CN109202275B - 一种防减薄、宽焊幅、永久性加强式搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用宽幅永久性加强板防止减薄并改善表面成形的加强式搅拌摩擦焊方法：(1)焊前在待对接母材的表面预置加强板，并在加强板与母材表面间预置钎料，要求钎料能与母材发生共晶反应或对母材有明显的溶解能力。(2)采用带针工具在加强板表面摩擦，同时实现母材/母材之间的搅拌摩擦对接焊(FSBW)及加强板/母材表面之间的搭接搅拌摩擦钎焊。本发明所述“加强式搅拌摩擦焊(R‑FSW：reinforced FSW)”方法，通过用永久性加强板盖面的方法，可以获得无减薄、光滑成形的加强焊道，形成类似弧焊接头中的永久性“盖面焊道”，可用于铝质压力容器及异种金属的搅拌摩擦焊接。

Description

一种防减薄、宽焊幅、永久性加强式搅拌摩擦焊方法

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊领域，具体涉及一种采用宽幅永久性加强板盖面的“加强式搅拌摩擦焊（R-FSW：reinforced FSW）”方法，从而防止搅拌摩擦焊焊后母材减薄并改善异种金属搅拌摩擦焊表面成形的光滑性，可用于铝质压力容器及异种金属的搅拌摩擦焊接。

背景技术

免开坡口、免预热、无结晶裂纹的搅拌摩擦焊（FSW: friction stir welding）在同种铝板材的焊接方面已获得了广泛应用，可代替钨极氩弧焊与熔化极惰性气体保护电弧焊。FSW可进一步分为搅拌摩擦对接焊（FSBW: friction stir butt welding）与搅拌摩擦搭接焊（FSLW: friction stir lap welding）两种。其中，FSBW因针的旋转方向垂直于焊接界面，针对界面氧化膜破碎与分散效果要远优于FSLW；FSLW因针的旋转方向与搭接界面平行，针的破膜与氧化膜碎屑的分散、竖向金属的混合效果变差。因此，从破除分散氧化膜、母材塑性混合的程度、范围等角度看，搅拌摩擦对接焊（FSBW）焊接质量好，容易实现左/右界面两侧塑性金属的混合，而搅拌摩擦搭接焊（FSLW）上/下界面两侧金属的竖向混合质量“天生”较差。所以，搅拌摩擦搭接焊的难度远远大于搅拌摩擦对接焊。

但搅拌摩擦对接焊（FSBW）在铝质应力容器制造、异种金属对接焊两项工业应用方面还有一些技术难点，限制了FSW在这两项工业方面的大面积应用。在铝质压力容器（如5083厚板制作空分行业的铝质应力容器）进行同种铝材的搅拌摩擦对接焊时，虽然对同种母材而言，能够获得光滑成形表面与无缺陷的搅拌区，但表面不可避免地会出现减薄。而现行应力容器行业标准规定焊接区的厚度应不低于母材原始厚度，这一矛盾造成铝质压力容器行业的设计与制造技术人员对FSW技术“敬而远之”。另一方面，当FSBW用于异种金属对接焊（如Al/Cu组合）方面，除了同样存在焊接区板厚被“减薄”的问题之外，还存在以下更多问题（表面缺陷与内部缺陷）。

（1）表面成形极为粗糙。虽然Al/Al组合、Cu/Cu组合的FSBW均能获得很光滑的表面成形，但是，Al/Cu组合的FSBW表面成形却十分粗糙、粘附搅拌头，内部也易于出现缺陷。异种金属FSBW接头表面成形极为粗糙被认为是难以根除的问题，原因主要有：（a）宽大轴肩直接作用下，表面过度的摩擦与热量导致形成脆性金属间化合物（IMC），而形成的表面IMC无塑性变形能力，极易被工具的轴肩“搅碎”；（b）在摩擦表面，实际上Al、Cu、IMC三种相共存，其物理性能，如屈服强度、软化温度、流变应力、塑性指标均相差较大，导致表面层自身塑性流动连续性差；（c）表面金属间化合物或共晶相易于粘附搅拌工具的轴肩。（2）粗糙的表面成形引起母材表面局部严重减薄。（3）在搅拌区，塑性好、强度高的母材难以被一次性打碎分散，在搅拌区呈大片状存在，分割搅拌区并与低强母材形成新的界面，破坏了搅拌区力学性能的连续性。（4）在搅拌区，伴随上述大片状或大块状高强母材常出现空洞缺陷。

上述缺陷中，搅拌区内部的粗大高强母材片或块、空洞可在适当规范参数下消除，而粗糙的表面成形、搅拌区局部厚度严重减薄却难以消除（参考文献1）。在改善异种金属FSW表面成形方面，哈工大刘会杰等提出了母材上方附加阻隔板材的Friction stir buttbarrier welding （FSBBW）思路（参考文献2），并申报了专利（参考文献3）。“阻隔板”具有以下优点（参考文献3）：阻隔了轴肩同时与铜、铝异种母材表面的接触摩擦，使搅拌头只与阻隔板接触摩擦，既阻止铜、铝在肩表面的附近的流动混合，又避免了异种母材与轴肩的粘连问题。但是由于阻隔板与母材的焊接属于搭接搅拌摩擦焊，而搭接搅拌摩擦焊的质量远不及对接搅拌摩擦焊。

搭接搅拌摩擦焊的主要问题有（参考文献4、5）：（1）搅拌焊合区狭窄，这是因针的直径较细所致；（2）搅拌区边缘存在较深的伸向上板内部的勾装缺陷（hook）或缺口缺陷，这些缺陷导致加强板的实际有效承载厚度大幅减薄，并形成应力集中；（3）搅拌区内本身氧化膜的驱散能力差，如上所述，其原因主要在于工具的旋转方向与焊接界面平行（均为水平方向），难以实现上/下界面间的竖向混合。

现有的常规焊接方法（如电弧焊、搅拌摩擦搭接焊）都难以胜任加强板与母材表面之间的搭接焊接，具体原因分析如下。首先，传统电弧焊因可达性问题、效率问题不适于板材大面积搭接接头，因此不适于宽尺寸加强板与其正下方母材表面之间的搭接焊接，除非采用堆焊技术，预先将焊丝熔化后堆覆于母材表面（成为单边预堆焊），完成单边预堆焊后再进行FSBW。但是，当加强板与母材为异种金属时，电弧堆焊会形成脆性金属间化合物，因而无法采用。其次，搅拌摩擦搭接焊因上述固有问题也难以获得高质量的加强板/母材搭接接头。

参考文献

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发明内容

针对搅拌摩擦焊（FSBW：friction stir butt welding）存在的两大问题：（1）同种金属接头存在焊接区母材厚度减薄问题，严重影响了FSW在铝质压力容器行业的推广应用；（2）异种金属接头不仅表面成形粗糙（异种母材在肩下形成的金属间化合物塑性差所致）、粘附工具、而且搅拌区局部焊道的厚度受之影响会严重减薄，本发明提出一种用宽幅永久性加强板防止减薄并改善表面成形的加强式搅拌摩擦焊方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

为防止焊后母材减薄并改善异种金属搅拌摩擦焊表面成形的光滑性，本发明提出了用附加永久性加强板盖面的方法，称为“永久型光滑焊道加强式搅拌摩擦焊”方法，简称“加强式搅拌摩擦焊（R-FSW：reinforced FSW）”方法，该加强式搅拌摩擦焊方法包括以下步骤：

1）焊前在待进行搅拌摩擦对接焊的母材上面预置厚度为1~5mm板材，将该板材称之为加强板；

2）在加强板与母材表面间预置钎料，要求钎料能与加强板或母材发生共晶反应或对母材有明显的溶解能力；

3）采用带针工具在加强板表面摩擦，同时进行母材与母材之间的搅拌摩擦对接焊（FSBW: friction stir butt welding）及加强板与各母材表面之间的搭接搅拌摩擦钎焊。搅拌摩擦焊（FSW）接头中加强板概念的提出为综合调控接头区的各种性能提供了一新的途径，达到“一板多能”的目的（如消除减薄、改善焊接性、消除缺陷、改善耐腐蚀性、降低热应力、导电电阻等）。施焊阶段又可一举实现母材/母材界面对接（利用FSBW）与加强板/母材界面（利用搭接搅拌摩擦钎焊）搭接两个界面的同时焊接（前者主要靠针；后者主要靠肩），获得表面成形光滑、且加强板与母材表面焊合幅宽可达轴肩直径的“宽焊幅”加强焊道，该加强焊道类似弧焊接头中的“盖面焊道”，从而得到具有宽幅永久性加强板的搅拌摩擦焊接头。

所述加强式搅拌摩擦焊（R-FSW）中，要求加强板塑性较好，以保证表面成形光滑且不开裂；其中，同种母材搅拌摩擦对焊时，加强板的材质采用同种母材，或与母材材质不同；异种母材搅拌摩擦对焊时，加强板采用一块塑性较好的完整板材，加强板的材质为异种母材中的一种，或与两种母材材质完全不同。

所述搭接搅拌摩擦钎焊是指加强板与两母材表面在不同区域通过搅拌摩擦搭接焊（FSLW）与搅拌摩擦钎焊（FSB: friction stir brazing）两种方法获得牢固结合；其中，在针的搅拌区，同时通过搅拌摩擦搭接焊（FSLW）与搅拌摩擦钎焊（FSB）两种方法实现加强板与母材之间的焊接（依靠针机械平破膜；依靠液态钎料强行流动致密化）；在针以外但仍在带针工具肩下的更大宽度范围内，主要通过搅拌摩擦钎焊（FSB）实现更大搭接面积间的焊合。加强板通过上述搭接搅拌摩擦钎焊方法与母材表面获得牢固的冶金结合后，即可综合起到以下三种作用：（a）使表面成形光滑化（主要针对异种金属组合）；（b）防止原始母材减薄（主要针对同种母材组合）；（c）焊后焊接区的总厚度与传统电弧焊相似，不但不低于原始母材，而且起到了“加强”焊接区厚度的作用，获得了一定的加强高，即在不增加额外焊道次数的条件下也同步取得了类似传统电弧焊“盖面焊道（cap pass）”的作用（对同种或异种母材组合均可）。值得强调指出的是，加强焊道的获得对将FSW向铝质压力容器的制造领域拓展有明显的应用价值，可打消从事传统铝质压力容器设计与制造技术人员对FSW减薄母材这一缺点的担忧。

所述加强板的有效宽度，即与母材表面获得冶金结合区域的真实宽度，可通过调整带针工具轴肩直径的大小方便地进行调整。

所述加强板采用两端约束的方式固定，从而免除焊后需加工去除加强板多余部分的工序，对较薄的加强板（厚度<3mm），加强板宽度略大于带针工具（搅拌头）轴肩直径，加强板采用两侧压紧的方式固定，对较厚的加强板（厚度在3mm~5mm，含3mm），加强板宽度略小于带针工具（搅拌头）轴肩直径，加强板采用两侧夹紧方式固定；在焊道始端原位摩擦一定时间，使加强板始端牢固的焊接于焊道始端，防止加强板被移动的工具向前推移。

为简化上述工艺中对加强板的装夹、防止加强板的扭转与翘起变形、省去焊后加工掉加强板装夹余料工序、强化加强板与母材表面的搭接焊道，可焊前先在两母材待焊端的表面分别“预焊”一层宽度适当的同种材质的加强层（称为单边预焊加强层，实质为增厚焊接区厚度以弥补减薄量），在两母材待焊端对接时，两母材上“预焊”的加强层拼接为完整的加强板，然后再对带有预焊加强板的母材进行搅拌摩擦对接焊（FSBW），该FSBW焊道同时附带地再一次对加强板与母材表面的搭接焊道施加热—力作用，强化加强板/母材界面的焊合。

所述“预焊”可采用搅拌摩擦钎焊（FSB）或搅拌摩擦搭接焊（FSLW），从而在母材单边预焊加强层。其中，搅拌摩擦钎焊（FSB）比搅拌摩擦搭接焊（FSLW）的优点在于：所得预焊加强板单道焊幅宽；且对母材板厚与材质无限制。尤其当母材具备如下特点之一：一是厚度过厚或过薄；二是焊道纵向直又长；三是母材为异种金属，则首选用搅拌摩擦钎焊（FSB）在母材待焊边缘预焊加强层。搅拌摩擦钎焊（FSB）与搅拌摩擦搭接焊（FSLW）都可用于异种加强板与母材的搭接预焊，但搅拌摩擦钎焊（FSB）能够在任意厚度母材表面易于获得较宽的加强板（厚板要求加强板较宽以提供较大的摩擦面积），比FSLW具有更灵活、适用范围更广的优点。搅拌摩擦搭接焊（FSLW）只适于在薄的母材表面预焊窄的加强板。或者，也可以电弧堆焊（MIG与TIG）方法将堆焊层当作加强板，属于熔焊的MIG、TIG堆焊只能用于短焊道同种金属母材防减薄。

通过在母材正反两面均按照步骤1）至步骤3）进行加强式搅拌摩擦焊，从而在搅拌摩擦焊接头双面加设永久性加强板，进一步改善加强效果。

优选的，所述加强板采用铝板或铜板，钎料采用Zn箔。所述带针工具的轴肩直径为15~40mm；焊接参数为：焊速30~300mm/min、转速400~1500r/min；工具下压量0.1~0.5mm、倾角1~3°。

本发明的有益效果体现在：

本发明首次提出“永久性”加强板（如同电弧焊焊缝的加强高）的概念，并通过“同步”利用“搅拌摩擦钎焊（FSB：friction stir brazing）”技术“永久地”在母材表面额外焊覆一完整的“宽幅加强板”，同时解决搅拌区母材厚度减薄（同种金属组合与异种金属组合）、表面成形粗糙（异种金属组合）的固有缺点。所谓“永久性加强板”是指加强板与母材之间的搭接界面通过使用带针工具的搅拌摩擦钎焊（FSB）形成了冶金结合。所谓“宽幅”是指加强板的宽度接近轴肩的直径、加强板与母材表面间的焊合宽度也接近轴肩的直径。所谓“同步”是指利用“带针工具”，在利用“针”为主要手段进行两母材间的搅拌摩擦对接焊（FSBW）的同时，利用“轴肩”的热-力作用进行永久性加强板与两母材表面之间的搅拌摩擦钎焊（FSB），并不需要额外增加焊道。

还需指出，搅拌摩擦焊接头中“加强板概念”的提出及上述实现“加强板/母材表面”冶金结合的措施为综合调控接头区的各种性能提供了新的途径，达到“一板多能”的目的（如消除减薄、改善焊接性、消除缺陷、改善耐腐蚀性、降低热应力、降低导电电阻等）。例如在对硬铝/硬铝（或超硬铝/超硬铝）同种母材组合进行搅拌摩擦对焊时，可选塑性与耐蚀性均优于母材的纯Al作为加强板。这样，加强板不仅通过防止减薄起到加强的作用，改善母材可焊性差导致的对缺陷的敏感性，还可以改善接头处的耐蚀性能。

附图说明

图1为加强式搅拌摩擦焊方法示意图。

图2为同种金属母材组合防止减薄并同步获得加强焊道的单边装夹加强板方法示意图。

图3为异种金属母材单边装夹加强板方法示意图，其中：(a)搅拌头压入前的预装配；(b)搅拌头压入后。

图4为用搅拌摩擦钎焊（FSB）单边预压覆加强板的防减薄加强式搅拌摩擦焊方法示意图，其中：(a)一母材上预先压覆加强板、(b)另一母材上预先压覆加强板、(c)用FSB预压覆加强板后再进行同种母材无偏移量搅拌摩擦焊、(d)用FSB预压覆加强板后再进行异种母材有偏移量搅拌摩擦焊。

图5为免除焊后去除加强板多余部分的设计与装夹方式示意图。

图6为用加强板双面强化（三明治式加强）装夹方式示意图，其中：(a)第一次（正面）焊接装配图；(b)第二次（反面）焊接装配图。

图7为改善表面成型的铝铜焊接示意图。

图8为利用加强板改善后的铝铜表面光滑成型结果。

图9为本发明实施例所得铝/铜接头的横截面背散射照片（规范参数为1180rpm -60 mm/min -0.3压入深度-3°倾角，简称1180-60-0.3-3°-1），其中：A、B、C、D、E区域为1180-60-0.3-3°-1参数下铝铜接头典型区域。

图10a为图9中前进侧A区域挤出钎料放大背散射图。

图10b为图9中B区域铝/铜界面放大背散射图。

图10c为图10b所示虚线框区域放大背散射图。

图10d为图9中后退侧E区域放大背散射照片。

图10e为图10d所示虚线框区域放大背散射图。

图10f为图9中D区域放大背散射照片。

图10g为图9中C区域铝/铜界面放大背散射图。

图10h为图10g所示虚线框区域放大背散射照片。

图10i为图9中搅拌区中心较大的铜颗粒放大背散射图。

图10j为图10i所示虚线框区域放大背散射照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

申请人在本发明中提出对于FSW存在的同种金属焊接存在减薄、异种金属焊接表面成形粗糙的两项“固有”问题，都可以通过在两种母材表面额外加覆成分相同（或不同），高温塑性与低温塑性优良的板材（可称为加强板、盖板、覆板或堆焊板，统称为加强板）得以解决。决定这一思路成功与否的关键点在于如何确保牢固、方便、灵活地实现加强板与母材表面之间的搭接焊接。申请人基于课题组前期研究的积累，提出用永久性加强板防止减薄并改善异种金属搅拌摩擦焊表面成形的方法，并用前期研发的搅拌摩擦钎焊（参考文献6、7）可方便、灵活地实现加强板/母材表面之间的搭接焊，确保了“永久性加强板”思路的顺利实现。

关于永久性加强板的材质，可针对不同的目的选择不同的加强板。一般而言，同种母材搅拌摩擦对焊时，应选同种母材，主要目的在于消除减薄；但当母材本身塑性差、耐蚀性差时，可选择耐蚀性好、塑性相对较好的另一种母材（如硬铝/硬铝的FSBW应选用纯Al作加强板）。选择塑性好的加强板是由于其直接与直径最大的轴肩相接触，承受的扭矩较大，塑性变形量相对较大，有利于防止表面粗糙或不连续的缺陷。异种母材搅拌摩擦对焊时，可选两种母材中塑性较好、强度较低者，也可选择两种母材之外的第三种母材，以保证表面光滑成形、抑制界面脆性金属间化合物或抑制热膨胀系数失配度。

关于永久性加强板的尺寸有宽度与厚度两个参数。如上所述，当永久性加强板较薄时，加强板的宽度略大于轴肩直径，以便于在加强板两侧的边缘处压紧固定加强板。当永久性加强板较厚时，可在永久性加强板两侧加装挡板防止加强板被旋转轴肩扭曲，则永久性加强板的宽度可略小于轴肩直径，这样可使永久性加强板的整个幅宽都可以牢固焊接于母材表面。永久性加强板的厚度通常取1~5 mm。过薄会被旋转轴肩扭烂，过厚对加强板/母材水平界面的热-力作用效果减弱，影响“永久补强”的冶金结合效果。

本发明给出的加强板与母材间“同步”焊接方法，不但明显优于传统搅拌摩擦搭接焊（因同时利用轴肩的机械破膜与钎料的共晶反应破膜作用，去膜优良；焊幅随之宽大接近轴肩直径），而且也不同于申请者前期提出的搅拌摩擦钎焊（FSB：friction stirbrazing）。

首先应该指出，与搅拌摩擦对接焊（FSBW）相比，若直接使用带针工具对加强板与母材之间的水平界面进行传统搅拌摩擦搭接焊（FSLW: friction stir lap welding），获得优质接头的困难大得多。FSLW的问题主要有（见申请者论文Guifeng ZHANG, et al.Development of friction stir spot brazing (FSSB). Materials and Design 94(2016) 502–514）：（1）焊道宽度等于针的直径，极为狭窄；（2）焊道边缘有低温下板（较硬）嵌入高温上板（较软）形成的“勾状嵌入型”缺陷（hook），引起上板有效承载厚度减薄和应力集中；（3）因针的旋转方向平行于焊接界面（水平界面），造成塑性材料竖向流动不足，使焊道内部虽然可被针破碎，但氧化膜碎屑向搅拌区的驱除分散困难，仍然易于集中存在于焊接面。为此。引入搅拌摩擦钎焊的思路，即预置能与母材发生共晶反应的钎料（或使母材能发生显著溶解钎料），使氧化膜随共晶液相被挤出，获得纯净母材金属直接接触的扩散界面组织。

申请人前期提出的搅拌摩擦钎焊（FSB：friction stir brazing）为了消除匙孔与坚硬母材对针的磨损而采用无针工具，同时，为了清除界面氧化膜，使之能随反应生成的共晶液相或液态钎料本身而被挤出，要求钎料或者能与母材发生共晶反应，或者对母材有较强的溶解能力。但前期的无针式FSB并不适于对接工况，也无法克服“减薄”。与前期的搅拌摩擦钎焊（FSB）相比，本发明的重要区别在于：（１）提出了“永久性加强板”的概念，即在接头结构设计方面，额外添加了“加强板”。（２）可赋予“加强板”“一板多能”效果，即利用“加强板”，为改善焊接区成形、承载能力（增大承载界面）、降低导电电阻（Al/Cu电力金具）、抗腐蚀性等提供了一条途径。（３）采用的是带针工具。（4）无减薄光滑接头的制备，仅通过一道搅拌摩擦加热实现：即同步实现母材/母材之间的对接搅拌摩擦焊与加强板/母材表面之间的搭接搅拌摩擦钎焊，前者主要靠旋转工具的“针”的机械搅拌作用来实现，后者主要靠“轴肩”的热—力作用效果引发、驱动、强化的钎料的冶金作用来实现。可见，并不需要额外增加焊道数目。（4）基于加强板与母材上表面的“宽幅冶金结合”，结果获得了表面成形光滑、与母材表面呈冶金结合的加强焊道，成功地赋予了搅拌摩擦焊接头类似电弧焊接头中的“盖面焊道”，获得了“又牢又宽的永久性加强板”，由此使本发明成为一种不受母材种类（无论同种或异种母材组合均可）与厚度限制的、加强宽度与加强厚度可调的“加强式搅拌摩擦焊方法”。

遵循上述思路，本发明提出的具体方法包括：（1）在待焊母材表面预置宽度略接近轴肩直径的完整板材（称为加强板），所述加强板采用高温塑性与低温塑性优良的板材（如Al或Cu），厚度约为1~5mm。（2）在加强板与母材表面之间预置钎料（箔带或粉末），要求钎料或者能与母材发生共晶反应，或者对母材有明显的溶解能力。（3）采用“带针工具”进行搅拌摩擦焊，一举一并实现“母材/母材对接面之间”的搅拌摩擦对接焊（FSBW）与“加强板/母材表面搭接面之间”的搅拌摩擦钎焊（FSB），无需另外增加额外的焊道即可将待对接的两母材与加强板三者焊接在一起，形成冶金结合，同时获得“无减薄、且光滑成形”的加强焊道。这种焊接方法可称为“FSB加强式FSW”，或简称为加强式FSW。

参见图1，所述加强式FSW主要采用加强板+钎料+带针工具，防止母材减薄、同步改善表面成形（异种金属FSW接头表面成形光滑化）获得加强焊道（盖面焊道）。

焊前，加强板与母材的装配方式还包括以下几种具体情况：

参见图2、图3，无论是同种金属母材，还是异种金属母材对接，均可采用单边装夹方法，即加强板一端覆盖两母材相邻接的待焊边缘，另一端与其中一母材采用夹具固定，另一母材单独采用夹具固定，母材及夹具均位于同一刚性垫板上。

参见图4，对于需要特宽幅加强板工况，先将两母材分别按照单边装夹方法固定，然后于两母材待焊边缘上侧分别采用搅拌摩擦钎焊工艺预先压覆加强板；将带有预钎—压覆加强板的同种或异种母材再进行搅拌摩擦对接焊。

参见图5，为了适用于较窄的加强板，即加强板宽度小于搅拌头直径，则加强板两侧使用两个挡板固定，两个挡板分别与对应侧母材固定。

参见图6，在第一次焊接完成位于母材正面的加强板后，将母材正面利用垫块支撑在刚性垫板上，然后在母材反面装夹另一加强板并进行第二次焊接，从而实现加强板的双面强化。

加强式FSW应用实例：

以电力行业应用较多的铝/铜板材异种金属搅拌摩擦焊为例。将尺寸相同（5 ×50 × 100 mm ）的 T2 紫铜板和 1060 铝板按图7所示方式装配。为改善铝/铜异种金属搅拌摩擦焊接后极为粗糙的表面成型，必须防止焊缝表面的铝铜金属直接接触、混合并剧烈混合反应，但又必须保证搅拌摩擦焊接过程中轴肩摩擦产生的热输入，同时为防止减薄，按本发明思路再在上面增覆一层塑性好、导热好的1060 薄铝板作为加强板，其尺寸为2 ×60 × 100 mm，这样既能达到改善表面成型的目的又能使得焊后的铝铜接头无减薄。

其后，按本发明思路，为使加强板变为“永久性宽幅盖面焊道”（焊接宽度可达轴肩直径），在铝加强板与铜、铝板上表面间预置 0.03mm 厚的Zn箔作钎料，然后加强板采用单边约束的方式置于后退侧。所用工具（搅拌头）为带针工具，搅拌头轴肩直径22mm，内凹角度6°；针长 6.7mm，端部直径5mm，根部直径7mm 并带有螺距为 1mm 的右螺纹。焊接参数选取：焊速 60mm/min、转速 1180r/min、下压量 0.3mm、搅拌头倾角3°、向Al侧偏移至搅拌针外周进入铜侧深度 1mm。

所得铝/铜接头表面成型如图8所示，可看出加强板（Al）表面成型光滑。在焊接过程中轴肩只与加强板（Al）摩擦，避免了上表面铝铜的被的轴肩（扭矩大、线速度高）驱动而直接接触、搅拌与混合，从而消除了上表面的Cu-Al金属间化合物，由此也避免了金属间化合物碎裂后对搅拌头轴肩部分的粘连。焊后将加强板多余部分用铣床或角磨机去除后便可得到一个无减薄、有加强板的光滑铝/铜对接接头。

所得铝/铜接头的横截面背散射照片（规范参数为1180rpm -60 mm/min -0.3 压入深度 -3°倾角）如图9所示。增覆加强板后相当于使用搅拌摩擦钎焊的方法将加强板和前进侧的铜和后退侧的铝在20mm的范围（轴肩内）结合在了一起，而铝/铜对接面则是通过搅拌摩擦焊接的方法结合，因此该接头存在三种焊接界面，分别是：铝/铜搭接、铝/铝搭接和铝/铜对接界面。从图9中也可看出搅拌区内无大块状的铜，铜被打碎均匀分散于搅拌区，搅拌区内也未观察到孔洞缺陷。在图9中用虚线框选取了几个典型区域放大后进行组织观察，其中A区域为前进侧铝/铜搭接区域轴肩外被挤出的钎料，B区域为铝/铜搭接界面，C区域铝/铜对接界面，D区域为铝/铝搭接界面，E区域为铝/铝搭接界面轴肩外被挤出钎料。

图9中A~E各典型区域的显微组织见图10a~j（背散射照片）。表1对应图10a~j中各点的能谱分析结果。

首先分析加强板与母材间搅拌摩擦钎焊（FSB）搭接界面的微观组织（含区域A、B、C、D、E）。图9中A处铝/铜搭接界面前进侧挤出钎料参见图10a，图10a中能谱点位置2处为轴肩外未熔化的Zn钎料，能谱点4所示区域为轴肩内挤出的熔化的锌钎料，通过能谱分析可知钎料内颜色较浅的相3、4为Zn，而颜色较暗部分5、6通过能谱分析铝含量约为14at.%左右，接近锌铝共晶成分Zn-12Al at.%，所以可以推测出挤出的钎料内含有少量的铝元素并且在凝固过程中生成了初生锌以及锌铝共晶组织，由此可说明锌钎料对铝侧氧化膜存在破除作用。图9中B处铝/铜搭接界面如图10b所示，从图10b中可看出铝/铜搭接界面结合良好，存在连续的IMC层。将图10b中虚线框内区域放大后，如图10c所示，IMC层厚度约为10μm。通过能谱点分析发现铜侧界面生成了一层约2μm的铝锌铜三元金属间化合物，然后是一层约8μm的Al₂Cu金属间化合物层。图9中E处后退侧铝/铝搭接界面轴肩外的钎料如图10d所示，从图10d中可看出后退侧钎料层厚约80μm，且中心存在分层。由于原始锌钎料厚度为30μm，所以分层上方的钎料是轴肩内挤出的液相成分，分层下方的则是轴肩外未熔化的原始钎料。将上方钎料放大后，如图10e所示，能谱分析可知白色的为Zn，较暗的成分为Al-65Zn at.%，接近铝锌共析成分Al-61Zn at.%。结合能谱分析推测由于是从铝/铝界面挤出的液相，所以液相内铝含量相较于铝/铜搭接界面挤出的液相更多，成分介于铝锌共析点与共晶点之间，在凝固时结晶成锌固溶体并且析出铝锌共析成分。图9中D处为铝/铝界面如图10f所示，可以看出上下铝材发生了显著的溶解，能有效的破除铝母材表面氧化膜，钎缝合金化明显；钎缝层呈现波浪形的原因一方面是锌钎料对铝母材的溶解能力较强，另一方面是搅拌摩擦钎焊中大轴肩的扭转力学作用既有能将液化的钎料挤出的效果，又有促进母材溶解的双重作用，所以形成了如图10f所示波浪起伏界面。

再分析对接界面（图9内C处）的显微组织，参见图10g、图10h，铝/铜对接界面结合良好，生成了厚度约为2μm的IMC层，通过能谱分析可知IMC层为AlCu和Al₂Cu金属间化合物。图9中搅拌区内最大的铜颗粒如图10i、图10j所示，可看出界面结合良好且生成了一层较薄的IMC层。

通过上述表面成形、横截面低倍与高倍组织、能谱数据综合分析可知：在铝铜对接接头上表面增设铝质加强板、预置钎料、并使用带针工具的搅拌摩擦钎焊的方法，能有效避免上表面的铝铜接触生成金属间化合物，改善表面成型，避免搅拌头轴肩部分的粘连，得到一个无减薄的光滑表面铝铜对接接头。能谱分析发现两侧挤出的液化钎料中均含有铝元素，说明添加的锌钎料能有效去除铝/铝、铝/铜搭接界面铜侧的氧化膜。高倍显微组织分析表明，加强板/母材之间的FSB与母材之间的FSBW均一并实现了致密的冶金结合。尤其在FSB界面的“针外但位于肩下”的区域都实现了冶金结合，其中，Al/Al组合界面形成范围很宽（可延伸到轴肩边缘）的无脆性相的波浪形Al-Zn合金型钎缝（已非焊前的单质Zn，表明实现了Al母材的溶解与钎缝的合金化），Al/Cu组合界面通过形成IMC相也实现了焊合。由此证明了本发明可成功获得“永久性宽幅盖面型”加强焊道。

表1.对应图10中典型区域显微组织能谱分析结果（at.%）

能谱点位置	Al	Cu	Zn	推测相
					1	-	100	-	Cu
2	-	-	100	Zn
					3	-	-	100	Zn
4	-	-	100	Zn
					5	13.61	-	86.39	锌铝共晶
6	15.57	-	84.43	锌铝共晶
					7	32.26	50.25	17.49
8	35.83	46.73	16.44
					9	31.86	54.73	13.41
10	67.7	29.46	2.84	Al2Cu
					11	68.76	31.24	-	Al2Cu
12	69.36	30.64	-	Al2Cu
					13	96.23	1.35	2.42	（Al）
14	86.42	2.96	10.62	（Zn）+（Al）
					15	34.51	-	65.49	锌铝共析
16	31.95	-	68.05	锌铝共析
					17	34.80	-	65.20	锌铝共析
18	-	-	100	Zn
					19	-	-	100	Zn
20	100	-	-	Al
					21	61.29	-	38.71	（Zn）+（Al）
22	41.40	58.60	-	AlCu
					23	64.95	35.05	-	CuAl2

Claims (7)

1.一种防减薄光滑焊道永久型加强式搅拌摩擦焊方法，其特征在于：该加强式搅拌摩擦焊方法包括以下步骤：

1）焊前在待进行搅拌摩擦对接焊的母材上面预置厚度为1~5mm板材，将该板材称之为加强板；

2）在加强板与母材表面间预置钎料，要求钎料能与加强板或母材发生共晶反应或对母材有溶解能力；

3）采用带针工具在加强板表面摩擦，同时进行母材与母材之间的搅拌摩擦对接焊及加强板与各母材表面之间的搭接搅拌摩擦钎焊，获得表面成形光滑、且加强板与母材表面焊合幅宽可达轴肩直径的宽焊幅的盖面焊道，从而得到具有宽焊幅永久性加强板的搅拌摩擦焊接头；

所述搭接搅拌摩擦钎焊是指加强板与两母材表面在不同区域通过搅拌摩擦搭接焊与搅拌摩擦钎焊两种方法获得牢固结合；其中，在针的搅拌区，同时通过搅拌摩擦搭接焊与搅拌摩擦钎焊两种方法实现加强板与母材之间的焊接；在针以外但仍在带针工具轴肩下的更大宽度范围内，通过搅拌摩擦钎焊实现更大搭接面积间的焊合；

所述加强式搅拌摩擦焊中，要求加强板塑性较好，即在经受旋转轴肩的摩擦作用后表面不开裂且表面成形光滑；

对厚度<3mm的较薄的加强板，加强板宽度略大于带针工具轴肩直径，对厚度在3mm~5mm的较厚的加强板，加强板宽度略小于带针工具轴肩直径；

所述带针工具的轴肩直径为22~40mm。

2.根据权利要求1所述一种防减薄光滑焊道永久型加强式搅拌摩擦焊方法，其特征在于：其中，同种母材搅拌摩擦对接焊时，加强板的材质采用同种母材，或与母材材质不同；异种母材搅拌摩擦对接焊时，加强板采用一块塑性较好的完整板材，加强板的材质为异种母材中的一种，或与两种母材材质不同。

3.根据权利要求1所述一种防减薄光滑焊道永久型加强式搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述加强板的有效宽度，即与母材表面获得冶金结合区域的真实宽度，可通过调整带针工具轴肩直径的大小进行调整。

4.根据权利要求1所述一种防减薄光滑焊道永久型加强式搅拌摩擦焊方法，其特征在于：对厚度<3mm的较薄的加强板，加强板采用两侧压紧的方式固定；对厚度在3mm~5mm的较厚的加强板，加强板采用两侧夹紧方式固定；在焊道始端原位摩擦一定时间，使加强板始端牢固的焊接于焊道始端。

5.根据权利要求1所述一种防减薄光滑焊道永久型加强式搅拌摩擦焊方法，其特征在于：通过在母材正反两面均按照步骤1）至步骤3）进行加强式搅拌摩擦焊，从而在搅拌摩擦焊焊接接头双面加设永久性加强板。

6.根据权利要求1所述一种防减薄光滑焊道永久型加强式搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述加强板采用铝板或铜板，钎料采用Zn箔。

7.根据权利要求1所述一种防减薄光滑焊道永久型加强式搅拌摩擦焊方法，其特征在于：焊接参数为：焊速30~300mm/min、转速400~1500r/min；工具下压量0.1~0.6mm、倾角1~3°。

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