CN109128484B - 一种搅拌摩擦焊制备覆钢式铝软连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种搅拌摩擦焊制备覆钢式铝软连接方法，通过直接式搅拌摩擦对焊并用间接式搅拌摩擦钎焊(FSB)所形成的两路口字型或U型完整冶金结合通路，既实现了铝片/大厚度铝端板同种金属的双保险焊接，也实现了不锈钢片/铝端板异种金属的双保险焊接。本发明解决了搅拌摩擦焊制作不锈钢片补强的覆钢式铝软连接时，尽管位于最外层的不锈钢片很薄，但不锈钢片的高强度与耐磨性仍能够把钢质搅拌针从根部直接切断的问题；同时解决了不锈钢的热导率远低于铝，使表面的轴肩的摩擦热难以传导至底部，导致下部铝材软化程度不够、塑性流动变差，进而在搅拌区容易形成隧道缺陷的问题；外观美观，开‑闭动作寿命长，双保险提高了焊合可靠性。

Description

一种搅拌摩擦焊制备覆钢式铝软连接方法

技术领域

本发明属于电气装备焊接制造领域，具体涉及搅拌摩擦焊制备覆钢式铝软连接方法。

背景技术

户外超高压大电流开关对开关动作空间限制小，因此，允许采用尺寸相对较大的铝软连接。相对于铜软连接，铝软连接具有以下优点：（1）重量轻，安装与固定容易；（2）耐腐蚀，长寿命：铝材表面的钝化膜使铝材对大气或近海潮湿盐雾气氛腐蚀的耐蚀性优于铜软连接，使用寿命长；（3）资源足、单价低。但对于既定的电流强度，采用铝软连接所对应的导电截面要大于铜软连接，所以铝软连接在户外大电流开关等空间不受限制的独特场合有用武之地。

近年来，在铝软连接的设计制造方面，出现了两方面改进：一是在铝软连接外层加设不锈钢片作为补强片，以加强铝软连接在户外高空抗风吹导致扭转的能力；二是导电通路更趋合理，避免局部电流密度变大。

但是，不锈钢补强片的加装使铝软连接的焊接制造工艺难度加大。一方面，铝/不锈钢（Al/SUS）异种金属组合的可焊性很差，这是由于两者不但氧化膜都难以破除，而且易于形成脆性金属间化合物（IMC）。传统氩弧焊工艺（TIG填丝）因脆性金属间化合物的形成，易于使不锈钢片在经历多次弯曲操作之后从根部固定端断裂，从而限制了铝软连接的动作寿命。另一方面，电弧焊本身不适于大面积搭接焊；若采用电弧焊进行对接焊，当软连接层数多时，必须开坡口、预热，工作环境差、工作强度大（参见参考文献1）。至于压力焊工艺，尽管热压焊工艺（即分子扩散焊）在铜软连接方面获得了广泛应用，但对于铝材而言，氧化铝膜难以通过压力与变形破除。较小的宏观变形难以破碎铝表面致密、稳定、难熔、与基体表面结合牢固的氧化铝膜，即使增大搭接焊接面积也难以实现有效的冶金结合，只有在大变形(>40 %)，并依靠塑性流变的机械作用破坏界面上的氧化膜层的连接条件下才可获得优质接头（参见参考文献2）。但如此高的变形率已无法满足软连接对形状的要求。钎焊工艺则由于表面氧化膜恶化了润湿性，即使采用非腐蚀性的钎剂（Nocolok flux），钎焊温度也需高达约600℃，耗能费时。当采用先进的搅拌摩擦焊（FSW）来制作不锈钢片补强覆钢式铝软连接时，尽管位于最外层的不锈钢片（不锈钢补强片）很薄（不足1mm），但不锈钢片的高强度与耐磨性仍能够把钢质搅拌针从根部直接“切断”；同时不锈钢的热导率远低于铝，使表面的摩擦热难以传导至底部，导致下部铝材软化程度不够，塑性流动变差，进而在搅拌区容易形成“隧道”缺陷。

以摩擦热为热源、用于金属大面积搭接焊接的搅拌摩擦钎焊（FSB：Friction stirbrazing，参见参考文献3、4）主要采用无针工具（去膜困难时可采用带针工具），只在搭接组合的上板表面旋转摩擦，对上/下板待焊界面足以形成扭转破膜与加热作用，同时预置能与母材（Al）发生共晶反应的钎料，通过挤出共晶液相而带出氧化膜碎屑；在挤出低熔低强共晶液相或液态钎料及氧化膜后，界面最终所得为洁净母材间的扩散组织。这样，尽管对焊接界面而言，搅拌摩擦钎焊技术是间接摩擦，但也能实现冶金结合。多道摩擦即可制作双金属复合板。虽然搅拌摩擦钎焊（FSB）技术用于两块板材搭接焊时，取得了较为理想的去膜与润湿效果，但在尝试将搅拌摩擦钎焊用于制备由数十层铝箔搭接而成的铝软连接时，遇到了诸多技术障碍，如：（1）逐片刷涂钎料费工费时；（2）由于每增加一层铝片意味着多出一个界面需要焊接，所以焊接质量对软连接层数、压入深度较为敏感，影响了接头重复性与可靠性；（3）当软连接的层数较多（如超过50层时），远离表面的底部片间难以实现去膜、润湿与焊接，撕裂破坏时很容易从底部层间开裂；（4）后续焊道的界面易于在前道焊道的加热中氧化，加大了后续焊道实现去膜与润湿的困难性。这样，试验中虽也能偶尔获得层间撕裂测试过关的接头，但重复性较差（易受压入深度等规范参数的影响）；且钎料电阻率大，增大了软连接的等效电阻。

另一方面，当采用带针工具进行多层薄铝片间的搅拌摩擦搭接焊（FSLW：frictionstir lap welding）时，存在以下技术难点：（1）铝软连接最外层的不锈钢补强片（0.3mm厚304不锈钢）很难在轴肩摩擦作用下软化，会将材质为W18Cr4V高速钢搅拌针从根部切割断，而且不锈钢的高屈服强度、明显的隔热作用影响旋转工具对下部铝片的热—力联合作用效果；（2）因针的直径较细，很难实现片间的大面积冶金连接；（3）而多道FSLW则使盖板成形变差；（4）更为关键的是，由于FSLW存在工具旋转方向与待焊的水平界面平行的不足，每一焊道的搅拌区内原始界面被整体性向上或向下位移，但搅拌区的原始界面仍然难以消除，限制了搅拌区内每道焊道的冶金结合率。

当改用板状端头而进行端头铝板与多层叠装铝片的搅拌摩擦对接焊（FSBW：Friction stir butt welding）时，虽然FSBW具有可靠的消除对接面氧化膜的能力，但存在的问题有：（1）层数多时或人为调控压入深度有偏差或床身振动时，底部因针的搅拌不到位，底部铝片与端部板材间的搅拌混合难以可靠实现，中心区界面间焊合的可靠性变差；（2）铝片表面易被工具扭烂，表面成形差；铝片与不锈钢补强片的破膜困难性（铝与不锈钢均为难去膜材料）与异种金属形成金属间化合物的脆化问题；（3）铝片外部的不锈钢片对工具的磨损及对轴肩热—力作用削弱的不利影响等。本发明通过合理设计结构与工具、导入钎料、强化不锈钢表面的机械破膜，解决了上述技术难点，可制得高可靠性铝软连接接头，用于户外220KV的超高压开关。

参考文献

[1] 惠媛媛，靳全胜，王凯等．6063硬连接与L6软连接铝母线接头TIG焊接工艺[J]．电焊机，2015，45(5)：192-195．

[2] 许志武，吕世雄，闫久春，杨士勤. 非连续增强铝基复合材料固相焊接研究现状. 哈尔滨工业大学学报，2004, 36(5): 593-598.

[3] 张贵锋，苏伟，张建勋等.一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法：中国，200910021918.3[P]．2009-04-08．

[4] Zhang GF, Su W, Zhang JX, et al. Friction stir brazing: a novelprocess for fabricating Al/Steel layered composite and for dissimilar joiningof Al to steel[J]. Metall. Mater. Trans. A, 2011,42(9): 2850-2861.

发明内容

针对搅拌摩擦焊制备覆钢式铝软连接的难点：（1）较厚叠层铝导电片软体的中间部分（较厚时常采用双面焊）易出现焊接质量波动（如操作者目视误差或床身振动等）；（2）异质、高强、锋利不锈钢抗风片存在的切断针、阻碍表面摩擦热向底部传导（不锈钢热导率低）而影响底部铝材的塑性流动（导致隧道性缺陷）等问题；本发明通过“直接式搅拌摩擦对焊”与“间接式”搅拌摩擦钎焊（FSB）所形成的两个“口字型”（或U型）完整冶金结合闭合通路，既实现了“铝片/大厚度铝端板”同种金属的双保险焊接，也实现了“不锈钢片/铝端板”异种金属的双保险焊接。

本发明提出的技术方案详述如下：

一种具有硬板状端头的软连接（存在端板），该软连接包括薄片叠层软体及导电端板（例如，铝端板）；所述薄片叠层软体包括多层导电金属片（例如，多层厚度0.1~0.3mm铝片），薄片叠层软体的两端分别通过贯穿各层导电金属片的对应端的导电金属铆钉（例如，铝铆钉）紧固，薄片叠层软体上设置有覆盖导电金属铆钉端部的导电盖板（例如，厚度2~3mm铝板），导电盖板与导电金属铆钉及最外层导电金属片的对应端以冶金结合（通过搅拌摩擦钎焊）的方式相连，或者，所述薄片叠层软体包括多层导电金属片，薄片叠层软体上设置有分别覆盖最外层导电金属片的两端的导电盖板，导电盖板与最外层导电金属片的对应端以冶金结合（通过搅拌摩擦钎焊）的方式相连；导电端板与导电盖板及多层导电金属片以冶金结合（通过搅拌摩擦对接焊）的方式相对接。

一种具有硬板状端头的软连接（存在端板和补强片），该软连接包括薄片叠层软体及导电端板（例如，铝端板）；所述薄片叠层软体包括多层导电金属片（例如，多层厚度0.1~0.3mm铝片）以及设置在最外层导电金属片上的金属补强片（例如，厚度0.1~0.5mm不锈钢抗风片），薄片叠层软体的两端分别通过贯穿各层导电金属片和金属补强片的对应端的导电金属铆钉（例如，铝铆钉）紧固，薄片叠层软体上设置有覆盖导电金属铆钉端部的导电盖板（例如，厚度2~3mm铝板），导电盖板与导电金属铆钉及金属补强片对应端以冶金结合（通过搅拌摩擦钎焊）的方式相连；导电端板与导电盖板及多层导电金属片以冶金结合（通过搅拌摩擦对接焊）的方式相对接。

一种无硬板状端头的软连接（不存在端板），该软连接包括薄片叠层软体；所述薄片叠层软体包括多层导电金属片，薄片叠层软体的两端分别通过贯穿各层导电金属片的对应端的导电金属铆钉紧固，薄片叠层软体上设置有覆盖导电金属铆钉端部的导电盖板，导电盖板与导电金属铆钉及各层导电金属片对应端以冶金结合（通过搅拌摩擦钎焊）的方式相连，或者，所述薄片叠层软体包括多层导电金属片，薄片叠层软体上设置有分别覆盖最外层导电金属片的两端的导电盖板，导电盖板与各层导电金属片对应端以冶金结合（通过搅拌摩擦钎焊）的方式相连。

优选的，所述薄片叠层软体还包括设置于最外层导电金属片与导电盖板之间的金属补强片；金属补强片的两端通过所述导电金属铆钉紧固，导电盖板与导电金属铆钉及金属补强片和各层导电金属片对应端以冶金结合（通过搅拌摩擦钎焊）的方式相连。

上述具有硬板状端头的软连接的制备方法（存在端板），包括以下步骤：

1）预装

将多层导电金属片两端通过工装（夹板或“工”字型螺钉）预紧固定，得薄片叠层预装体；或者，将多层导电金属片两端分别通过贯穿各层导电金属片对应端的导电金属铆钉预紧固定，得薄片叠层预装体；

2）接头装配

在薄片叠层预装体上加装可覆盖最外层导电金属片端部的导电盖板，并在最外层导电金属片端部与导电盖板之间放置或涂刷钎料，或者，在导电盖板与导电金属铆钉之间及导电盖板与最外层导电金属片端部之间放置或涂刷钎料；将导电端板与薄片叠层预装体的端部夹紧；

3）焊接

于一侧（正面或上面）导电盖板上采用搅拌工具（轴肩可覆盖导电金属铆钉）进行搅拌摩擦对接焊，使该导电盖板及多层导电金属片与导电端板实现冶金结合，利用所述搅拌工具于搅拌摩擦对接焊同时，使该导电盖板与最外层导电金属片的对应端，或者使导电盖板与导电金属铆钉及最外层导电金属片的对应端，通过搅拌摩擦钎焊实现冶金结合；

4）于另一侧（反面或下面）导电盖板上重复步骤3），则一方面同时实现了薄片叠层预装体/铝端板、铝盖板/铝端板之间搅拌摩擦对接焊，另一方面还构成了“铝端板-上盖板-铝铆钉-下盖板-铝端板”的“口字型”冶金结合闭合通路，利用此“口字型”冶金结合闭合通路将导电薄片（0.1~0.3mm铝片）“拴牢”于端板，于是导电薄片除通过直接搅拌摩擦对接焊焊接于铝端板之外，还通过铝盖板之下的暗铆钉“栓牢”于铝端板上，与铝端板形成“双保险”结合。

上述具有硬板状端头的软连接的制备方法（存在端板和补强片），包括以下步骤：

1）预装

将多层导电金属片以及位于最外层导电金属片上的金属补强片的两端分别通过贯穿各层导电金属片和金属补强片对应端的导电金属铆钉预紧固定，得薄片叠层预装体；其中，各层导电金属片的端部边缘伸出金属补强片以外，伸出长度根据搅拌工具的搅拌针半径确定（以便使金属补强片退出搅拌区）；

2）接头装配

在薄片叠层预装体上加装可覆盖最外层导电金属片端部的导电盖板，并在导电盖板与铆钉之间、导电盖板与金属补强片之间、导电盖板与最外层导电金属片之间一并放置或涂刷钎料；将导电端板与薄片叠层预装体的端部夹紧；

3）焊接

于一侧（正面或上面）导电盖板上采用搅拌工具（轴肩可覆盖导电金属铆钉）进行搅拌摩擦对接焊，使该导电盖板及多层导电金属片与导电端板实现冶金结合，利用所述搅拌工具于搅拌摩擦对接焊同时，使该导电盖板与导电金属铆钉及金属补强片的对应端通过搅拌摩擦钎焊实现冶金结合；

4）于另一侧（反面或下面）导电盖板上重复步骤3），则一方面同时实现了薄片叠层预装体/铝端板、铝盖板/铝端板之间搅拌摩擦对接焊，另一方面还构成了“铝端板-上盖板-铝铆钉-下盖板-铝端板”的“口字型”冶金结合闭合通路，利用此“口字型”冶金结合闭合通路将导电薄片（0.1~0.3mm铝片）“拴牢”于铝端板，也将不锈钢补强片拴牢于铝端板，于是导电薄片除通过直接搅拌摩擦对接焊焊接于铝端板之外，还通过铝盖板之下的暗铆钉“栓牢”于铝端板上，与铝端板形成“双保险”结合；不锈钢补强片除通过铝盖板与铝端板焊合之外，也通过铝盖板之下的暗铆钉“栓牢”于铝端板上，与铝端板也形成“双保险”结合。

优选的，所述步骤1）还包括以下步骤：固定前，在所述多层导电金属片中心的各导电金属片之间放置或涂刷位于对应导电金属片端部的钎料。

上述无硬板状端头的软连接的制备方法（不存在端板），包括以下步骤：

1）预装

将多层导电金属片通过工装（夹板或“工”字型螺钉）预紧固定，得薄片叠层预装体，或者，将多层导电金属片两端分别通过贯穿各层导电金属片对应端的导电金属铆钉预紧固定，得薄片叠层预装体，或者，将多层导电金属片及位于最外层导电金属片上的金属补强片的两端分别通过贯穿各层导电金属片和金属补强片对应端的导电金属铆钉预紧固定，得薄片叠层预装体；固定前在各导电金属片之间放置或涂刷位于对应导电金属片端部的钎料；

2）接头装配

在薄片叠层预装体上加装可覆盖最外层导电金属片端部（可覆盖铆钉端部）的导电盖板，并在导电盖板与最外层导电金属片对应端（可覆盖铆钉端部）之间放置或涂刷钎料；或者，在金属补强片与最外层导电金属片对应端（可覆盖铆钉端部）以及导电盖板之间放置或涂刷钎料；

3）焊接

于导电盖板上采用搅拌工具进行搅拌摩擦钎焊，使导电盖板与多层导电金属片对应端实现冶金结合，或者，使导电盖板与导电金属铆钉以及多层导电金属片对应端实现冶金结合，或者使导电盖板与导电金属铆钉以及多层导电金属片和金属补强片对应端实现冶金结合。

优选的，所述导电端板还可以采用铜或合金（板材或型材）制成。

优选的，所述导电盖板还可以采用铜制成，所述导电金属还可以为铜；所述导电金属铆钉沿所述多层导电金属片宽度方向布置1个以上。

优选的，所述搅拌工具的轴肩直径为20~50mm，搅拌针根部直径为5~10mm；搅拌工具采用的焊接工艺参数为：工具倾角度为1~3度，转速为900~1500rpm，焊接速度为23.5~375mm/min，下压量为0.5~1毫米，始端原位摩擦时间为8~20s。

本发明的有益效果体现在：

本发明采用的盖板可防止软连接开—闭动作过程中弯矩在铆钉处引起的应力集中，防止在铆钉处起裂，发生断片，延长软连接使用寿命、并扩大导电通路；还可以防止外层的导电金属片、补强片被搅烂，改善表面成形。当不使用补强片但导电金属片叠加后总厚度较厚时（5mm以上），也可通过加装铆钉并进行盖板/铆钉之间的搅拌摩擦钎焊（FSB），以弥补针长较短导致中心区导电金属片与端板搅拌焊合焊接不良或出现漏焊片。当要求较低时，即不使用补强片且导电金属片叠加后总厚度较薄（5mm以下）时，可以免用铆钉。

本发明对于无端板的工况，除了在盖板/外层导电金属片间预刷（置）钎料外，同时在各导电金属片之间也预刷（置）钎料，即主要利用FSB实现所有搭接界面的焊接，对于存在端板的工况，其焊接的思路可概括为：能直接搅拌的界面（与端板相连的界面）就用FSW实现焊接，其余界面（搅拌区外或无法搅拌的界面）则利用FSB实现焊接，通过构成的“双保险”焊接模式，提高了软连接的可靠性。

进一步的，当软连接的服役条件要求必须使用抗风不锈钢片等补强片时，则通过加装铆钉并进行盖板/铆钉界面的FSB，借助FSB形成的冶金结合闭合回路，可将补强片“拴牢”在端板上，以弥补盖板/补强片界面FSB去膜的不充分性。

进一步的，本发明采用薄片叠层软体（多层铝片及位于铝片外侧的不锈钢补强片）及铝端板或铝型材端板组合方式，并在预铆的外层片（不锈钢）上同时预置铝盖板与钎料片；再用带针工具进行铝端板/铝盖板、铝端板/铝片预装件搅拌摩擦对接焊；同时，通过进行铝盖板/铝铆钉之间的搅拌摩擦钎焊（FSB：friction stir brazing/soldering）、铝盖板/不锈钢片之间的搅拌摩擦钎焊，实现铝盖板/铝铆钉、铝盖板/不锈钢片之间的搭接焊；正反两面进行上述焊接过程。这样，既实现了“铝片/大厚度铝端板”同种金属（Al/Al）的“双保险”连接，也实现了“不锈钢片/大厚度铝端板”异种金属（SUS/Al）的“双保险”连接，保证了户外万伏级高压开关铝软连接的高可靠性。

进一步的，铆钉被盖板覆盖而不外露，不但形成外观简洁的“暗铆钉”，而且利用暗铆钉/铝盖板之间的搅拌摩擦钎焊（FSB）工艺，形成由“铝端板→上盖板→暗铆钉→下盖板→再回到铝端板”组成的“口字型”完整冶金结合闭合回路或“U型”焊接回路。所述“口字型”完整冶金结合闭合回路中的“两横”分别代表上、下两块铝盖板；“两竖”分别代表铝端板与暗藏的铝铆钉（暗铆钉）；两个暗铆钉形成两个口字型冶金结合闭合回路。所述U型焊接回路是指上、下盖板与内藏的暗铆钉通过搅拌摩擦钎焊（FSB）构成的冶金结合路径；U型的开口处对应的是铝端板。

进一步的，上述“口字型的完整冶金结合闭合回路”中的所有垂直界面（即铝端板/铝盖板；铝端板/多层金属导电铝片）均直接采用搅拌摩擦对接焊工艺实现；所有水平界面（即铝盖板/铝铆钉）均采用搅拌摩擦钎焊工艺实现。此外，铝盖板/不锈钢片之间的水平界面也采用搅拌摩擦钎焊工艺实现。上述搅拌摩擦对接焊与搅拌摩擦钎焊均同时进行，无需额外增加焊道。

进一步的，所述“不锈钢片/大厚度铝端板”异种金属（SUS/Al）的“双保险”连接是指采用两种途径（①FSB钎焊；②拴牢）实现不锈钢补强片与铝软连接端板的冶金结合：其一，通过“口字型”冶金结合闭合回路，将不锈钢补强片利用暗铆钉与盖板“间接地拴牢”在铝端板侧面，克服了不锈钢片切断搅拌工具的针、降低热传导效果、降低多层铝片软化程度的问题。其二，无铆钉处的不锈钢片（在焊接位置）采用铝盖板/不锈钢补强片之间的搅拌摩擦钎焊（FSB），将不锈钢补强片的绝大部分直接钎焊于盖板上，再经铝盖板，也与铝端板以冶金结合方式相连。这样，通过挖掘活用铝铆钉的潜力，辅之以搅拌摩擦钎焊，将不锈钢片通过由“FSB焊牢（直接借助FSB）”与“暗铆钉拴牢（间接借助了FSB）”构成的“双保险”模式焊接在铝端板上，提高了可靠性。

进一步的，所述“铝片/大厚度铝端板”同种金属（Al/Al）的“双保险”连接是指“铝片/铝端板搅拌摩擦对接焊”与“口字型冶金结合闭合回路的拴牢”的两种并存的连接方法：其一是直接采用免预热、免开坡口的搅拌摩擦对接焊（FSBW）实现每一层铝片（包括铝盖板）均与公用的铝端板之间对接焊；其二也是利用“口字型”冶金结合回路，即通过上下盖板与内藏暗铆钉，将软连接各片层（尤其是位于中心的铝片层与位于外表的不锈钢片）“拴牢”于公共硬板材端部。这样，每层铝片与铝端板均通过“FSW直接对接焊”与“口字型冶金结合闭合回路”构成了“双保险”焊接。其最大工程意义在于弥补了中心区铝片因针的末端压入位置不到位形成的“未焊透”，可防止大电流开关动作中出现脱片、掉片事故，增大了安全系数。

进一步的，“暗铆钉”通常用1个（窄幅）或2个（宽幅）。对于超宽、超厚焊接区，适当增多铝铆钉数目。铆钉数目增多时，“口字型冶金结合闭合通路”的通路个数将增多，暗铆钉对铝片、不锈钢片拴牢效果进一步凸显，连接更为保险：中心区的铝片更不易脱片、掉片；表面的不锈钢片也不易脱片。

进一步的，铝盖板的作用有：①与暗铆钉组合及其FSB焊接，不仅能改善外观，构成额外的、呈“口”字型完整冶金结合通路；②使不锈钢片能吸收来自盖板的摩擦热而退火软化（减轻加工硬化）。

进一步的，厚件两面焊时，中心区片间可预先刷涂少量钎料，以弥补此区针的末端压入不到位引起的塑性流动不足，即在这些搅拌不充分区域（大厚板厚度方向的中心区）除了“靠铆钉借助口字型冶金结合闭合回路的拴牢”作用外，还可利用钎料的冶金反应作用实现焊接，以此弥补塑性流动的不充分。

进一步的，铝片/铝端板、铝盖板/铝端板两类界面的搅拌摩擦对接焊与铝盖板/不锈钢片、铝盖板/铝铆钉两类搭接界面的搅拌摩擦钎焊工艺可“合四为一”，即一次性预置钎料，一次性同时完成四类界面的搅拌摩擦对接焊与搅拌摩擦钎焊，无需另外增加额外焊道进行搅拌摩擦钎焊。

进一步的，本发明同样也能用于Cu软连接的制备：相应的端板、暗铆钉均用铜材即可；盖板可用铝板或铜板。

附图说明

图1为铝软连接结构图，其中：1—硬板状端头；2—不锈钢片；3—多层软连接接头；16—FSW制备接头。

图2为铝软连焊前装配图；其中：(a)铆接铝片/不锈钢示意图；(b)FSB接头中Zn箔放置位置示意图；2—不锈钢片；4—铝铆钉；5—铝盖板；6—Zn箔；7—多层软连接；8—铝片。

图3为各种形式的硬端板端头形式，包括(a)：平板型（即I型）、(b)：双侧T形、(c)：L型、(d)单侧T型、(e)软/硬/软双头组合型（指用一硬端板实现两个软连接的对接焊）示意图；其中：2—不锈钢片；4—铝铆钉；5—铝盖板；7—多层软连接；9—硬端板；10—硬连接；11—FSB搭接；12—FSW对接。

图4为软—硬连接接头处口字型冶金结合闭合通路示意图；其中：(a)双路口字型冶金结合示意图（1个铆钉形成1路）；(b)铆钉处剖开口字型冶金结合的截面示意图；1—硬板状端头；2—不锈钢片；7—多层软连接；13—FSW结合；14—Al/Fe、Al/Al FSB冶金结合；15—口字型结合。

图5为利用本发明制备（含铝铆钉、FSW+FSB制备）的铝软连接实物图（弯—展实况）；其中：（a）平直状；（b）弯曲状；（c）无硬端板软连接。

图6为破坏性抽片实验（不含铆钉）的结果。

图7为软连接搅拌摩擦对焊（FSBW）部分的低高倍金相照片（混合致密）与口字型冶金结合闭合通路（同时含有FSBW与FSB部分）金相照片；其中：(a)FSW软-硬连接接头10×金相照片；（b）洋葱环结构30×金相照片；(c)重叠搅拌区30×金相照片。

图8为搅拌摩擦钎焊（FSB）部分之一：铝盖板/铝铆钉（Al/Al）界面显微组织（界面处的去膜、溶解与合金化已顺利实现）；其中：(a)铝板/铝铆钉界面25×BSE；(b)B区域界面3000× BSE及EDS；(c)挤出液相2000× BSE及EDS分析。

图9为搅拌摩擦钎焊（FSB）部分之二：铝盖板/不锈钢片（Al/SUS）界面显微组织（界面处的去膜、母材碎化与扩散已顺利实现）；其中：(a) 20000× BSE及EDS；(b) 5000× BSE及EDS；(c) 5000×BSE照片及EDS。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明所述铝软连接由多层铝片的本体部分与端部板材部分焊接而成，具体包括薄片叠层软体及端板（铝板或铝型材），其中，薄片叠层软体包括多层铝片及位于铝片外侧的不锈钢抗风补强片，同时利用两种结合途径（双保险），将不锈钢抗风补强片（外部）与多层铝片（内部）均固定于端板上，改善了可靠性，提高了铝软连接野外抗飓风的保险系数。

参见图2，对有端板的铝软连接，为解决最外层加设不锈钢片抗风补强片的多层铝软连接薄片与端板的搅拌摩擦焊过程中出现的“断针”（断针主要原因并非板厚过厚引起的软化不足，而是搅拌工具的钢质针被最外层不锈钢片从根部直接“切割”断）与“隧道”（不锈钢隔热导致下部铝软化不足）缺陷，本发明将不锈钢抗风补强片移至搅拌区（铝片伸出不锈钢部分）之外（既避免了不锈钢片与搅拌针相接触而切断搅拌针，又使表面摩擦热不受不锈钢片2的阻隔而易于传导至下部铝片），在通过搅拌摩擦对接焊（FSBW）实现了铝盖板/铝端板对接焊的同时，以铝盖板为桥梁，在盖板下预置钎料片（Zn箔6）同时覆盖不锈钢片边缘部分与铝铆钉4，利用与前述FSBW同道的“铝盖板/不锈钢片（Al/SUS）异种金属组合”与“铝盖板/铝铆钉（Al/Al）同种金属组合”的搅拌摩擦钎焊（FSB）通过下述两种途径实现“不锈钢补强片/端板”的冶金结合，附带同步实现“铝片/端板”的冶金结合。参见图3，虽然硬板状端头的设计形式可以是各种各样的，但焊接方法是相同的。

其一是焊接途径。一方面，对于外层的不锈钢抗风补强片而言，是指通过不锈钢抗风补强片—铝盖板—铝端板的路径将不锈钢抗风片以冶金结合的方式焊接于铝端板上。其中，不锈钢抗风片—铝盖板的界面是利用FSB实现的；铝盖板—铝端板界面是通过FSBW实现的。另一方面，对于软连接内部的多层铝片而言，焊接路径直接而简单，即直接通过FSBW将多层铝片焊接于铝端板侧面。应该指出，对于不锈钢补强片/铝端板之间的焊接而言，并非两者之间直接焊接，而是通过铝盖板作为“桥梁”，经历了两个界面的焊接（不锈钢抗风补强片—铝盖板—铝端板），才实现了不锈钢片与端板的冶金结合。

其二是“暗铆钉拴牢（或拉牢）”途径。由于预装时铝铆钉4被铝盖板5所覆盖，使成形美观，称为“暗铆钉”。合理利用新增的盖板、铆钉及FSBW（用于对接界面）与FSB（用于搭接界面）方法，可获得两个以上（取决于暗铆钉的个数）“口字型”完整冶金结合闭合通路。

参见图4，所述口字型完整冶金结合闭合通路是由“硬端板—上盖板—暗铆钉—下盖板—再回到硬端板”形成的，每一界面均为冶金结合，其焊接的思路可概括为：能直接搅拌的界面（与端板相连的界面）就用FSW实现焊接，其余界面（搅拌区外或无法搅拌的界面）则利用FSB实现焊接，即端板/上（下）盖板之间的垂直界面由搅拌摩擦对接焊（FSBW）实现；上（下）盖板/暗铆钉之间的水平界面由FSB实现冶金结合；上（下）盖板/不锈钢片之间的水平界面也是由FSB实现冶金结合。所以，口字右边的竖代表硬端板，左边的竖代表暗铆钉；口字的上、下两横分别代表上、下铝盖板。将软连接各铝片层（尤其是位于中心的铝片层）通过上、下盖板与内藏铆钉“拴牢”于公共硬板材端部。这样，构成了“双保险”焊接方法。

所述暗铆钉拴牢是指外层的不锈钢抗风补强片与内部的多层铝片都能通过暗铆钉与盖板及其形成的口字型冶金结合闭合通路，被拴牢于铝端板。尤其对于层数较多的软连接，利用暗铆钉的拴牢作用可弥补板厚方向中心区铝片因针的搅拌不到位所形成缺陷的危害。这样，不但铝片/端板、不锈钢片/端板界面之间实现了双保险连接，而且各铝片与不锈钢片之间也通过端板为联系物，间接地实现了各片间的牢固焊接，多措并举消除了散片的危险性。

对于超厚、超宽焊接区，适当增多铝铆钉数目。铆钉增多时，“口字型”冶金结合闭合通路”的通路个数将进一步增多，连接更为保险，中心区更不易掉片。

本发明的优点介绍如下：

（1）软—硬组合结构设计优点（见图1）：“软”是指多层铝片，“硬”是指端头硬板材（可为板状或T形状等现成板材形式，简称“端板”）。考虑到搅拌摩擦对接焊（FSBW）界面去膜效果可靠，多层搅拌摩擦搭接焊（FSLW）去膜困难，提出尽量将多层搅拌摩擦搭接焊（FSLW）转化为对接搅拌摩擦焊（FSBW）的思路，据此将由单一多层薄片搭接焊成的软连接结构改进为将多层薄片统一对焊到较厚的端部铝板材（称为硬端板）上的思路，即用“软—硬对接FSW组合”代替“单一薄片搭接FSW组合”的方案来制备铝软连接。在使用搅拌摩擦焊方法制备此软—硬对接接头时，在0.1~0.3mm厚度软铝片的上下面各置2~3mm厚度铝板（盖板）以保证表面成形光滑成型，防止表层铝片被扭烂，并改善界面处导通大电流时的散热条件。

（2）盖板对改善焊接质量及分散载荷两方面的有益作用：盖板除了上述改善表面成形作用之外，在改善焊接质量方面，起到了构成“口字型冶金结合闭合回路方面”必不可少的桥梁作用。即借助铝盖板（辅之以FSB焊接工艺）作为桥梁，不仅实现了外层不锈钢片与端板的冶金结合，而且与暗铆钉形成了“口字型完整的冶金结合闭合通路”，获得了对不锈钢片与铝片均有效的拴牢（或拉牢）效果。另一方面，当软连接弯曲时，与传统仅有两颗装配铆钉的情况相比，盖板能分散不锈钢片的受力，消除原始仅有铆钉情况下的应力集中，避免铆钉处不锈钢片过早断裂，可延长不锈钢片弯曲寿命。

（3）暗铆钉结构（见图2）：由于焊后铆钉置于铝盖板之下，形成了暗铆钉。暗铆钉具有外观美观、且易与铝盖板形成冶金结合的优点。

（4）大厚度铝软连接的薄弱区及其补救：采用双面（指上下盖板，层数多时要双面焊）搅拌摩擦焊时，因搅拌摩擦焊操作中针的下压量不到位或对中偏移量出现偏差，导致两侧焊接时针的尖端位置没有形成足够的重叠量，导致中心区铝片未能直接焊到端部硬板材上，故板厚方向的中心区成为焊接的薄弱位置。补救方法是，借助铝铆钉与铝盖板及其水平界面之间的搅拌摩擦钎焊（FSB），与端板形成“口字型冶金结合闭合回路”，可将所有铝片（包括外层的不锈钢片）都拴牢于端板上，以防止脱片、掉片事故。

（5）一次性焊接完成所有“口字型冶金结合闭合通路”：铝盖板/不锈钢片（Al/SUS搭接）、铝盖板/铝铆钉（Al/Al搭接）两类搭接界面的搅拌摩擦钎焊工艺与铝片/端部硬板材（Al/Al对接）、铝盖板/端部硬板材（Al/Al对接）两类界面的搅拌摩擦对接焊材可“合四为一”，即一次性预置钎料，一次性同时完成上述四类界面的搅拌摩擦对接焊与搅拌摩擦钎焊，无需另外增加额外焊道进行搅拌摩擦钎焊。也无须像熔焊那样开坡口、预热。

（6）本发明解决了搅拌摩擦焊（FSW）制作不锈钢片补强的覆钢式铝软连接时，尽管位于最外层的不锈钢片很薄（不足1mm），但不锈钢片的高强度与耐磨性仍能够把钢质搅拌针从根部直接切断的问题；同时解决了不锈钢的热导率远低于铝，使表面的轴肩的摩擦热难以传导至底部，导致下部铝材软化程度不够、塑性流动变差，进而在搅拌区容易形成隧道缺陷的问题。

应用实例

以端头为T型端板的户外大电流开关用大厚度铝软连接为例。

选定部件及尺寸如下：铝片（1060纯铝）为0.2mm厚/片×60层；不锈钢抗风补强片为0.3mm厚304不锈钢（SS304）片×2层；端头为T型端板（6A02）；纯铝盖板为3mm厚，双侧。T型端头焊接面厚度18mm—60层0.2mm厚铝片+2层0.3mm厚304不锈钢片+双侧3mm厚纯铝盖板。

第一步：叠片+预铆装配

使用铝铆钉对铝片与不锈钢片铆接，铝片伸出不锈钢片以外，伸出长度为5.5+0.5mm，按照工作环境要求形状，内层铝片长度为560mm，外层铝片长度为610mm，将多层铝片预紧固定，使用钻床对多层铝片钻孔，在宽度方向上均匀布置2个孔，孔直径为5mm，选用同样直径的球形实心铝铆钉将多层铝片铆接成型，铆钉在不锈钢片以上露出部分为1~1.5mm。

第二步：机加端面

为保证软—硬连接对接接头间隙不大于1mm（间隙容限），多层铝片软连接接头端面（含盖板）需与焊接方向形成的直线距离波动范围在1mm以内。铝片伸出不锈钢片长度=搅拌针根部半径+偏移量（offset）+0.5~1mm，防止由于装配误差导致不锈钢片对搅拌针的破坏，保证轴肩对含铝铆钉区域的全覆盖（表1）。在铝盖板与铆钉重叠位置，使用铣床在铝盖板上加工出盲孔，其深度与铆钉盖厚度相当。使用1500目砂纸对0.03mm厚Zn箔双表面打磨处理，使用600目砂纸对不锈钢片与盖板焊接区域打磨清洁处理。

第三步：焊接装配

对于端板与预装多层铝片，设计制作分别从侧面与正面压紧的工装，根据机床加工能力设计一次可焊2个以上的工装。硬端板置于前进侧（AS），而多层铝片软连接接头置于后退侧（RS），加装铝盖板并将Zn箔置于铝盖板之下、不锈钢片与铝铆钉之上，对其进行紧固；放置引入板与导出板将匙孔引出。

第四步：双面焊接过程

将转速、焊速、工具倾角等参数都调节至表2预设参数档位。采用宽肩（覆盖铆钉与部分不锈钢片）带针工具。搅拌针沿焊接中心位置向多层铝片软连接一侧（即向后退侧）偏移1mm，启动电源，工具开始匀速压入引入板，在摩擦过程中，母材加热软化，开始有塑性金属自凹面轴肩处溢出，原位摩擦20s（视端板厚度定）后开始行走。将匙孔引出到导出板后，工具离开焊材，停机。对焊后表面平整机加处理后，进行下一道反面焊接。所得铝软连接的外观、性能、组织（分FSBW部分与FSB部分）具体说明如下。

所得铝软连接的外观如图5所示，可以看出，铝软连接可顺利展直、弯曲。

采用破坏性“抽片实验”结果（图6）：在不含铆钉的对接接头铝片抽出试验中，单片最大断裂载荷平均值为1.1kN，在抽断铝片的端部，明显可以看到，铝片在经历颈缩、减薄之明显塑性变形后才断裂的，表明界面焊接牢固。

双面焊后端板侧FSBW形成的搅拌区（stir zone）低-高倍组织与“口字型冶金闭合通路”如图7所示。在端板与铝片FSBW接头搅拌区，塑性流动混合良好；板厚方向的中心部位形成搅拌重叠区，重叠厚度约为2mm，且结合致密，搅拌区放大后也未见任何缺陷。另一方面，由“端板搅拌区—上盖板—铆钉—下盖板—再回至端板搅拌区”所形成的“口字型闭合通路”已实现紧密接触，未见未焊合缺陷。为进一步确认“口字型冶金结合闭合通路”的形成，对其所包含的搅拌摩擦钎焊界面进一步放大，结果见图8与图9。

铝盖板/铝铆钉（Al/Al）界面的搅拌摩擦钎焊（FSB）部分微观组织如图8所示。由自铆钉中心区域剖开所得微观照片（图8中的a）可以看出，铝铆钉与铝盖板之间在FSB作用下已形成原始界面消失的致密结合接头，钎缝主组元已由原始的Zn基变为Al基（见图8中的b），表明界面已顺利实现去膜、母材溶解与合金化；同时，挤出液相也非原纯Zn，而为Zn-Al合金（见图8中的c），同样表明去膜、母材溶解与合金化已顺利实现。可见“口字型冶金结合闭合通路”中，上下盖板与铝铆钉之间的FSB结合良好。

铝盖板/不锈钢片（Al/SUS）界面的搅拌摩擦钎焊（FSB）部分微观组织如图9所示。在不含铆钉的铝盖板/不锈钢FSB部分（图9中的a），在20000倍背散射照片中可到有厚度约为0.5μm的金属间化合物层形成，表明已实现了去膜与紧密接触。5000倍二次电子照片（图9中的b）显示，铝/不锈钢界面紧密贴合，而且在靠近界面的Al中有Fe颗粒出现，表明旋转工具的扭转作用能破碎不锈钢本体表层，有力地证明了FSB机械破膜作用的有效性。加之，前者FSB制备铝/不锈钢接头时，其间生成厚度均匀8μm的IMC层。这都说明FSB可以有效解决铝/铝、铝/不锈钢界面的氧化膜难以破除的难题，得到优质可靠的接头。从图9中的c可以看出，界面新相的形成表明即使难去膜的不锈钢表面，氧化膜也被破除，并能获得明显的扩散层。

本实例将搅拌摩擦焊应用于大厚度铝软连接的制备，经企业测试电阻与动作寿命，达到其设计要求，尤其是动作寿命的大幅提高（比传统氩弧焊软连接寿命高3000次）。

表1.搅拌头主要参数

轴肩直径/mm	针长/mm	针根部直径/mm	针端部直径/mm	内凹角度/°	螺纹旋向
						40	10	10	6	7	右

表2.焊接工艺参数

项目	工具倾角/°	转速/rpm	焊接速度/mm·min-1	下压量/mm	原位摩擦/s
						参数	3	1500	150	0.8	20

总之，本发明具有“一道两法双保险”的特点。所谓“一道”是指一侧只需焊一道，便将软连接的任一部件，包括几十层的铝片、两面加装的不锈钢片、盖板、铆钉均能与端部共用硬板材用一道焊接工序焊接起来，所有界面一次性焊接，不额外增加焊道（反面再焊一道）。“两法”是指对接界面用的是FSBW，搭接界面用的是FSB。“双保险”是指对多层铝片而言，通过FSBW的直接“焊牢”与口字型冶金结合闭合通路的“拴牢”，以双保险方式焊接于端板上；对不锈钢抗风补强片而言，除了用FSBW（实现铝端板/铝盖板垂直界面的焊接）+FSB（实现铝盖板/不锈钢片水平界面的焊接）“焊牢”于端板之外，同样借助口字型冶金结合闭合通路的“拴牢”于端板之上。其中，通过利用FSB工艺，将原来只用于预装的暗铆钉、用于成形的盖板，都纳入冶金结合通道，使其均对改善焊接质量、形成口字型冶金结合闭合通路做出了贡献。借助“双保险”的焊接思路与效果，确保了任意一片（特别是最外层的不锈钢片与中心的铝片）都不会在使用中掉落引发电力事故。此外，在工具摩擦热的作用下，不但无弧焊的过热粗晶区，而且焊接区的再结晶作用有利于软化母材，减轻加工硬化程度，提高所制造软连接的工作寿命。

Claims (8)

1.一种具有硬板状端头的软连接，其特征在于：该软连接包括薄片叠层软体及导电端板；所述薄片叠层软体包括多层导电金属片以及设置在最外层导电金属片上的金属补强片，薄片叠层软体的两端分别通过贯穿各层导电金属片和金属补强片的对应端的导电金属铆钉紧固，薄片叠层软体上设置有覆盖导电金属铆钉端部的导电盖板，导电盖板与导电金属铆钉及金属补强片对应端以搅拌摩擦钎焊的方式相连；导电端板与导电盖板及多层导电金属片以搅拌摩擦对接焊的方式相对接；金属补强片为不锈钢片。

2.根据权利要求1所述一种具有硬板状端头的软连接，其特征在于：所述导电端板采用铝或铜制成。

3.根据权利要求1所述一种具有硬板状端头的软连接，其特征在于：所述导电盖板采用铝或铜制成，所述导电金属铆钉采用铝或铜制成；所述导电金属铆钉沿所述多层导电金属片宽度方向布置1个以上。

4.一种无硬板状端头的软连接，其特征在于：该软连接包括薄片叠层软体；所述薄片叠层软体包括多层导电金属片，薄片叠层软体的两端分别通过贯穿各层导电金属片的对应端的导电金属铆钉紧固，薄片叠层软体上设置有覆盖导电金属铆钉端部的导电盖板，导电盖板与导电金属铆钉及各层导电金属片对应端以搅拌摩擦钎焊的方式相连，所述薄片叠层软体还包括设置于最外层导电金属片与导电盖板之间的金属补强片；金属补强片的两端通过所述导电金属铆钉紧固，导电盖板与导电金属铆钉及金属补强片和各层导电金属片对应端以搅拌摩擦钎焊的方式相连，金属补强片为不锈钢片。

5.根据权利要求4所述一种无硬板状端头的软连接，其特征在于：所述导电盖板采用铝或铜制成，所述导电金属铆钉采用铝或铜制成；所述导电金属铆钉沿所述多层导电金属片宽度方向布置1个以上。

6.一种如权利要求1所述的具有硬板状端头的软连接的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）预装

将多层导电金属片以及位于最外层导电金属片上的金属补强片的两端分别通过贯穿各层导电金属片和金属补强片对应端的导电金属铆钉预紧固定，得到薄片叠层预装体；其中，各层导电金属片的端部边缘伸出金属补强片以外，伸出长度根据搅拌工具的搅拌针半径确定；

2）接头装配

在薄片叠层预装体上加装可覆盖最外层导电金属片端部的导电盖板，并在导电盖板与导电金属铆钉之间、导电盖板与金属补强片之间、导电盖板与最外层导电金属片之间一并放置或涂刷钎料；将导电端板与薄片叠层预装体的端部夹紧；

3）焊接

于一侧导电盖板上采用搅拌工具进行搅拌摩擦对接焊，使导电盖板及多层导电金属片与导电端板实现冶金结合，利用所述搅拌工具于搅拌摩擦对接焊同时，使导电盖板与导电金属铆钉及金属补强片的对应端通过搅拌摩擦钎焊实现冶金结合；

4）于另一侧导电盖板上重复步骤3），则一方面同时实现了薄片叠层预装体/导电端板、导电盖板/导电端板之间搅拌摩擦对接焊，另一方面还构成了“导电端板-上导电盖板-导电金属铆钉-下导电盖板-铝导电端板”的“口字型”冶金结合闭合通路，利用此“口字型”冶金结合闭合通路将多层导电金属片“拴牢”于铝导电端板，也将金属补强片拴牢于铝导电端板，于是多层导电金属片除通过直接搅拌摩擦对接焊焊接于导电端板之外，还通过导电盖板之下的导电金属铆钉“栓牢”于导电端板上，与导电端板形成“双保险”结合；金属补强片除通过导电盖板与导电端板焊合之外，也通过导电盖板之下的导电金属铆钉“栓牢”于导电端板上，与导电端板也形成“双保险”结合。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤1）还包括以下步骤：固定前，在所述多层导电金属片中心的各导电金属片之间放置或涂刷位于对应导电金属片端部的钎料。

8.一种如权利要求4所述的无硬板状端头的软连接的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）预装

将多层导电金属片及位于最外层导电金属片上的金属补强片的两端分别通过贯穿各层导电金属片和金属补强片对应端的导电金属铆钉预紧固定，得到薄片叠层预装体；固定前在各导电金属片之间放置或涂刷位于对应导电金属片端部的钎料；

2）接头装配

在薄片叠层预装体上加装可覆盖最外层导电金属片端部的导电盖板，并在金属补强片、导电金属铆钉、最外层导电金属片对应端与导电盖板之间一并放置或涂刷钎料；

3）焊接

于导电盖板上采用搅拌工具进行搅拌摩擦钎焊，使导电盖板与导电金属铆钉以及多层导电金属片和金属补强片对应端实现冶金结合。

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