CN108127244B - 一种异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊方法，以解决铝/钢、铝/铜、镁/铜等异种金属对接搅拌摩擦焊过程中易出现的搅拌头磨损、材料粘头导致焊缝成形差、焊缝内部金属间化合物以及焊缝内部缺陷的问题。方法：一、预加工待焊的两个母材，将焊接区域的厚度进行差异化处理，形成错配型接头；二、先利用超声清洗预处理待焊母材，再用丙酮擦拭母材表面；三、装夹定位两个待焊母材；四、将大尺寸轴肩的搅拌头向低熔点母材侧偏移，少量扎入高熔点母材，并进行一次焊接；五、更换小尺寸搅拌头，并将其进一步向低熔点母材侧偏移，进行二次修复焊接，从而形成异种材料之间的优质连接。本发明用于铝/钢、铝/铜、镁/铜等异种金属对接搅拌摩擦焊。
Description
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊领域，具体涉及一种异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊方法。
背景技术
随着航空航天、汽车船舶等结构制造领域的不断发展变革，对于结构的设计要求越来越高。异种材料连接结构可以发挥两种材料综合的优异性能，满足不同工况对于材料的要求，因此日益受到相关行业的广泛重视。然而由于异种材料物理和化学性能的巨大差异导致其焊接性很差，传统焊接方法难以实现异种材料的优质焊接。搅拌摩擦焊技术作为一种新型固相连接技术，与传统焊接方法相比在异种材料连接中具有巨大的优势。
但在铝/钢、铝/铜以及镁/铜等存在高熔点母材的异种材料搅拌摩擦焊中，仍存在一些亟需解决的问题，主要有：焊具的磨损、焊接材料粘头导致焊缝表面成形差、接头内部易出现孔洞缺陷以及硬脆的金属间化合物等。目前，这类异种材料对接搅拌摩擦焊主要采用搅拌针偏向低熔点母材的方式进行，但搅拌头依然与高熔点母材直接接触，因此磨损非常严重。同时由于异种材料混合作用发生粘头而导致搅拌头形状尺寸发生变化，接头表面难以成形。虽然已有钨基合金、聚晶立方氮化硼和金属陶瓷等材料制成的搅拌头用于解决这类异种材料搅拌摩擦焊过程中搅拌头的磨损问题，但是其普遍存在韧性差、加工困难以及成本高等缺点，普适性较低。
发明内容
本发明提供了一种异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊方法，目的是解决铝/钢、铝/铜、镁/铜等异种金属对接搅拌摩擦焊过程中易出现的搅拌头磨损、材料粘头导致焊缝成形差、焊缝内部金属间化合物以及焊缝内部缺陷的问题。
本发明的一种异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、焊前预加工：在焊接之前通过机械铣削的方法，将所需焊接的第一母材和第二母材进行焊前加工，第一母材靠近对接处的上端面铣出台阶，台阶的深度d为0.3mm～0.5mm，台阶的宽度a为4mm～14mm，同时对接面加工成与竖直方向呈右夹角β1的右斜面，第二母材的对接面加工成与竖直方向呈左夹角β2的左斜面；
步骤二、清洗母材：铣削加工后，先使用超声清洗第一母材和第二母材，去除铣削碎屑，再采用丙酮擦拭第一母材和第二母材表面，去除油污及杂物；
步骤三、装夹定位：装夹时将第一母材置于前进侧，第二母材置于后退侧，右斜面与左斜面保持紧密接触；
步骤四、利用大尺寸轴肩的第一搅拌头进行一次焊接：第一搅拌头向低熔点的第二母材一侧偏移，保证第一搅拌针在第一母材中的第一扎入量t1为0.1mm～0.3mm，第一轴肩的第一压入量c1为0.1mm～0.2mm，之后第一搅拌头沿焊接方向行进，对第一母材与第二母材进行一次搅拌摩擦焊接；
步骤五、更换小尺寸搅拌头，利用小尺寸轴肩的第二搅拌头进行二次修复次焊接：第二搅拌头向低熔点的第二母材一侧偏移，保证第二搅拌针在第一母材中的第二扎入量t2为-1mm～0mm，第二轴肩的第二压入量c2为0.2mm～0.3mm，之后第二搅拌头沿焊接方向行进，对第一母材与第二母材进行二次搅拌摩擦焊接，至此，完成异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接。
本发明的优点在于：
一、本发明中，焊前在高熔点母材(第一母材)表面铣出台阶，对异种金属待焊区域进行错配处理，可以有效减小一次焊接过程中第一轴肩与高熔点母材表面的接触面积，从而减小轴肩作用区的摩擦产热，避免了由于高热输入引起的金属间化合物聚集现象，使搅拌头不易磨损，同时避免了内凹轴肩的粘头现象，保证了焊缝的美观。
二、本发明中的一次焊接，焊前对于待焊异种金属母材进行错配预处理，使得第一轴肩作用区高熔点元素含量大大减少，即该方法通过控制焊缝中高熔点元素的配比，有效控制了焊缝中脆硬的金属间化合物数量，保证了接头强度。
三、本发明中的一次焊接，第一轴肩不与铜、钢等高温或硬质母材大面积接触，避免了第一搅拌针和第一轴肩的摩擦磨损，提高了焊具寿命。
四、本发明中的二次焊接过程，可保证第二轴肩与母材表面紧密接触，从而产生足够的热量，使第一母材与第二母材之间充分扩散，形成可靠的冶金连接。同时，二次焊接过程还可对一次焊接过程中可能产生的孔洞缺陷进行修复，从而保证接头内部的良好成形。
五、本发明搅拌头可直接采用工具钢、高速钢等材料制成，材料易得、加工简单且成本较低，可在实际生产过程中广泛应用。
附图说明
图1为第一搅拌头1的结构示意图；
图2为第二搅拌头2的结构示意图；
图3为步骤一中第一母材3在焊前预加工的结构示意图；
图4为步骤一中第二母材4在焊前预加工的结构示意图；
图5为步骤四中一次焊接过程中第一搅拌头1与第一母材3和第二母材4的位置关系示意图；
图6为步骤五中二次焊接过程中第二搅拌头2与第一母材3和第二母材4的位置关系示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图6说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：
步骤一、焊前预加工：在焊接之前通过机械铣削的方法，将所需焊接的第一母材3和第二母材4进行焊前加工，第一母材3靠近对接处的上端面铣出台阶3-2，台阶3-2的深度d为0.3mm～0.5mm，台阶3-2的宽度a为4mm～14mm，同时对接面加工成与竖直方向呈右夹角β1的右斜面3-1，第二母材4的对接面加工成与竖直方向呈左夹角β2的左斜面4-1；
步骤二、清洗母材：铣削加工后，先使用超声清洗第一母材3和第二母材4，去除铣削碎屑，再采用丙酮擦拭第一母材3和第二母材4表面，去除油污及杂物；
步骤三、装夹定位：装夹时将第一母材3置于前进侧，前进侧是指搅拌头旋转方向与焊接行进方向相同的一侧；第二母材4置于后退侧，后退侧是指搅拌头旋转方向与焊接行进方向相反的一侧；右斜面3-1与左斜面4-1保持紧密接触；
步骤四、利用大尺寸轴肩的第一搅拌头1进行一次焊接：第一搅拌头1向低熔点的第二母材4一侧偏移，保证第一搅拌针1-2在第一母材3中的第一扎入量t1为0.1mm～0.3mm，第一轴肩1-1的第一压入量c1为0.1mm～0.2mm，之后第一搅拌头1沿焊接方向行进，对第一母材3与第二母材4进行一次搅拌摩擦焊接；第一扎入量t1是指第一搅拌针1-2进入第一母材3的边缘到对接斜面的距离。
步骤五、更换小尺寸搅拌头，利用小尺寸轴肩的第二搅拌头2进行二次修复次焊接：第二搅拌头2向低熔点的第二母材4一侧偏移，保证第二搅拌针2-2在第一母材3中的第二扎入量t2为-1mm～0mm，第二轴肩2-1的第二压入量c2为0.2mm～0.3mm，之后第二搅拌头2沿焊接方向行进，对第一母材3与第二母材4进行二次搅拌摩擦焊接，至此，完成异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接。第二扎入量t2是指第二搅拌针2-2进入第一母材3的边缘到对接斜面的距离。
本实施方式中涉及两个搅拌头，其中一个为轴肩尺寸较大的第一搅拌头1，另一个为轴肩尺寸较小的第二搅拌头2。两个搅拌头中搅拌针的形状和尺寸完全相同，见图1、2。
具体实施方式二：结合图3～图6说明本实施方式，本实施方式为步骤一中，第一母材3为钢或铜，第二母材4为铝合金或镁合金。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式为步骤一中，第一母材3和第二母材4的原始厚度b为3mm～8mm。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式为步骤一中，第一母材3上的右夹角β1与第二母材4上的左夹角β2相等，第一搅拌针1-1上的搅拌针锥角α与第二搅拌针2-1上的搅拌针锥角α相等，右夹角β1与搅拌针锥角α相等，即β1＝β2＝α，搅拌针锥角α为8°～15°。其它步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式为步骤一中，右夹角β1的取值范围为8°～15°，左夹角β2的取值范围为8°～15°。其它步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式为步骤一中，台阶3-2的宽度a比第一轴肩1-1的直径Φd2与第二轴肩2-1的直径Φd4之差小2mm，即a＝Φd2-Φd4-2。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为步骤四中，第一搅拌头1的材料为工具钢、高速钢或硬质合金，步骤五中，第二搅拌头2的材料为工具钢、高速钢或硬质合金。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为步骤四和步骤五中，第一搅拌头1的第一轴肩1-1和第二搅拌头2的第二轴肩2-1均为内凹形，内凹角γ为3°～10°。其它步骤与具体实施方式一或七相同。
具体实施方式九：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式为步骤四中，第一搅拌针1-2和第二搅拌针2-2均为锥形带螺纹结构，第一搅拌针1-2的长度依据第一母材3的原始厚度b变化其取值范围为2.8mm～7.8mm，步骤五中，第二搅拌针2-2的长度依据第二母材4的原始厚度b变化其取值范围为2.8mm～7.8mm。其它步骤与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：结合图6说明本实施方式，本实施方式为步骤四中，一次搅拌摩擦焊接时，第一搅拌头1的旋转速度为600r/min～2000r/min、焊接速度为50mm/min～300mm/min、焊具倾角为1.5°～2.5°；步骤五中，二次搅拌摩擦焊接时，第二搅拌头2的旋转速度为800r/min～3000r/min、焊接速度为50mm/min～200mm/min、焊具倾角为1.5°～2.5°。其它步骤与具体实施方式九相同。
Claims (10)
1.一种异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、焊前预加工：在焊接之前通过机械铣削的方法，将所需焊接的第一母材(3)和第二母材(4)进行焊前加工，第一母材(3)靠近对接处的上端面铣出台阶(3-2)，台阶(3-2)的深度d为0.3mm～0.5mm，台阶(3-2)的宽度a为4mm～14mm，同时对接面加工成与竖直方向呈右夹角β1的右斜面(3-1)，第二母材(4)的对接面加工成与竖直方向呈左夹角β2的左斜面(4-1)；
步骤二、清洗母材：铣削加工后，先使用超声清洗第一母材(3)和第二母材(4)，去除铣削碎屑，再采用丙酮擦拭第一母材(3)和第二母材(4)表面，去除油污及杂物；
步骤三、装夹定位：装夹时将第一母材(3)置于前进侧，第二母材(4)置于后退侧，右斜面(3-1)与左斜面(4-1)保持紧密接触；
步骤四、利用大尺寸轴肩的第一搅拌头(1)进行一次焊接：第一搅拌头(1)向低熔点的第二母材(4)一侧偏移，保证第一搅拌针(1-2)在第一母材(3)中的第一扎入量t1为0.1mm～0.3mm，第一轴肩(1-1)的第一压入量c1为0.1mm～0.2mm，之后第一搅拌头(1)沿焊接方向行进，对第一母材(3)与第二母材(4)进行一次搅拌摩擦焊接；
步骤五、更换小尺寸搅拌头，利用小尺寸轴肩的第二搅拌头(2)进行二次修复次焊接：第二搅拌头(2)向低熔点的第二母材(4)一侧偏移，保证第二搅拌针(2-2)在第一母材(3)中的第二扎入量t2为-1mm～0mm，第二轴肩(2-1)的第二压入量c2为0.2mm～0.3mm，之后第二搅拌头(2)沿焊接方向行进，对第一母材(3)与第二母材(4)进行二次搅拌摩擦焊接，至此，完成异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接。
2.根据权利要求1所述的异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤一中，所述第一母材(3)为钢或铜，所述第二母材(4)为铝合金或镁合金。
3.根据权利要求1或2所述的异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤一中，所述第一母材(3)和所述第二母材(4)的原始厚度b为3mm～8mm。
4.根据权利要求3所述的异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤一中，第一母材(3)上的右夹角β1与第二母材(4)上的左夹角β2相等，第一搅拌针(1-2 )上的搅拌针锥角α与第二搅拌针(2-2 )上的搅拌针锥角α相等，右夹角β1与搅拌针锥角α相等，即β1＝β2＝α，搅拌针锥角α为8°～15°。
5.根据权利要求4所述的异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤一中，所述右夹角β1的取值范围为8°～15°，所述左夹角β2的取值范围为8°～15°。
6.根据权利要求1所述的异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤一中，台阶(3-2)的宽度a比第一轴肩(1-1)的直径Φd2与第二轴肩(2-1)的直径Φd4之差小2mm，即a＝Φd2-Φd4-2。
7.根据权利要求1所述的异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤四中，第一搅拌头(1)的材料为工具钢、高速钢或硬质合金，所述步骤五中，第二搅拌头(2)的材料为工具钢、高速钢或硬质合金。
8.根据权利要求1或7所述的异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤四和步骤五中，第一搅拌头(1)的第一轴肩(1-1)和第二搅拌头(2)的第二轴肩(2-1)均为内凹形，内凹角γ为3°～10°。
9.根据权利要求8所述的异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤四中，第一搅拌针(1-2)和第二搅拌针(2-2)均为锥形带螺纹结构，第一搅拌针(1-2)的长度依据第一母材(3)的原始厚度b变化其取值范围为2.8mm～7.8mm，所述步骤五中，第二搅拌针(2-2)的长度依据第二母材(4)的原始厚度b变化其取值范围为2.8mm～7.8mm。
10.根据权利要求9所述的异种材料错配处理双道搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤四中，一次搅拌摩擦焊接时，第一搅拌头(1)的旋转速度为600r/min～2000r/min、焊接速度为50mm/min～300mm/min、焊具倾角为1.5°～2.5°；所述步骤五中，二次搅拌摩擦焊接时，第二搅拌头(2)的旋转速度为800r/min～3000r/min、焊接速度为50mm/min～200mm/min、焊具倾角为1.5°～2.5°。
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