CN108544077A

CN108544077A - 一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法

Info

Publication number: CN108544077A
Application number: CN201810344365.4A
Authority: CN
Inventors: 周利; 于明润; 张自立; 蒋智华; 王瑞; 冯吉才
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2018-09-18

Abstract

一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，属于焊接技术领域。技术要点为：在焊接过程中，通过在点焊接头下板上表面通过摩擦堆焊的方法制备与下板具有冶金结合的中间层；进而通过回填式搅拌摩擦点焊的方法在焊具与接头下板无直接接触的条件下完成点焊接头的焊接。本发明显著降低了回填式搅拌摩擦点焊接异质接头时由于接头某一侧材料硬度较高而对焊具造成的磨损，有效改善了回填式搅拌摩擦点焊异质材料接头中连接界面金属间化合物等脆性相及气孔裂纹等缺陷的产生。本发明还具有工艺设备简单、适用范围广、接头强度高的优势。

Description

一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法

技术领域

本发明涉及一种异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，具体涉及一种使用搅拌摩擦堆焊技术于异质材料点焊接头中硬质材料表面预堆中间层以减少硬质材料与软质材料搅拌摩擦点焊中焊具磨损并改善接头组织、提高搭接强度的工艺方法，属于增材制造技术领域。

背景技术

随着时代发展，人们为了减少能耗，提高能源使用效率对工业产品的轻量化提出了更高的要求。实现异质材料的有效连接有助于优化工业产品的材料结构。对力学性能要求不同的部件使用不同的材料，可以有效的减小产品整体质量，实现减少能耗，提高能源使用效率的目的，同时还可以有效控制成本，提高产品寿命。然而，异质材料的物理、化学性质往往存在较大的差异，通过传统熔化焊、电阻焊等方式大多难以实现有效的连接，而扩散焊、钎焊等焊接方法受装备限制难以实现大规模工业生产。回填式搅拌摩擦点焊是解决异质材料连接的有效途径之一。由于其是在大塑性变形条件下实现材料的固相连接，连接温度不高于母材熔点，因此可以有效避免传统熔焊、电阻焊连接异质材料时常见的气孔、飞溅、热裂纹等焊接缺陷。此外，回填式搅拌摩擦点焊设备结构简单、连接时间短、生产效率高，因此易实现规模化生产。

在异质材料点焊接头中，直接使用回填式搅拌摩擦焊的方法焊接异质材料时，焊具与硬质材料的接触易造成搅拌摩擦焊头的磨损。现有的解决方案一般是定制硬度更高的回填式搅拌摩擦焊具，但如此会增加成本，不利于实际工业生产。例如中国专利申请号为201610515613.8，名称为一种提高钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦点焊接头强度的方法，就存在上述技术问题。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明的目的是提供一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，解决回填式搅拌摩擦点焊异质材料时焊头磨损和异质接头强度不高的问题，达到接头组织均匀、接头性能可靠的目的。

本发明提供了一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，具体为：

步骤一：对待焊材料表面进行预处理，去除待焊材料表面的氧化膜，并对处理后的待焊表面清理表面杂质；

步骤二：预处理后，将中间层待焊原料，在硬质材料表面，用搅拌摩擦堆焊的方式制备中间层；

步骤三：将异质材料点焊接头组成由下到上为硬质材料/中间层/软质材料的接头形式，使用回填式搅拌摩擦点焊实现接头焊接。

优选的，步骤一中，对待焊材料表面进行预处理，是通过酸洗、喷砂、机加工、机械打磨方法中的一种或几种将待焊的硬质材料、软质材料及堆焊中间层所用原料表面的氧化膜去除。

优选的，步骤一中，将去除氧化膜的待焊材料放置于丙酮或酒精中，使用超声清洗去除预处理过程中残留的颗粒物，并在焊前使用丙酮或酒精擦拭待焊材料表面去除油污和粉尘。

优选的，步骤二中，堆焊中间层所用原料为直径10mm～75mm的棒材。

优选的，步骤二中，堆焊中间层所用原料可以为钢、钛及其合金、铝及其合金、锌及其合金、锡及其合金、铜及其合金、铝基复合材料、金属基复合材料及热塑性有机材料中的一种或几种。

优选的，步骤二中，在摩擦堆焊中间层过程中，加工面上堆焊原料处于塑性流动状态，加入增强相。

优选的，步骤二中，搅拌摩擦堆焊的方式制备中间层的具体方式是：将堆焊中间层所用原料装夹于搅拌摩擦焊机，在硬质材料表面使用转速600rpm～5000rpm、线速度50mm/min～300mm/min、下压速度0.3mm/s～15mm/s、倾角0°～5°搅拌摩擦堆焊制备中间层。

优选的，步骤二中，摩擦堆焊后的中间层，按照生产需要可以选择单次、二次或多次堆焊，并选择对堆焊中间层进行或不进行二次加工。

优选的，步骤三中，回填式搅拌摩擦点焊分为扎入阶段、中间停留阶段，回填阶段、和撤离阶段。

优选的，步骤三中，回填式搅拌摩擦点焊具体参数为：搅拌套最大扎入深度距离硬质材料表面不少于0mm，搅拌套最大扎入深度扎入中间层不少于0.05mm，转速600rpm～2500rpm，扎入及回填速度0.2mm/s～1.5mm/s，中间停留时间1s～15s。

有益效果：

本发明通过在硬质材料表面使用搅拌摩擦堆焊的方法预堆中间层，通过硬质材料/中间层/软质材料的接头形式，使得在回填式搅拌摩擦点焊过程中，焊具与硬质材料无直接接触，从而实现异质材料点焊接头的连接。本发明在焊接过程中焊具与硬质材料无直接接触，因此有效解决了异质材料回填式搅拌摩擦点焊中焊具的磨损问题，并改善了接头组织，有效提高了接头强度，具有较高的实际应用价值。

本发明在实现异质材料间搅拌摩擦焊有效搭接的同时减少对搅拌摩擦焊头的磨损，降低了对搅拌摩擦焊头的制造要求和成本，有利于实际工业生产。

本发明摩擦堆焊中间层原料的选择范围广、可以根据实际情况选择需要的中间层材料，并且在加工过程中无有害废弃物产生，具有绿色环保、生产效率高、界面金属间化合物等脆性相的生成得到抑制等优势。

本发明中生产过程加工温度始终不高于软质材料熔点，热输入极低。此外在加工过程中，材料在大变形与热输入的作用下，材料发生回复再结晶，因此成形后材料组织均匀晶粒细小、界面组织优良、机械性能好。并且，异质材料界面经过摩擦堆焊及回填式搅拌摩擦点焊的两次热-力作用，可有效改善界面形态与接头组织，同时可提高界面强度。

与背景技术中提及的中国专利申请201610515613.8相比较具有优势，参见对比表：对比表

附图说明

图1是本发明的摩擦堆焊中间层过程示意图；

图2是本发明的回填式搅拌摩擦点焊过程示意图。

图中：1-中间层原料棒；2-硬质材料；3-垫板；4-中间层；5-搅拌针；6-搅拌套；7-压紧环；8-软质材料。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1：结合图1和图2说明本实施方式，一种摩擦预堆铝合金辅助回填式搅拌摩擦点焊铝/钢异种金属接头具体实施方式如下：

实施例2：结合图1和图2说明本实施方式，一种摩擦预堆铝合金辅助回填式搅拌摩擦点焊铝/钢异种金属接头具体实施方式如下：

步骤一：对待焊钢板和待焊铝板材料表面使用角磨机、砂纸打磨、机械加工中的一种或几种方式，去除待焊板材表面的氧化膜；对摩擦堆焊所用原料采用车削加工、镗铣加工的方法去除表面氧化膜；对预处理后的待焊材料表面使用丙酮或酒精超声清洗、擦拭清理表面杂质；

步骤二：预处理后，将中间层待焊棒材，在钢板表面，用搅拌摩擦堆焊的方式制备中间层；采用铣削、磨削加工，对中间层进行二次加工，使得中间层厚度为0.02mm～1.5mm。

步骤三：将异质金属点焊接头组成由下到上为硬质材料/中间层/软质材料的接头形式，使用回填式搅拌摩擦点焊实现接头焊接。

其中，堆焊中间层所用原料为直径10mm～75mm的铝合金棒材、铜合金棒材、锌合金棒材中的一种或几种。

其中，在摩擦堆焊中间层过程中，加工面上堆焊原料处于塑性流动状态，可以加入增强相。因此，可以在中间层堆焊过程中加入增强相。本实施例中优选为SiC_p、TiC、Si₃N₄、SiO₂或TiB₂颗粒、石墨烯、晶须中的一种或几种。

进一步地，将堆焊中间层所用原料装夹于搅拌摩擦焊机，在硬质材料表面使用转速600rpm～5000rpm、线速度50mm/min～300mm/min、下压速度0.3mm/s～15mm/s、倾角0°～5°搅拌摩擦堆焊制备中间层。

进一步地，回填式搅拌摩擦点焊具体参数为：搅拌套最大扎入深度距离硬质材料表面不少于0mm，搅拌套最大扎入深度扎入中间层不少于0.05mm，转速600rpm～2500rpm，扎入及回填速度0.2mm/s～1.5mm/s，中间停留时间1s～15s。

实施例3：本实施例与实施例1或2步骤和参数范围相同，不同的是：上板选用镁合金，下板选用低碳钢，中间层选用镁合金、锌合金、铜合金中的一种或几种。

实施例4：本实施例与实施例1、2或3步骤和参数范围相同，不同的是：上板选用铝合金，下板选用为钛合金，中间层选用铝合金、钛合金、铜合金中的一种或几种。

实施例5：本实施例与实施例1、2、3或4步骤和参数范围相同，不同的是：上板选用镁合金，下板选用钛合金，中间层选用镁合金、钛合金、铜合金中的一种或几种。

实施例6：本实施例与实施例1、2、3、4或5步骤和参数范围相同，不同的是：上板选用铝合金，下板选用为镍合金或白铜，中间层选用铝合金、铜合金、钛合金中的一种或几种。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims

1.一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，具体方法为：

2.根据权利要求1所述的一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，步骤一中，对待焊材料表面进行预处理，是通过酸洗、喷砂、机加工、机械打磨方法中的一种或几种将待焊的硬质材料、软质材料及堆焊中间层所用原料表面的氧化膜去除。

3.根据权利要求2所述的一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，步骤一中，将去除氧化膜的待焊材料放置于丙酮或酒精中，使用超声清洗去除预处理过程中残留的颗粒物，并在焊前使用丙酮或酒精擦拭待焊材料表面去除油污和粉尘。

4.根据权利要求3所述的一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，步骤二中，堆焊中间层所用原料为直径10mm～75mm的棒材。

5.根据权利要求4所述的一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，步骤二中，堆焊中间层所用原料可以为钢、钛及其合金、铝及其合金、锌及其合金、锡及其合金、铜及其合金、铝基复合材料、金属基复合材料及热塑性有机材料中的一种或几种。

6.根据权利要求5所述的一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，步骤二中，在摩擦堆焊中间层过程中，加工面上堆焊原料处于塑性流动状态，加入增强相。

7.根据权利要求6所述的一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，步骤二中，搅拌摩擦堆焊的方式制备中间层的具体方式是：将堆焊中间层所用原料装夹于搅拌摩擦焊机，在硬质材料表面使用转速600rpm～5000rpm、线速度50mm/min～300mm/min、下压速度0.3mm/s～15mm/s、倾角0°～5°搅拌摩擦堆焊制备中间层。

8.根据权利要求7所述的一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，步骤二中，摩擦堆焊后的中间层，按照生产需要可以选择单次、二次或多次堆焊，并选择对堆焊中间层进行或不进行二次加工。

9.根据权利要求8所述的一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，步骤三中，回填式搅拌摩擦点焊分为扎入阶段、中间停留阶段，回填阶段、和撤离阶段。

10.根据权利要求9所述的一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，步骤三中，回填式搅拌摩擦点焊具体参数为：搅拌套最大扎入深度距离硬质材料表面不少于0mm，搅拌套最大扎入深度扎入中间层不少于0.05mm，转速600rpm～2500rpm，扎入及回填速度0.2mm/s～1.5mm/s，中间停留时间1s～15s。