或者单侧搭接结构，前者不仅容易发生两种金属板侧分现象，同时由于金属间化合物的产生，结合强度降低，不能满足实际使用的强度要求；后者由于结合面较少降低了连接强度，同时后者的单侧搭接结构也使得得到的异种金属连接件受力情况受到限制，总之，现有的焊接方法无法满足异种金属材料尤其是异种金属板材之间焊接质量要求的需要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法，可以实现两种不同材料金属板之间的高质量可靠连接。
本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）、确定待焊接的两种金属板的相对厚度：
如果两种金属板的熔点相差在600℃以下，则待焊接的两种金属板的厚度相同；否则，低熔点的金属板的厚度要大于高熔点的金属板的厚度；
2）、在待焊接的两种金属板的焊接端加工出接头结构：
在低熔点金属板的焊接端加工一个矩形凹槽，矩形凹槽的开口方向与其所在的低熔点金属板的板面相平行，且矩形凹槽的中心对称平面与其所在的低熔点金属板的中心对称平面相重合；在高熔点金属板的焊接端加工一个矩形凸台，矩形凸台的高度与厚度分别与矩形凹槽的深度和宽度相匹配，且矩形凸台的中心对称平面与其所在的高熔点金属板的中心对称平面相重合；
3）、根据两种金属板会产生的金属间化合物的塑韧性确定是否需要添加能够避免或减少金属间化合物产生的过渡层，所述过渡层为异于两种待焊金属板并与两种待焊金属板不生成金属间化合物的金属材料，该过渡层设置在矩形凸台与矩形凹槽的接触面之间；
金属间化合物的塑韧性用延伸率来表现，如果两种金属板之间的金属间化合物的延伸率不大于2%，则在所述的矩形凸台与矩形凹槽的接触面之间设置过渡层；否则，直接进入下一个步骤；
4）、将待焊接的两种金属板置于搅拌摩擦焊机的工作台面上，将矩形凹槽与矩形凸台相配合安装后，用夹具固定；
5）、设定焊接工艺参数，所述的焊接工艺参数包括搅拌头旋转速度、焊接速度和压入量；
6）、使搅拌摩擦焊机的搅拌头在步骤5）设定的焊接工艺参数下压入矩形凹槽与矩形凸台配合形成的待焊接区域完成对两种金属板的焊接。
进一步地，所述步骤1）中，两种金属板的熔点相差在600℃以上时，低熔点的金属板的厚度大于高熔点的金属板的厚度0.5-1 mm。
进一步地，所述步骤3）中，过渡层的厚度为20-50μm。
进一步地，所述步骤3）中，过渡层通过涂覆或者电镀的方式设置在矩形凹槽的内表面或/和矩形凸台的外表面，或者过渡层以箔片或粉末的形式设置在矩形凸台与矩形凹槽的接触面之间。
进一步地，所述步骤5）中，搅拌头旋转速度为300-1500r/min，焊接速度为30-800mm/min，焊接时压入量为0.5-2mm。
进一步地，所述步骤6）中，搅拌头压入焊接区域时保证
搅拌头的轴肩压在高熔点金属板上的宽度最大处Wmax不大于搅拌头的轴肩直径的四分之一。
有益效果：
本发明采用一种在低熔点金属板上设置矩形凹槽，在高熔点金属上设置矩形凸起然后使两者相配合的接头形式，不仅在焊接过程中可减少热输入避免金属间化合物的产生，而且通过低熔点材料充分的塑性搅拌，可改善焊缝的成形，从而提高焊缝的连接性能。而且可以改善接头处的受力状况，扩大接头的应用范围。
对于熔点相差比较大（相差600℃以上）的两种金属，使低熔点的金属板的厚度略大于（0.5-1mm）高熔点金属板的厚度，从而在焊接时低熔点的金属在压力作用下塑性流动到高熔点金属表面，可以获得表面质量良好的焊缝，避免搅拌头的轴肩压入高熔点金属时温度升高过快，导致低熔点金属过早达到熔点，降低搅拌摩擦性能，使得焊接区域出现未填充或焊缝出现表面孔洞等焊接缺陷。
本发明中对于极易形成脆性极高的金属间化合物的两种金属材料，提出了一种减少异种金属搅拌摩擦焊金属间化合物的产生的方法，即在结合界面预先设置具有减少或避免金属间化合物产生的过渡层金属，进一步可提高焊接接头结构的塑性和韧性，最终提高焊接质量。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步具体详细的说明。
附图说明
图1为两种金属板的接头结构图。
图2为两种金属板接头配合安装后两面焊接示意图。
图3为两种金属板接头配合安装后单面全厚度焊接示意图。
图中，1、低熔点金属板， 2、矩形凹槽，3、矩形凸起，4、高熔点金属板，5、焊接区域，6、轴肩。
具体实施方式
实施例一：
一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
1）、确定待焊接的两种金属板的相对厚度：
本实施例选用5052铝合金板与316L不锈钢板进行焊接，因为两者之间的熔点相差在600℃以上，故可确定使用不同厚度的两种金属板，本实施例使用4.5mm厚度的5052铝合金板与4mm厚度的316L不锈钢板进行焊接（因为5052铝合金的熔点比316L不锈钢的熔点低）。
2）、在待焊接的两种金属板的焊接端加工出接头结构：
本实施例中，在低熔点的5052铝合金板的焊接端加工出矩形凹槽，矩形凹槽的深度为3mm，矩形凹槽的宽度为2 mm，矩形凹槽的开口方向与5052铝合金板的板面相平行，且矩形凹槽的中心对称平面与其所在的5052铝合金板的中心对称平面相重合，即构成矩形凹槽的上壁和下壁的厚度均为1.25 mm。
在316L不锈钢板的焊接端加工一个矩形凸台，矩形凸台的高度为3mm，与矩形凹槽的深度（3mm）相匹配，矩形凸台的宽度为2mm，与5052铝合金板上矩形凹槽的宽度（2mm）相匹配，且矩形凸台的中心对称平面与316L不锈钢板的中心对称平面相重合，即在形成矩形凸台的316L不锈钢板厚度方向的两侧分别去除1mm厚且3mm宽度的材料得到矩形凸台；
3）、根据两种金属板会产生的金属间化合物的塑韧性确定是否需要添加能够避免或减少金属间化合物产生的过渡层。
金属间化合物的塑韧性用延伸率来表现，因为5052铝合金与316L不锈钢板的金属间化合物的延伸率小于2%，因此本实施例需要设置过渡层。
本实施例选用锌作为过渡层，过渡层的厚度为20μm，采用涂覆的方法设置在5052铝合金板的矩形凹槽内表面或316L不锈钢板的矩形凸台外表面。 对于本实施例，也可使用铜或镍作为过渡层。
4）、将待焊接的5052铝合金板和316L不锈钢板置于搅拌摩擦焊机的工作台面上，将矩形凹槽与矩形凸台相配合安装后，用夹具固定；
5）、设定焊接工艺参数，所述的焊接工艺参数包括搅拌头旋转速度、焊接速度和压入量，本实施例中，搅拌头旋转速度为300r/min，焊接速度为30mm/min，焊接时的压入量为0.5mm。
6）、使搅拌摩擦焊机的搅拌头在步骤5）设定的焊接工艺参数下压入矩形凹槽与矩形凸台配合形成的焊接区域完成对5052铝合金板与316L不锈钢板之间的焊接连接。
实施例二：
一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
1）、确定待焊接的两种金属板的相对厚度：
本实施例选用TC4钛合金板与316L不锈钢板进行焊接，因为两者之间的熔点相差在600℃以下，故可确定使用相同厚度的两种金属板，本实施例使用8mm厚度的TC4钛合金板和316L不锈钢板进行焊接。
2）、在待焊接的两种金属板的焊接端加工出接头结构：
本实施例中，在低熔点的TC4钛合金板的焊接端加工出矩形凹槽，矩形凹槽的深度为5mm，矩形凹槽的宽度为4mm，矩形凹槽的开口方向与TC4钛合金板的板面相平行，且矩形凹槽的中心对称平面与所述的TC4钛合金板的中心对称平面相重合，即构成矩形凹槽的上壁和下壁的厚度均为2mm。
在316L不锈钢板的焊接端加工一个矩形凸台，矩形凸台的高度为5mm，与矩形凹槽的深度（5mm）相匹配，矩形凸台的宽度为4mm，与TC4钛合金板上矩形凹槽的宽度（4mm）相匹配，且矩形凸台的中心对称平面与316L不锈钢板的中心对称平面相重合，即在形成矩形凸台的316L不锈钢板厚度方向的两侧分别去除2mm厚且5mm宽度的材料得到矩形凸台；
3）、根据两种金属板会产生的金属间化合物的塑韧性确定是否需要添加能够避免或减少金属间化合物产生的过渡层。
金属间化合物的塑韧性用延伸率来表现，因为TC4钛合金与316L不锈钢的金属间化合物的延伸率小于2% ，因此本具体实施例需要设置过渡层。
本实施例选用铜作为过渡层，过渡层的厚度为35μm，采用铜箔片的方式设置在TC4钛合金板的矩形凹槽内表面与316L不锈钢板的矩形凸台外表面之间。对于本实施例，也可使用钒或其余合适的金属作为过渡层。
4）、将待焊接的TC4钛合金板和316L不锈钢板置于搅拌摩擦焊机的工作台面上，将矩形凹槽与矩形凸台相配合安装后，用夹具固定；
5）、设定焊接工艺参数，所述的焊接工艺参数包括搅拌头旋转速度、焊接速度和压入量，本实施例中，搅拌头旋转速度为900r/min，焊接速度为415mm/min，焊接时的压入量为1.25mm。
6）、使搅拌摩擦焊机的搅拌头在步骤5）设定的焊接工艺参数下压入矩形凹槽与矩形凸台配合形成的焊接区域完成对TC4钛合金板与316L不锈钢板之间的焊接。
实施例三：
一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
1）、确定待焊接的两种金属板的相对厚度：
本实施例选用5052铝合金板与TA2纯钛板进行焊接，因为两者之间的熔点相差在600℃以上（5052铝合金板的熔点低，TA2纯钛板的熔点高），故可确定使用不同厚度的两种金属板，本实施例使用10mm厚度的5052铝合金板与9mm 厚度的TA2纯钛板进行焊接。
2）、在待焊接的两种金属板的焊接端加工出接头结构：
本实施例中，在低熔点的5052铝合金板的焊接端加工出矩形凹槽，矩形凹槽的深度为6mm，矩形凹槽的宽度为4mm，矩形凹槽的开口方向与5052铝合金板的板面相平行，且矩形凹槽的中心对称平面与所述的5052铝合金板的中心对称平面相重合，即构成矩形凹槽的上壁和下壁的厚度均为3mm。
在TA2纯钛板的焊接端加工一个矩形凸台，矩形凸台的高度为6mm，与矩形凹槽的深度（6mm）相匹配，矩形凸台的宽度为4mm，与5052铝合金板上矩形凹槽的宽度（4mm）相匹配，且矩形凸台的中心对称平面与TA2纯钛板的中心对称平面相重合，即在形成矩形凸台的TA2纯钛板厚度方向的两侧分别去除2mm厚且6mm高度的材料得到矩形凸台；
3）、根据两种金属板会产生的金属间化合物的塑韧性确定是否需要添加能够避免或减少金属间化合物产生的过渡层。
金属间化合物的塑韧性用延伸率来表现，因为5052铝合金板与TA2纯钛板的金属间化合物的延伸率大于2% 因此本实施例不需要设置过渡层。
4）、将待焊接的5052铝合金板与TA2纯钛板置于搅拌摩擦焊机的工作台面上，将5052铝合金板上的矩形凹槽与TA2纯钛板上的矩形凸台相配合安装后，用夹具固定；
5）、设定焊接工艺参数，所述的焊接工艺参数包括搅拌头旋转速度、焊接速度和压入量，本实施例中，搅拌头旋转速度为1500r/min，焊接速度为800mm/min，焊接时的压入量为2mm。
6）、使搅拌摩擦焊机的搅拌头在步骤5）设定的焊接工艺参数下压入矩形凹槽与矩形凸台配合形成的焊接区域完成对5052铝合金板与TA2纯钛板之间的焊接。
实施例四：
本实施例中，过渡层的厚度为50μm，选用钒采用电镀的方式设置在TC4钛合金板的矩形凹槽内表面或316L不锈钢板的矩形凸台外表面之间，其余步骤均与实施例二相同。
实施例五：
本实施例中使用9.75mm厚度的5052铝合金板与9mm 厚度的TA2纯钛板进行焊接；在低熔点的5052铝合金板的焊接端加工出矩形凹槽，矩形凹槽的深度为6mm，矩形凹槽的宽度为4mm，矩形凹槽的开口方向与5052铝合金板的板面相平行，且矩形凹槽的中心对称平面与所述的5052铝合金板的中心对称平面相重合，即构成矩形凹槽的上壁和下壁的厚度均为2.875mm；其余步骤均与实施例三相同。
在上述每个实施例中，步骤6）中，搅拌头压入焊接区域时保证搅拌头的轴肩压在高熔点金属板上的宽度最大处Wmax不大于搅拌头的轴肩直径的四分之一，可获得良好的表面成形，也可进一步提高焊缝强度。
另外，在上述每个实施例中，不仅可采用较长搅拌针在焊接区域的一面进行单面全厚度一次性焊接，如图3所示；也可采用较短搅拌针在焊接区域5的两面分别焊接一次，进行两面焊接，实现两种金属的焊接连接，如图2所示。图中仅显示出了搅拌头的轴肩6，未显示出搅拌针。
关于过渡层的设置，也可采用粉末的方式直接设置在矩形凹槽与矩形凸台的上表面之间或矩形凹槽与矩形凸台的下表面之间。
以上实施例仅仅是为了说明本发明，其并不构成对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）、确定待焊接的两种金属板的相对厚度：
如果两种金属板的熔点相差在600℃以下，则待焊接的两种金属板的厚度相同；否则，低熔点的金属板的厚度要大于高熔点的金属板的厚度；
2）、在待焊接的两种金属板的焊接端加工出接头结构：
在低熔点金属板的焊接端加工一个矩形凹槽，矩形凹槽的开口方向与其所在的低熔点金属板的板面相平行，且矩形凹槽的中心对称平面与其所在的低熔点金属板的中心对称平面相重合；在高熔点金属板的焊接端加工一个矩形凸台，矩形凸台的高度与厚度分别与矩形凹槽的深度和宽度相匹配，且矩形凸台的中心对称平面与其所在的高熔点金属板的中心对称平面相重合；
3）、根据两种金属板会产生的金属间化合物的塑韧性确定是否需要添加能够避免或减少金属间化合物产生的过渡层，所述过渡层为异于两种待焊金属板并与两种待焊金属板不生成金属间化合物的金属材料，该过渡层设置在矩形凸台与矩形凹槽的接触面之间；
金属间化合物的塑韧性用延伸率来表现，如果两种金属板之间的金属间化合物的延伸率不大于2%，则在所述的矩形凸台与矩形凹槽的接触面之间设置过渡层；否则，直接进入下一个步骤；
4）、将待焊接的两种金属板置于搅拌摩擦焊机的工作台面上，将矩形凹槽与矩形凸台相配合安装后，用夹具固定；
5）、设定焊接工艺参数，所述的焊接工艺参数包括搅拌头旋转速度、焊接速度和压入量；
6）、使搅拌摩擦焊机的搅拌头在步骤5）设定的焊接工艺参数下压入矩形凹槽与矩形凸台配合形成的焊接区域完成对两种金属板的焊接。
2.根据权利要求1所述的一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤1）中，两种金属板的熔点相差在600℃以上时，低熔点的金属板的厚度大于高熔点的金属板的厚度0.5-1 mm。
3.根据权利要求1所述的一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤3）中，过渡层的厚度为20-50μm。
4.根据权利要求1所述的一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤3）中，过渡层通过涂覆或者电镀的方式设置在矩形凹槽的内表面或/和矩形凸台的外表面，或者过渡层以箔片或粉末的形式设置在矩形凸台与矩形凹槽的接触面之间。
5.根据权利要求1所述的一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤5）中，搅拌头旋转速度为300-1500r/min，焊接速度为30-800mm/min，焊接时压入量为0.5-2mm。
6.根据权利要求1所述的一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤6）中，搅拌头压入焊接区域时保证搅拌头的轴肩压在高熔点金属板上的宽度最大处Wmax不大于搅拌头的轴肩直径的四分之一。
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