CN113020776A - 一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头及焊接方法，属于新材料连接领域，该搅拌头的特征在于其内凹的轴肩与带有多级阻流圆台结构的倒塔形搅拌针，焊接方法是采用电阻式辅助加热条在焊缝上表面两侧加热的方式完成搅拌摩擦搭接焊，其特点是辅助热源可对焊接板材提供焊前预热和焊后缓降温的作用。根据本发明，搅拌头的阻流外形设计可以抑制热塑性聚合物材料的上溢，提高焊缝表面质量；而针对金属与热塑性聚合物材料的焊接辅助加热工艺则是基于“等温峰降转速”和“降应力防拉脱”的思想，在保证相同焊接温度下降低搅拌头转速，从而改善接头表面成形、消除内部缺陷并且优化界面结构，以综合提升异质接头质量。

Description

一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头及焊接方法

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，涉及一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头及焊接方法。

背景技术

热塑性聚合物材料具有较高的比强度、高比模量以及优异的耐腐蚀特性，因此在航天航空、风力发电、交通运输等领域有着广阔的应用前景。在一些工业制造领域，热塑性聚合物材料的广泛应用不可避免地产生其与钢、铝、镁合金等传统金属材料的连接问题。目前针对热塑性聚合物材料与金属的连接多以胶接、机械连接(铆接和螺栓连接)为主，但其所带来的接头老化或应力集中等问题难以避免。

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)作为一种新型固相连接技术，它采用旋转搅拌头与被焊工件通过摩擦生热，并挤压软化材料以形成焊缝。FSW技术具有焊接温度低、材料混合剧烈的优点，在异种材料的连接领域有着明显的优势。FSW技术应用于金属与热塑性聚合物材料的连接已经引起了众多研究者的关注。但是，在搅拌摩擦焊技术中，金属与热塑性聚合物材料的异材焊接所产生的焊缝成形质量差、接头内部缺陷多、力学性能低的问题仍未得到有效的解决。

特别地，在依靠材料在搭接界面处迁移形成有效连接的搅拌摩擦搭接焊(Friction Stir Lap Welding，FSLW)的过程中,以锥形针特征为代表的促流搅拌头带动周围材料做轴向与径向的三维流动，导致热塑性聚合物材料上溢致焊缝表面成形质量差。然而，金属与热塑性聚合物材料的连接中工艺参数窗口较窄，而搅拌头转速对热输入与材料流动的影响较为直接，对接头成形影响较大。转速过高易使热输入过大，导致如下问题：因两种材料的相容性较差以及熔点相差较大，粘弹性的聚合物材料受热溢出焊缝表面，影响接头的成形；因材料热膨胀系数的不同，接头中易出现孔洞缺陷；界面中存在的较大应力所导致的材料“拉脱分离”缺陷又会进一步恶化接头力学性能。

中国发明专利一种用于搭接接头的搅拌摩擦焊工具(申请号：CN201310469629.6)中提到的特殊形状(截锥形)的搅拌针可以有效改善搅拌针周围材料的流动路径，从而抑制界面材料上抬，减小搭接钩状缺陷的产生，提升搭接强度，但其主要针对的是同异种金属材料之间的FSLW过程，无法解决金属与聚合物材料中存在的上述问题。中国发明专利利用搅拌摩擦焊连接金属材料与树脂基复合材料的方法(申请号：CN201610808910.1)中控制高速旋转的搅拌头插入金属材料且不接触树脂基复合材料的表面，借助搅拌头产生的摩擦热和工具轴肩下压压力共同作用完成连接，工艺操作要求高，且搅拌头不扎入树脂基复合材料，易产生弱连接的问题且无法形成承载能力较强的金属与聚合物间的宏观机械咬合。中国发明专利一种适用于金属与聚合物之间的搅拌摩擦焊接方法(申请号：CN201910225037.7)中利用随动轴肩作为辅助热源以提高FSLW的接头质量，对金属与热塑性聚合物材料的FSLW有参考意义。但是该技术方案仅适用于聚合物材料上置、金属材料下置的搭接形式，以对聚合物的辅热来改善因聚合物热导率低而导致的孔洞缺陷问题。而对于金属上置、聚合物下置的搭接形式，静止轴肩加热对聚合物侧温度梯度大的问题起不到改善作用，反而因对于上板金属的焊缝区位置加热还会带来因金属软化无法密封下板聚合物材料的上溢的问题，加剧接头成形困难与力学性能低的现状。因此，对于金属上置、聚合物材料下置的搭接接头，该方案不再适用。

因此，寻找一种适用于提高金属与热塑性聚合物材料的FSLW接头质量的搅拌头及连接方法是十分必要的，对于热塑性聚合物材料在行业中的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，而提供一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头及焊接方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头，包括一体连接的轴肩与搅拌针，所述搅拌针设置在轴肩端面的中心处，且呈多级阻流圆台倒塔形结构。

进一步地，所述轴肩端面内凹，内凹角不超过10°，直径为搅拌针最宽处直径的2～4倍。

进一步地，搅拌针上设置1～10级圆台倒塔形结构，各级圆台的根部直径及尖部直径在沿搅拌针根端至尖端的方向上逐级递减；且每级圆台的根部直径小于其尖部直径。

进一步地，每级圆台尖部所在的端面外缘向搅拌针尖端方向下弯，下弯角度不超过8°。

进一步地，所述搅拌针最后一级圆台上设有一针头，针头呈圆台型，针头的尖部直径小于其根部直径，其根部直径与最后一级圆台的尖部直径相同，且针头的侧面设有旋向的螺纹槽。

进一步地，所述搅拌头适用于搅拌摩擦搭接焊，搭接的上置板为金属或金属合金，下置板为热塑性聚合物或含具有颗粒或短纤维增强的热塑性聚合物基复合材料。

进一步地，所述金属为铁、铝、镁、铜、钛中的一种。

进一步地，所述搅拌针最窄处直径为上置板厚度的0.8～2.5倍，最宽处直径为上置板厚度的1～4倍，使用针长大于上置板厚度且小于上、下置板厚度之和，上、下置板厚度为1～20mm。

本发明还提供一种基于上述搅拌头的焊接方法，所述方法采用电阻式辅助加热条在焊缝上表面两侧加热的方式完成搅拌摩擦搭接焊。

进一步地，所述方法的具体步骤为：

步骤1、进行焊前清理，使用有机溶剂或清洗剂对待焊板材进行擦拭，去除表面杂质；

步骤2、使用工装夹具对待焊板材进行装夹，配置上、下置板；

步骤3、辅助加热条置于上置板，连接辅助加热条与控温设备，完成加热准备工作；

步骤4、根据上置板属性选用搅拌针直径与轴肩直径且内凹角度等参数符合工艺要求的搅拌头安装到搅拌摩擦焊机上，搅拌头沿焊接方向预走针，设定焊接工艺参数，编写搅拌头行走路径；

步骤5、启动控温设备，设置预热温度，加热辅助加热条；

步骤6、上置板达到预热温度后，启动搅拌焊机，搅拌头下扎并以设定的参数和行程走针；

步骤7、焊接完成，搅拌头回抽停转；维持加热条恒温，焊后持续加热一段时间后断开控温电源；冷却至室温，撤除刚性约束及辅热电路，取出即得到金属与热塑性聚合物材料拌摩擦搭接焊的焊件。

进一步地，基于焊接上置板的材料热物理属性设置辅助加热参数，辅助加热参数包括：设置加热温度、加热时间(包括预热时间、焊后持续加热时间)。

进一步地，对于低熔点金属或金属合金，辅助加热条预热温限为0～400℃，所述低熔点金属或金属合金为铝、镁或铝、镁合金。

进一步地，焊接过程中，搅拌头转速为50～10000r/min，焊速为10～2000mm/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)金属与热塑性聚合物材料的FSLW时，多级阻流圆台的搅拌针结构能够“被动”地抑制塑化的聚合物材料在垂向的上溢流动，缓解甚至避免上流至焊缝表面的行为，改善金属与热塑性聚合物FSLW的表面成形质量。

(2)采取辅助加热方式以达到在相同温度峰值工况下的低转速焊接，即“等温峰降转速”，从根源上“主动”地降低聚合物材料随搅拌针驱动垂向上溢的频率，增强金属对热塑性聚合物材料的密封效果，提高接头表面成形质量。

(3)对于塑性差异较大的异种金属材料之间的FSLW，该搅拌头改进型的螺纹设计可以促进搭接界面处搅拌针周围的材料流动，配合阻流圆台的作用效果，能够改善界面的材料迁移形态，有效增加搭接界面区域的材料混合，并消除钩状缺陷，提高接头性能。

(4)辅助加热工艺能够在焊接过程中对焊缝区材料提供热拉伸作用，从而有效降低焊缝区残余应力；辅助加热区材料所形成的拉应力区对焊缝区应力具有一定的平衡作用，可以进一步降低焊缝区纵向残余拉应力峰值，接头界面的应力下降，缓解甚至克服材料拉脱的问题。

(5)采用该搅拌头并结合辅助加热的工艺促进搭接界面附近产生多涡流，实现金属与聚合物间的强混合，减少孔洞缺陷，并形成“锚状”宏观机械咬合结构，提高搭接界面结合强度。同时，多涡的出现还利于强化微观机械咬合行为，进一步增加接头的承载能力。

(6)本发明的搅拌头形貌结构组合多样化，可灵活调整倒塔形搅拌针的圆台层级数、倾斜母线角度以及上半部分倒塔形圆台与下半部分促流螺旋槽的结合位置等形状、位置与尺寸参数，实现对同/异种金属之间、金属与热塑性聚合物材料之间以及同/异种聚合物材料之间FSLW的针对性设计，考虑辅以表面改性和超声振动等措施，以进一步增强异种材料的FSLW的接头质量。

附图说明

图1是本发明所述搅拌头结构示意图；

图2是本发明改进的搅拌头结构示意图；

图3是本发明改进的搅拌头结构示意图；

图4是本发明的搅拌摩擦搭接焊示意图；

图5是本发明焊后的接头截面A-A示意图；

附图标记：

1-1：搅拌头；1-2：下置板；1-3：压条；1-4：辅助加热条；1-5：上置板；2-1：轴肩；2-2：倒塔形搅拌针。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头，搅拌头1-1包括一体连接的轴肩2-1与搅拌针2-2，所述轴肩端面为平面或内凹面，内凹时内凹角为α，α≤10°，轴肩直径为搅拌针最宽处直径(即第一级圆台尖部直径)的2～4倍；所述搅拌针设置在轴肩内凹面的中心处，且搅拌针呈1～10级阻流圆台倒塔形结构，各级圆台的根部直径及尖部直径在沿搅拌针根端至尖端的方向上逐级递减；且每级圆台的根部直径小于其尖部直径；

其中，上置板1-5为金属或金属合金，下置板1-2为热塑性聚合物或含具有颗粒或短纤维增强的热塑性聚合物基复合材料，所述金属为铁、铝、镁、铜、钛中的一种。

每级圆台尖部所在的端面可以为平面，而作为技术方案的改进，为提升阻流效果，也可以为非平面，具体为：每级圆台尖部所在的端面外缘向搅拌针尖端方向下弯(如图2所示)，下弯角度为β，β≤8°。

作为技术方案的另一改进，为增加搭接界面区域的材料混合，所述搅拌针最后一级圆台上设有一针头，针头呈圆台型，针头的尖部直径小于其根部直径，其根部直径与最后一级圆台的尖部直径相同，且针头的侧面设有旋向的螺纹槽(如图3所示)。

所述搅拌头适用于搅拌摩擦搭接焊，所述搅拌针最窄处直径(为最后一级圆台根部直径，若搅拌针最后一级圆台上设有一针头，则为针头尖部直径)为上置板厚度的0.8～2.5倍，最宽处直径(即为第一级圆台尖部直径)为上置板厚度的1～4倍，使用针长大于上置板厚度且小于上、下置板厚度之和，上、下置板厚度为1～20mm。

如图4所示，基于上述搅拌头的焊接方法的具体步骤为：

步骤1、进行焊前清理，使用有机溶剂或清洗剂对待焊板材进行擦拭，去除表面杂质，所述待焊板材为金属材料板材和热塑性聚合物材料板材；

步骤2、使用工装压条1-3对待焊板材进行装夹，采用金属材料板材为上置板，热塑性聚合物材料板材为下置板的配置原则；

步骤3、辅助加热条1-4置于上板，连接辅助加热条与控温设备，完成加热准备工作；

步骤4、根据上置板属性选用搅拌针直径与轴肩直径且内凹角度等参数符合工艺要求的搅拌头安装到搅拌摩擦焊机上，搅拌头沿焊接方向预走针，设定焊接工艺参数，编写搅拌头行走路径；

步骤5、启动控温设备，设置预热温度，加热辅助加热条；

步骤6、上置板达到预热温度后，启动搅拌焊机，搅拌头下扎并以设定的参数和行程走针；

步骤7、焊接完成，搅拌头回抽停转；维持加热条恒温，焊后持续加热一段时间后断开控温电源；冷却至室温，撤除刚性约束(工装夹具)、辅助加热条及辅热电路，取出即得到金属与热塑性聚合物材料拌摩擦搭接焊的焊件。

其中，所述加热条为市售电阻式加热条。呈扁条状，结构为：内加热电阻丝、外不锈钢壳。

实施例1：

本实施例搅拌摩擦搭接焊的参数及具体步骤为：

步骤1、进行焊前清理，使用有机溶剂或清洗剂对待焊板材进行擦拭，去除表面杂质，所述待焊板材为2.0mm厚的7075-T6铝合金板材(尺寸200×150mm)和2.0mm厚短玻璃纤维增强PEEK板材(尺寸200×150mm)；

步骤2、使用工装夹具对待焊板材进行装夹，采用7075-T6合金板材为上置板，短玻璃纤维增强PEEK板材为下置板的配置原则；

步骤3、辅助加热条置于上板，连接辅助加热条与控温设备，完成加热准备工作；

步骤4、根据上板材属性选用搅拌针直径与轴肩直径且内凹角度等参数符合工艺要求的搅拌头：H13工具钢，轴肩直径13.5mm，内凹角4°；搅拌针最宽处直径5.5mm，最窄处直径4mm，针长3mm，如图1所示，安装到搅拌摩擦焊机上，搅拌头沿焊接方向预走针，设定焊接工艺参数，编写搅拌头行走路径；

步骤5、启动控温设备，设置预热温度200℃，加热辅助加热条；

步骤6、上置板达到预热温度，预热2min后，启动搅拌焊机，搅拌头下扎(下扎速度为1.0mm/min、下扎深度为3.1mm)并以焊接转速500r/min，焊接速度300mm/min的参数进行焊接；

步骤7、焊接完成，搅拌头回抽停转(10mm/min)，焊后持续加热(15s)后断开控温电源，冷却至室温，撤除刚性约束、辅助加热条及辅热电路，取出即得到成型良好的7075-T6合金板材和短玻璃纤维增强PEEK板材搅拌摩擦搭接焊的焊件，拉剪强度最高达59.9MPa，为PEEK母材剪切强度的55.4％。焊后的截面如图5所示，可以看出采用多级阻流搅拌头后，所得到的金属与聚合物材料搅拌摩擦搭接接头结构完整无聚合物上溢，且搭接接头内部形成了“锚状”宏观机械咬合结构，提高了搭接界面结合强度。同时，多涡的出现还利于强化微观机械咬合行为，进一步增加接头的承载能力。

实施例2

本实施例搅拌摩擦搭接焊的参数及具体步骤为：

具体步骤为：

步骤1、进行焊前清理，使用有机溶剂或清洗剂对待焊板材进行擦拭，去除表面杂质，所述待焊板材为3.0mm厚AZ31镁合金板材(尺寸200×150mm)和3.0mm厚Nylon6A聚合物板材(尺寸200×150mm)；

步骤2、使用工装夹具对待焊板材，采用AZ31镁合金板材为上置板，Nylon6A聚合物板材为下置板的配置原则；

步骤3、辅助加热条置于上板，连接辅助加热条与控温设备，完成加热准备工作；

步骤4、根据上板材属性选用搅拌针直径与轴肩直径且内凹角度等参数符合工艺要求的搅拌头：H13工具钢，轴肩直径15mm，内凹角5°，搅拌针最宽处直径6mm，最窄处直径4mm，针长4.8mm，搅拌针的每级圆台下弯角度为3°，如图2所示；并安装到搅拌摩擦焊机上，搅拌头沿焊接方向预走针，设定焊接工艺参数，编写搅拌头行走路径；

步骤5、启动控温设备，设置预热温度120℃，加热辅助加热条；

步骤6、上置板达到预热温度，预热1min后，启动搅拌焊机，搅拌头下扎(下扎速度为3.0mm/min、下扎深度为4.0mm)并以焊接转速700r/min，焊接速度200mm/min的参数走针；

步骤7、焊接完成，搅拌头回抽停转(10mm/min)，焊后持续加热(15s)后断开控温电源，冷却至室温，撤除刚性约束、辅助加热条及辅热电路，取出即得到成型良好的AZ31镁合金板材和Nylon6A聚合物板材搅拌摩擦搭接焊的焊件，接头拉剪强度最高达32.1MPa。

实施例3

本实施例搅拌摩擦搭接焊的参数及具体步骤为：

步骤1、进行焊前清理，使用有机溶剂或清洗剂对待焊板材进行擦拭，去除表面杂质，所述待焊板材为2.0mm厚1060铝合金板材(尺寸220×150mm)和4.0mm厚ABS聚合物板材(尺寸220×150mm)；

步骤2、使用工装夹具对待焊板材，采用铝合金板材为上置板，ABS聚合物板材为下置板的配置方式；

步骤3、辅助加热条置于上板，连接辅助加热条与控温设备，完成加热准备工作；

步骤4、根据上板材属性选用搅拌针直径与轴肩直径且内凹角度等参数符合工艺要求的搅拌头，搅拌针最后一级圆台上设有一针头，针头呈圆台型，侧面设有旋向螺纹槽，如图3所示：H13工具钢，轴肩直径16mm，内凹角4°；搅拌针最宽处直径6.5mm，最窄处直径4mm，针长4.0mm；并安装到搅拌摩擦焊机上，搅拌头沿焊接方向预走针，设定焊接工艺参数，编写搅拌头行走路径；

步骤5、启动控温设备，设置预热温度100℃，加热辅助加热条；

步骤6、上置板达到预热温度，预热70s后，启动搅拌焊机，搅拌头下扎(下扎速度为3.0mm/min、下扎深度为4.1mm)并以焊接转速800r/min，焊接速度200r/min的参数走针；

步骤7、焊接完成，搅拌头停转回抽(10mm/min)，焊后持续加热(20s)后断开控温电源，冷却至室温，撤除刚性约束、辅助加热条及辅热电路，取出即得到成型良好的1060铝合金板材和ABS聚合物板材搅拌摩擦搭接焊的焊件，接头拉剪强度最高达24.8MPa。

最后应说明的是：以上实施方案例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施方案对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述实施方案例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施方案例中的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头，其特征在于，包括一体连接的轴肩与搅拌针，所述搅拌针设置在轴肩端面的中心处，且呈多级阻流圆台倒塔形结构。

2.根据权利要求1所述的一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头，其特征在于，所述轴肩端面内凹，内凹角不超过10°，直径为搅拌针最宽处直径的2～4倍。

3.根据权利要求1所述的一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头，其特征在于，搅拌针上设置1～10级圆台倒塔形结构，各级圆台的根部直径及尖部直径在沿搅拌针根端至尖端的方向上逐级递减；且每级圆台的根部直径小于其尖部直径。

4.根据权利要求1所述的一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头，其特征在于，每级圆台尖部所在的端面外缘向搅拌针尖端方向下弯，下弯角度不超过8°。

5.根据权利要求1所述的一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头，其特征在于，所述搅拌针最后一级圆台上设有一针头，针头呈圆台型，针头的尖部直径小于其根部直径，其根部直径与最后一级圆台的尖部直径相同，且针头的侧面设有旋向的螺纹槽。

6.根据权利要求1所述的一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头，其特征在于，所述搅拌头适用于搅拌摩擦搭接焊，搭接的上置板为金属或金属合金，下置板为热塑性聚合物或含具有颗粒或短纤维增强的热塑性聚合物基复合材料，所述搅拌针最窄处直径为上置板厚度的0.8～2.5倍，最宽处直径为上置板厚度的1～4倍，使用针长大于上置板厚度且小于上、下置板厚度之和，上、下置板厚度为1～20mm。

7.一种基于权利要求1～6中任意一项所述的搅拌头的焊接方法，其特征在于，所述方法采用电阻式辅助加热条在焊缝上表面两侧加热的方式完成搅拌摩擦搭接焊。

8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：

步骤1、进行焊前清理，使用有机溶剂或清洗剂对待焊板材进行擦拭，去除表面杂质；

步骤2、使用工装夹具对待焊板材进行装夹，配置上、下置板；

步骤3、辅助加热条置于上置板，连接辅助加热条与控温设备，完成加热准备工作；

步骤4、根据上置板属性选用搅拌针直径与轴肩直径且内凹角度等参数符合工艺要求的搅拌头安装到搅拌摩擦焊机上，搅拌头沿焊接方向预走针，设定焊接工艺参数，编写搅拌头行走路径；

步骤5、启动控温设备，设置预热温度，加热辅助加热条；

步骤6、上置板达到预热温度后，启动搅拌焊机，搅拌头下扎并以设定的参数和行程走针；

步骤7、焊接完成，搅拌头回抽停转；维持加热条恒温，焊后持续加热一段时间后断开控温电源；冷却至室温，撤除刚性约束及辅热电路，取出即得到金属与热塑性聚合物材料拌摩擦搭接焊的焊件。

9.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，基于焊接上置板的材料热物理属性设置辅助加热参数，辅助加热参数包括：设置加热温度、预热时间、焊后持续加热时间，对于低熔点金属或金属合金，辅助加热条加热温限为0～400℃，所述低金属或金属合金为铝、镁或铝、镁合金。

10.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，焊接过程中，搅拌头转速为50～10000r/min，焊速为10～2000mm/min。

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