CN109623128A - 一种用于铝-铜异种金属物混合连接的搅拌头及焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉异种金属焊接领域，具体为一种用于铝‑铜异种金属物混合连接的搅拌头及焊接工艺。该搅拌头的搅拌针为圆柱状搅拌针，焊接过程中搅拌针边缘轮廓线与异种金属界面相切，搅拌针完全置于铝侧，且使铝合金位于后退侧。搅拌针带动铝侧金属流动且在挤压作用下铜侧金属发生原位变形使内部金属暴露出来，铜的内部金属与铝侧流动金属发生原子间接触，并在摩擦热以及挤压力的作用下扩散作用，最终实现冶金结合。搅拌针不直接作用在铜侧，从而避免了铝、铜之间的混合。

Description

一种用于铝-铜异种金属物混合连接的搅拌头及焊接工艺
技术领域
本发明属于焊接技术，具体涉及一种用于铝-铜异种金属物混合连接的搅拌头及焊接工艺。
背景技术
异种金属焊接相比于同种金属的焊接而言存在很大的困难，与同种金属的焊接不同的是，在进行异种金属焊接时，需要考虑这两种金属各自的特性以及这两种异种金属之间的冶金相容性、物理状态相似性、表面的张力状态等多方面因素。异种金属之间的电阻率、热膨胀系数、热导率以及熔点等存在很大的差异，而由于这种差异的存在，在焊接异种金属时，会产生与母材差异很大的区域，这些区域的存在会在很大程度上降低焊接接头的性能，除此之外，焊接过程中很容易出现脆性金属间化合物，最终导致异种金属的焊接相对比较复杂。
搅拌摩擦焊接方法是一种固态塑化连接技术，自问世以来，搅拌摩擦焊在低熔点金属，尤其是铝合金的焊接领域获得广泛的应用。与其他焊接方法相比，搅拌摩擦焊接技术有下列特点：不产生熔化焊接缺陷、焊接变形小、操作简单、适用于多种材料和接头形式。搅拌摩擦焊具有许多熔化焊接方法无可比拟的优势，特别是它在焊接过程中焊缝金属不熔化即可形成焊缝，其特定的金属塑化温度小于一般金属的熔点，甚至小于一般的金属间化合物形成温度，能够很好的控制焊缝热影响区以及金属间化合物的形成。
中国专利(101758329A)公开了一种改善铝铜异质金属连接强度的搅拌摩擦焊接方法。该焊接方法主要是在焊接过程中对搅拌头进行偏置，其搅拌头偏置距离为搅拌针轴线与铜铝金属板接缝的距离，其值为搅拌头的搅拌针直径的0.1～0.5倍，其主要目的是减少焊缝中金属间化合物的形成，改善接头强度，但是由于其在焊接时，搅拌头的偏置距离≤搅拌针的半径值，也即是在焊接过程中总有一部分的异种金属在搅拌头的搅拌作用下发生搅拌混合，并在一定的温度下形成金属间化合物，影响接头强度。
中国专利(102794562A)则提出了一种适用于铝合金和铜合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法。该焊接方法主要是通过控制待焊接头界面温度，使其保持在570～580℃，搅拌头搅拌，使得该温度下的液化的金属间化合物被打碎而均匀的分散在待焊接头各区域，液相具有较好的流动性且由于毛细管效应填充待焊接头间隙，减小待焊接头材料偏析、孔洞等缺陷，从而改善接头性能，但是，在这个焊接方法中存在两个难点，首先是焊接过程中待焊接头界面处的570～580℃的温度对于金属间化合物较好，但是对于被焊接的铝材而言，由于该温度较高，高于理想的塑化状态温度，可能会导致焊接缺陷；其次，对于搅拌摩擦焊接而言，很难将液相的金属间化合物打碎并均匀的弥散分布在焊接接头中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于铝-铜异种金属物混合连接的搅拌头及焊接工艺。
实现本发明目的技术方案如下：
一种用于铝-铜异种金属无混合连接的搅拌头，包括夹持端、轴肩搅拌针，轴肩设置有同心圆花样，且搅拌针为圆柱状。
进一步的，搅拌针长度小于板厚0.3-0.5mm。
进一步的，搅拌头旋转速度在400-700rpm之间，焊接速度在40-80mm/min之间，搅拌头倾角为1-2.5°之间。
一种用于铝-铜异种金属无混合连接的搅拌头的焊接工艺，该工艺步骤如下：
步骤1：清洗异种金属板材并固定板材；
步骤2：启动搅拌摩擦焊设备，调整搅拌头位置，先将搅拌端面中心点置于焊缝中心的正上方，再移动搅拌针使搅拌针完全置于铝侧，搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心线相切，最后调整搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心之间的距离，确定焊接位置；
步骤3：设置焊接参数，进行焊接；
步骤4：一侧焊接完毕后取下工件，用搅拌机和砂纸打磨焊缝两侧的金属飞边，防止焊缝两侧的挤出金属有超过金属表面情况的出现，打磨完毕后对工件背面再次清洗，去除焊接过程中高温作用形成的二次氧化膜；
步骤5：重复步骤(2)和(3)，对试样的另一侧金属再次焊接；
步骤6：板材两侧均焊接完成后，取下焊接试样，完成整个焊接过程。
进一步的，步骤1具体步骤如下：采用酒精清洗异种金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上。
进一步的，搅拌头旋转速度在400-700rpm之间，焊接速度在40-80mm/min之间，搅拌头倾角为1-2.5°之间。
进一步的，两次焊接过程均使铝置于前进侧，铜置于后退侧。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明克服了异种金属搅拌摩擦焊过程中金属混合的难题；
(2)本发明通过参数的设定能够有效控制异种金属之间的扩散问题，从而控制界面处金属间化合物的生成；
(3)本发明的搅拌头只作用在单一金属一侧，通过挤压、扩散实现异种金属间的冶金结合，相当于进行同种材料的搅拌摩擦焊过程，是的有效焊接参数范围扩大，焊接稳定性提高；
(4)本发明实现了异种金属间的五混合连接，降低了金属间化合物的生成，解决了异种金属搅拌摩擦焊过程中搅拌头堵塞的问题，提高了搅拌头的使用寿命。
附图说明
图1为结合原理示意图。
图2为金属流动方向示意图。
图3为获得的铝-铜异种金属接头实物图。
图4为常规异种金属焊后的搅拌头。
图5为本发明焊后的搅拌头。
图6为接头截面的宏观形貌图。
图7为本发明搅拌头的结构示意图。
1、夹持端；2、轴肩；3、同心圆花样；4、螺纹；5、搅拌针。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。
结合图1，本发明提供的是一种实现铝-铜异种金属之间无混合连接的搅拌摩擦焊方法，为保证铝、铜两种金属之间无混合，将搅拌头的搅拌针完全插入到一侧金属中，在搅拌针的插入位置上杜绝两种金属的混合。
本发明提供一种用于铝-铜异种金属无混合连接的搅拌头，如图7所示，包括夹持端1、轴肩搅拌针5，轴肩2设置有同心圆花样3，且搅拌针为圆柱状。搅拌针5设置为螺纹结构。
结合图2，焊接过程中旋转搅拌针带动一侧金属流动，此时搅拌针周围形成金属流动的流场，铝-铜界面成为流场边界，流场金属对结合界面施加力的作用，使流场金属能够与界面金属之间达到原子级接触，此时，焊缝中温度场的作用和流场对界面金属力的作用能够使流场金属与界面金属达到原子间结合，从而实现两侧金属之间的冶金结合。
具体步骤包括：
步骤1：采用酒精清洗异种金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上。
步骤2：启动搅拌摩擦焊设备，调整搅拌头位置，先将搅拌端面中心点置于焊缝中心的正上方，再移动搅拌针使搅拌针完全置于铝侧，搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心线相切，最后调整搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心之间的距离，确定焊接位置。
步骤3：设置焊接参数，搅拌头旋转速度设置在400-700rpm之间，焊接速度设置在40-80mm/min之间，搅拌头倾角为1-2.5°之间，参数设置完毕后启动焊接，进行焊接。
步骤4：一侧焊接完毕后取下试样，用搅拌机和砂纸打磨焊缝两侧的金属飞边，放置焊缝两侧的挤出金属有超过金属表面情况的出现，打磨完毕后对工件背面再次清洗，去除焊接过程中由于高温作用形成的二次氧化膜。
步骤5：重复步骤(2)和(3)，对试样的另一侧金属再次焊接。
步骤6：板材两侧均焊接完成后，取下焊接试样，完成整个焊接过程。
结合图3，所示为搅拌头转速为600rpm，焊接速度为50mm/min，搅拌头倾角为2°时获得的铝-铜异种金属搅拌摩擦焊接头，焊缝表面成型良好，无沟槽、隧道等明显宏观缺陷存在。
结合图4，所示为常规铝-铜异种金属搅拌摩擦焊过程中，焊后搅拌头的堵塞情况，搅拌针根部出现了明显的堵塞。
结合图5，所示为本发明提供的焊接方法后搅拌针头的堵塞情况，搅拌针针根部未发生堵塞，不用进行搅拌头清洗。
结合图6，所示为无混合铝-铜异种金属搅拌摩擦焊接头的截面形貌，接头内部无铝、铜混合情况的发生，且内部无孔洞、隧道等缺陷的存在。
本发明的焊接过程中采用带有柱状搅拌针的搅拌头，搅拌针完全置于铝侧，且搅拌针边缘轮廓线与异种金属结合界面相切。在搅拌针作用下，铝侧金属发生塑形流动，流动金属将带动铜侧金属发生原位形变，但形变金属不会脱离基体本身，此时铜会在结合界面处暴露出内部金属，铝侧流动金属在搅拌头作用下与铜侧金属实现原子间接触，此时两侧在高温以及挤压力的作用实现了原子间结合，最终获得了实现冶金结合的并且无异种金属混合的铝-铜异种金属搅拌摩擦焊接头。
实施例1
步骤1：采用酒精清洗异种金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上。
步骤2：启动搅拌摩擦焊设备，调整搅拌头位置，先将搅拌端面中心点置于焊缝中心的正上方，再移动搅拌针使搅拌针完全置于铝侧，搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心线相切，最后调整搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心之间的距离，确定焊接位置。
步骤3：设置焊接参数，搅拌头旋转速度设置在400rpm之间，焊接速度设置在50mm/min之间，搅拌头倾角为2°之间，参数设置完毕后启动焊接，进行焊接。
步骤4：一侧焊接完毕后取下试样，用搅拌机和砂纸打磨焊缝两侧的金属飞边，放置焊缝两侧的挤出金属有超过金属表面情况的出现，打磨完毕后对工件背面再次清洗，去除焊接过程中由于高温作用形成的二次氧化膜。
步骤5：重复步骤(2)和(3)，对试样的另一侧金属再次焊接。
步骤6：板材两侧均焊接完成后，取下焊接试样，完成整个焊接过程。
实施例2
步骤1：采用酒精清洗异种金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上。
步骤2：启动搅拌摩擦焊设备，调整搅拌头位置，先将搅拌端面中心点置于焊缝中心的正上方，再移动搅拌针使搅拌针完全置于铝侧，搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心线相切，最后调整搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心之间的距离，确定焊接位置。
步骤3：设置焊接参数，搅拌头旋转速度设置在600rpm之间，焊接速度设置在50mm/min之间，搅拌头倾角为2°之间，参数设置完毕后启动焊接，进行焊接。
步骤4：一侧焊接完毕后取下试样，用搅拌机和砂纸打磨焊缝两侧的金属飞边，放置焊缝两侧的挤出金属有超过金属表面情况的出现，打磨完毕后对工件背面再次清洗，去除焊接过程中由于高温作用形成的二次氧化膜。
步骤5：重复步骤(2)和(3)，对试样的另一侧金属再次焊接。
步骤6：板材两侧均焊接完成后，取下焊接试样，完成整个焊接过程。
实施例3
步骤1：采用酒精清洗异种金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上。
步骤2：启动搅拌摩擦焊设备，调整搅拌头位置，先将搅拌端面中心点置于焊缝中心的正上方，再移动搅拌针使搅拌针完全置于铝侧，搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心线相切，最后调整搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心之间的距离，确定焊接位置。
步骤3：设置焊接参数，搅拌头旋转速度设置在650rpm之间，焊接速度设置在60mm/min之间，搅拌头倾角为2°之间，参数设置完毕后启动焊接，进行焊接。
步骤4：一侧焊接完毕后取下试样，用搅拌机和砂纸打磨焊缝两侧的金属飞边，放置焊缝两侧的挤出金属有超过金属表面情况的出现，打磨完毕后对工件背面再次清洗，去除焊接过程中由于高温作用形成的二次氧化膜。
步骤5：重复步骤(2)和(3)，对试样的另一侧金属再次焊接。
步骤6：板材两侧均焊接完成后，取下焊接试样，完成整个焊接过程。
实施例4
步骤1：采用酒精清洗异种金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上。
步骤2：启动搅拌摩擦焊设备，调整搅拌头位置，先将搅拌端面中心点置于焊缝中心的正上方，再移动搅拌针使搅拌针完全置于铝侧，搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心线相切，最后调整搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心之间的距离，确定焊接位置。
步骤3：设置焊接参数，搅拌头旋转速度设置在500rpm之间，焊接速度设置在60mm/min之间，搅拌头倾角为2°之间，参数设置完毕后启动焊接，进行焊接。
步骤4：一侧焊接完毕后取下试样，用搅拌机和砂纸打磨焊缝两侧的金属飞边，放置焊缝两侧的挤出金属有超过金属表面情况的出现，打磨完毕后对工件背面再次清洗，去除焊接过程中由于高温作用形成的二次氧化膜。
步骤5：重复步骤(2)和(3)，对试样的另一侧金属再次焊接。
步骤6：板材两侧均焊接完成后，取下焊接试样，完成整个焊接过程。
实施例5
步骤1：采用酒精清洗异种金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上。
步骤2：启动搅拌摩擦焊设备，调整搅拌头位置，先将搅拌端面中心点置于焊缝中心的正上方，再移动搅拌针使搅拌针完全置于铝侧，搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心线相切，最后调整搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心之间的距离，确定焊接位置。
步骤3：设置焊接参数，搅拌头旋转速度设置在600rpm之间，焊接速度设置在60mm/min之间，搅拌头倾角为1.5°之间，参数设置完毕后启动焊接，进行焊接。
步骤4：一侧焊接完毕后取下试样，用搅拌机和砂纸打磨焊缝两侧的金属飞边，放置焊缝两侧的挤出金属有超过金属表面情况的出现，打磨完毕后对工件背面再次清洗，去除焊接过程中由于高温作用形成的二次氧化膜。
步骤5：重复步骤(2)和(3)，对试样的另一侧金属再次焊接。
步骤6：板材两侧均焊接完成后，取下焊接试样，完成整个焊接过程。
实施例6
步骤1：采用酒精清洗异种金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上。
步骤2：启动搅拌摩擦焊设备，调整搅拌头位置，先将搅拌端面中心点置于焊缝中心的正上方，再移动搅拌针使搅拌针完全置于铝侧，搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心线相切，最后调整搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心之间的距离，确定焊接位置。
步骤3：设置焊接参数，搅拌头旋转速度设置在650rpm之间，焊接速度设置在70mm/min之间，搅拌头倾角为1.5°之间，参数设置完毕后启动焊接，进行焊接。
步骤4：一侧焊接完毕后取下试样，用搅拌机和砂纸打磨焊缝两侧的金属飞边，放置焊缝两侧的挤出金属有超过金属表面情况的出现，打磨完毕后对工件背面再次清洗，去除焊接过程中由于高温作用形成的二次氧化膜。
步骤5：重复步骤(2)和(3)，对试样的另一侧金属再次焊接。
步骤6：板材两侧均焊接完成后，取下焊接试样，完成整个焊接过程。
实施例7
步骤1：采用酒精清洗异种金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上。
步骤2：启动搅拌摩擦焊设备，调整搅拌头位置，先将搅拌端面中心点置于焊缝中心的正上方，再移动搅拌针使搅拌针完全置于铝侧，搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心线相切，最后调整搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心之间的距离，确定焊接位置。
步骤3：设置焊接参数，搅拌头旋转速度设置在700rpm之间，焊接速度设置在70mm/min之间，搅拌头倾角为2°之间，参数设置完毕后启动焊接，进行焊接。
步骤4：一侧焊接完毕后取下试样，用搅拌机和砂纸打磨焊缝两侧的金属飞边，放置焊缝两侧的挤出金属有超过金属表面情况的出现，打磨完毕后对工件背面再次清洗，去除焊接过程中由于高温作用形成的二次氧化膜。
步骤5：重复步骤(2)和(3)，对试样的另一侧金属再次焊接。
步骤6：板材两侧均焊接完成后，取下焊接试样，完成整个焊接过程。

Claims (7)

1.一种用于铝-铜异种金属无混合连接的搅拌头，其特征在于，包括夹持端(1)、轴肩搅拌针(5)，轴肩(2)设置有同心圆花样(3)，且搅拌针为圆柱状。
2.如权利要求1所述的用于铝-铜异种金属无混合连接的搅拌头，其特征在于，搅拌针长度小于板厚0.3-0.5mm。
3.如权利要求1所述的用于铝-铜异种金属无混合连接的搅拌头，其特征在于，搅拌头旋转速度在400-700rpm之间，焊接速度在40-80mm/min之间，搅拌头倾角为1-2.5°之间。
4.一种用于铝-铜异种金属无混合连接的搅拌头的焊接工艺，其特征在于，该工艺步骤如下：
步骤1：清洗异种金属板材并固定板材；
步骤2：启动搅拌摩擦焊设备，调整搅拌头位置，先将搅拌端面中心点置于焊缝中心的正上方，再移动搅拌针使搅拌针完全置于铝侧，搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心线相切，最后调整搅拌针边缘轮廓线与焊缝中心之间的距离，确定焊接位置；
步骤3：设置焊接参数，进行焊接；
步骤4：一侧焊接完毕后取下工件，用搅拌机和砂纸打磨焊缝两侧的金属飞边，防止焊缝两侧的挤出金属有超过金属表面情况的出现，打磨完毕后对工件背面再次清洗，去除焊接过程中高温作用形成的二次氧化膜；
步骤5：重复步骤(2)和(3)，对试样的另一侧金属再次焊接；
步骤6：板材两侧均焊接完成后，取下焊接试样，完成整个焊接过程。
5.如权利要求4所述的用于铝-铜异种金属无混合连接的搅拌头的焊接工艺，其特征在于，步骤1具体步骤如下：采用酒精清洗异种金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上。
6.如权利要求4所述的用于铝-铜异种金属无混合连接的搅拌头的焊接工艺，其特征在于，搅拌头旋转速度在400-700rpm之间，焊接速度在40-80mm/min之间，搅拌头倾角为1-2.5°之间。
7.如权利要求4所述用于铝-铜异种金属无混合连接的搅拌头的焊接工艺，其特征在于，两次焊接过程均使铝置于前进侧，铜置于后退侧。
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