CN113500285A - 一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头及制备和提升接头强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头及制备和提升接头强度的方法，使用搅拌摩擦搭接焊的连接方式，以及第一金属板在上，第二金属板在下的装夹方式，旋转工具为带有螺纹搅拌针的圆柱形工件。焊接过程中旋转工具下压第一金属板表面，在旋转工具下压量不断增加的同时，搅拌针逐渐深入到下方第二金属板中，在此过程中，利用旋转工具与板件之间产生热量，镁合金与钢流动性增强，各有部分材料嵌入对方，形成一种由自体材料构成的宏观钩状锁合结构，将上下板紧密结合。该宏观钩状锁合结构能够有效提高异种材料的搅拌摩擦焊接头质量及焊接可靠性，工艺简单，效果良好，经济实用，有效拓展了异种材料搅拌摩擦焊的应用范围。

Description

一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头及制备和提升接头强度的 方法

技术领域

本发明属于异种金属连接技术领域，具体涉及一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头及制备和提升接头强度的方法，尤其涉及一种提升镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法。

背景技术

近年来，随着能源危机的加深和人们环保意识的增强，汽车轻量化的需求不断上升。作为最轻的金属工程结构材料之一，镁合金具有一系列优点，如密度低、比强度高、比刚度高、减震性能优异，可以满足汽车领域对轻质高强高塑性结构材料的迫切需求。钢是目前最常见的工程材料，在工业领域被广泛应用于承重件的制造，金属异种材料尤其是镁、钢材料的混合使用可有效减轻车身重量，为汽车工业轻量化发展提供了更多的机遇。

然而镁钢的有效连接面临许多挑战，主要原因是镁钢在熔沸点、密度、热导率、热膨胀系数等物化性能存在较大差异。在焊接过程中镁钢很难同时达到熔融状态，易产生熔合不良的缺陷。镁的热导率和热膨胀系数远大于钢，使得材料在变形时保有较大的残余应力。此外，Mg、Fe两者几乎互不固溶，且没有中间相，没有发生冶金结合的基础。

目前镁-钢的焊接方法可以主要分为两类，一类是以激光电弧焊、熔纤焊为代表的熔化焊，但是熔化焊容易引入氧化夹杂，形成的接头性能较差。另一类是以搅拌摩擦擦、扩散焊为代表的固相焊，但是扩散焊效率低下、接头性能低，不适用于实际生产。

搅拌摩擦焊是英国焊接所于1991年发明的一种新型固相连接技术。一个带有特制搅拌针与轴肩的高速旋转工具插入相接的板材中，并沿着焊缝前进，旋转工具与板件高速摩擦产生的局部热量可以软化搅拌针附近的材料，并使材料由搅拌针前进侧流动到搅拌针后退侧，由于材料在较高温下经历了剧烈塑性变形，因此可以产生细小均匀的动态再结晶晶粒。综上搅拌摩擦焊具有热输入量较低、显微组织优异、残余应力低、不需要保护气体等优点，适用于镁钢异种材料的连接。

通过对现有专利文献的检索发现，申请号为CN201811247167.2的发明专利公开了一种AZ61镁合金和GH4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法，其在2mm厚的GH4169钢板上设置若干个直径为3mm的铆孔；在铆孔内设置环槽结构，GH4169钢板上表面设置以铆孔为中心向外延伸的环状沟槽结构；将3mm厚的AZ61镁合金搭接在2mm厚的GH4169钢板上并将搭接区域、铆孔内表面进行清理，实现合金和钢异种金属材料高质量的连接，在冶金结合和机械结合的共同作用下，形成镁合金和钢异种金属材料复合构件。该方法需要提前在钢板上设置铆接孔和环状沟槽，步骤过于繁琐，降低了连接效率，同时有可能降低钢材的整体性并减低其力学性能。

申请号为CN201610465311.4的发明专利公开了一种用于通过冲压钢而在钢上形成凸起高程点的局部纹理，并且然后使用搅拌摩擦焊接将钢和铝机械互混以形成接头来增强铝与具有表面涂层的钢之间的搅拌摩擦焊接接头强度的方法和装置。其制备的接头是通过冲压的方式在钢板表面形成了凸起高程点，后续通过搅拌摩擦焊接工具使得钢板与铝板之间形成接头并且使凸起高程点存在于接头内。但其需要在焊接前使用阴/阳冲压工具生成凸起高程点，且该方法生成的凸起高程点高度为10～500μm，尺寸较小，对于接头强度的提升有限。

发明人前期的研究(申请号为CN201911165630.3的发明专利)中，公开了一种基于铝中间层的镁/钢异种材料搅拌摩擦焊搭接方法，通过在镁/钢板中间加入铝中间层或镁铝混合中间层，然后进行搅拌摩擦焊搭接。但该方法只观测到了引入中间层后形成的冶金结合现象，并未观测到明显的宏观机械嵌合结构，其对接头强度的提升仍不明显，其制得接头的拉伸强度均在300N/mm以下。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是针对金属异种材料，尤其针对两种熔点相差较大的异种金属——譬如镁钢异种金属或者铝钢异种金属，来提供搅拌摩擦焊接头的制备和提升接头强度的方法。通过在焊接过程中直接形成钩状锁合结构，简化了工艺，且制得的钩状结构尺寸高度可达到1.5mm，宽度可达到3.7mm。

本发明通过使用搅拌摩擦搭接焊方法，采取第一金属板在上第二金属板在下的装夹形式，在旋转工具下压过程中，使得旋转工具自带的螺纹状搅拌针深入到下方第二金属板中，利用旋转工具和第一金属板间产生热量，增强金属异种材料的塑性流动性，生成自体材料宏观钩状锁合结构，使得第一金属/第二金属之间形成有效连接，并由此大大提升了金属异种材料尤其是镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头的强度。

本发明认为搅拌针有无螺纹对材料流动有影响，带螺纹的搅拌针促进了异种材料的流动性，对形成钩状结构有利。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头，所述接头内部生成有自体材料的宏观钩状锁合结构；所述钩状锁合结构包括一端嵌入到第一金属基材料的第二金属基钩状结构和另一端嵌入到第二金属基材料中的第一金属基钩状结构；

其中所述的第一金属和第二金属为两种不同金属或合金。

优选地，所述第一金属为镁或镁合金、稀土镁合金、铝或铝合金中的任意一种；所述第二金属为钢、低碳钢中的任意一种。

优选地，所述宏观钩状锁合结构中，第一金属基钩状结构的宽度为1.87-3.73mm、高度为0.48-1.04mm，第二金属基钩状结构的宽度为0.55-3.28mm、高度为1.02-1.54mm。

本发明还提供了一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头的制备方法，包括以下步骤：

A、将第一金属板和第二金属板进行装夹，第一金属板在上、第二金属板在下的装夹形式；

B、采用旋转工具进行搅拌摩擦焊搭接，即得；

步骤B中，所述旋转工具由搅拌头和螺纹型搅拌针组成；

所述搅拌摩擦焊搭接的参数条件为：搅拌头转速800-1600rpm，焊接速度50-100mm/min。

当搅拌头转速过低时，搅拌头与板件接触摩擦程度不够，导致热输入量较低，搅拌区域内材料的流动不充分，接头成型质量不好；搅拌头转速过大时，接触区域热输入量可能过高，容易生成脆硬的金属间化合物，同样不利于接头强度，因此本发明选择搅拌头转速800-1600rpm。当焊接走速过低时，搅拌头在搅拌区域内停留时间过长，不仅导致热输入量过高，而且会带入更多的残余应力；焊接走速过高时，搅拌头与板件的接触时间较短，使得摩擦生成的热量不够，材料的流动也不充分，因此本发明选择焊接速度为50-100mm/min。

进一步的，所述搅拌头的轴肩加工成带有一点弧度的内凹形状，形成凹角，以将加工熔融的材料限于搅拌头内；所述搅拌头的轴肩凹角为5°-10°。

进一步的，所述螺纹型搅拌针为圆锥形，设置在轴肩的前端；搅拌针的表面被加工成螺纹状，由此形成螺纹型搅拌针，以更好的促进搅拌区域的材料流动。

进一步的，所述螺纹型搅拌针的长度大于上层的第一金属板厚度，且搅拌针穿过第一金属板后的盈余长度为第二金属板厚度的2/5-3/5；

所述第一金属板的厚度为2.5mm，第二金属板的厚度为2mm。

优选螺纹型搅拌针的长度为3.4mm。

进一步的，所述搅拌摩擦焊搭接过程中，为了促进搅拌区域熔融材料的流动，本发明中轴肩下压量明显提高，轴肩的下压量为0.5-1.0mm。

进一步的，所述搅拌摩擦焊搭接过程中，搅拌头与试板法线形成一定夹角，以减少焊接过程中飞边的产生，夹角的范围为2°-3°，更优选夹角为2.5°。

进一步的，在第一金属板材、第二金属板材的不同高度、距离焊缝中心不同距离的共计40点上进行打孔，并外插入柔性热电偶，进行焊接过程中温度场的测定，以绘制出焊接过程中的温度场信息，本实验采用的温度收集器为Ni9213信息采集卡，采集频率为1Hz。

进一步的，所述第一金属板和第二金属板在装夹前，需进行去除氧化膜和去除表面油污的步骤。

本发明还提供了一种提升金属异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将第一金属板和第二金属板进行装夹，采用第一金属板在上、第二金属板板在下的装夹形式；

S2、采用旋转工具进行搅拌摩擦焊搭接，即可；

步骤S2中，所述旋转工具由搅拌头和螺纹型搅拌针组成；

所述搅拌摩擦焊搭接的参数条件为：搅拌头转速800-1600rpm，焊接速度50-100mm/min；

所述搅拌头的轴肩凹角为5°-10°；

所述螺纹型搅拌针为圆锥形，设置在轴肩的前端；

所述螺纹型搅拌针的长度大于上层的第一金属板厚度，且搅拌针穿过第一金属板后的盈余长度为第二金属板厚度的2/5-3/5；

所述搅拌摩擦焊搭接过程中，轴肩的下压量为0.5-1.0mm，螺纹型搅拌针深入到下层的第二金属板中；

所述搅拌摩擦焊搭接过程中，搅拌头与试板法线形成一定夹角，夹角的范围为2°-3°。

本发明技术方案的核心在于生成了一种自体材料构成的宏观钩状锁合结构，在加工过程中我们显著增加了旋转工具的下压量，使得螺纹状的搅拌针深入到下方第二金属板中。旋转工具下压量的增加不仅提升焊接过程中的热输入量，同时深入的搅拌针能显著促进搅拌区域材料的流动性，从而形成了钩状的机械嵌合结构，有效的增加了焊接接头的剪切强度。而在以往镁钢搅拌摩擦搭接焊的文献报道中，搅拌针顶端一般仅接触钢板表面或者略微进入钢板，使得该类接头仅出现少量的飞边，无法形成宏观的锁合结构。此外本发明生成的钩状结构在上下两块板材中均有出现，对焊接接头强度的提升有进一步贡献。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供了一种提高金属异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，通过增加旋转工具进入第二金属板的深度(该参数与搅拌针长对第一金属板厚度盈余、搅拌摩擦焊接工艺参数如搅拌针转速，前进速度以及下压量有关)，即可生成自体材料构成的宏观锁合结构，同现有的增加接头强度方法相比，本发明不需要额外引入附加件，所得焊接接头强度理想。采用本发明方法制备的镁/钢搅拌摩擦焊接接头优于已知文献的镁/钢搅拌摩擦焊接接头强度，适用于工业轻量化生产，有效拓展了异种材料搅拌摩擦焊的应用范围。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为镁/钢搅拌摩擦焊接示意图，镁板与钢板搭接放置，其中镁板在上钢板在下，搅拌头逆时针旋转，因此从图中可以看出后退侧(RS)在钢板处，前进侧(AS)在镁板处，搅拌针深入到了下方钢板中；

图2为镁/钢搅拌摩擦焊接头的横截面宏观形貌光镜图，所用的工艺参数为：1000rpm转速，0.8mm下压量，80mm/min焊接速度；

图3为本发明使用热电偶采集到的镁/钢搅拌摩擦焊接过程中横截面峰值温度分布；

图4为本发明得到的镁/钢搅拌摩擦焊接接头钩状组织处的镁组织EBSD图片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种提升镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，包括以下步骤：

步骤一、使用320#砂纸将镁板(为镁合金，厚度为2.5mm)和钢板(厚度为2mm)的表面打磨以去除氧化膜，随后使用酒精擦拭表面以去除表面油污。

步骤二、组成如图1所示镁板在上，钢板在下的搭接接头，使用夹具将两板紧密固定，同时在母材侧面不同高度、离焊缝中心不同距离共计40个点处打孔并插入柔性热电偶，进行温度场的测量。

步骤三、采用旋转工具进行搅拌摩擦焊搭接，所述旋转工具由搅拌头和螺纹型搅拌针组成，搅拌头的轴肩凹角为5°-10°，轴肩直径为15mm；所述螺纹型搅拌针为圆锥形，设置在轴肩的前端，所述螺纹型搅拌针的长度大于上层的镁板厚度，搅拌针穿过镁板后的盈余长度为钢板厚度的2/5-3/5；所述搅拌摩擦焊搭接过程中，螺纹型搅拌针深入到下层的钢板中。所选取焊接参数为：搅拌头转速1000rpm，轴肩下压量0.8mm，焊接速度80mm/min，搅拌头与试板法线形成的夹角为2.5°。

图2为本实施例得到的镁/钢搅拌摩擦焊接头横截面的宏观形貌光镜图。从图中可以看到，镁合金与钢各自有一部分嵌入到对方当中，形成了紧密的连接。由此可见，本实施例制得的接头内部生成有自体材料的宏观钩状锁合结构；所述钩状锁合结构包括两端分别嵌入到钢基材料的镁基钩状结构和嵌入到镁基材料中的钢基钩状结构。我们将镁合金嵌入到钢中的部分称之为镁hook(即镁基钩状结构，图2中的Mg hook)，钢中嵌入到镁合金中的部分称之为钢hook(即钢基钩状结构，图2中的Steel hook)。镁hook的宽度达到了2.9mm，高度为0.71mm；钢hook的宽度为1.37mm，高度为1.41mm。此外在接头中还发现有一定的钢碎片(图2中的Steel debris)，这些碎片的形成与搅拌摩擦焊过程中搅拌头对钢的刮擦破碎作用有关。

图3为本发明使用热电偶采集到的镁/钢搅拌摩擦焊接过程中横截面峰值温度分布；图中可以看出，焊接时峰值温度达到了650℃，温度的最高点出现在焊缝中心区域即镁-钢界面处，而非轴肩和镁板接触的镁板表面。这是由于镁本身硬度较低，熔点也较低，在搅拌摩擦焊过程中其在较低温度下，就可以达到塑性变形状态，因而尽管镁板表面与轴肩直接接触，但产热有限。而在焊接过程中，搅拌针侵入钢板的深度虽然有限，但是由于钢的硬度更大，更难产生塑性变形因而可以产生更高的热量，导致界面处温度较高。

图4为本发明得到的镁/钢搅拌摩擦焊接接头镁hook处的EBSD照片。镁hook上方由于受到搅拌头的搅拌破碎，并且搅拌摩擦焊相对于其他连接方法来说热输入低而冷速较快，晶粒难以长大，因而得到的晶粒较为细小。镁hook的左边及下边被钢包裹，由于钢的阻挡，使得材料向左的水平运动、向下的竖直运动均被阻碍，材料在该处淤积。此外钢的热传导系数低于镁，与镁相比其温度处于较高状态，因此与钢接触的镁在高温状态发生了回复、再结晶长大过程，使得晶粒偏大。

步骤四，将焊接得到的搭接接头加工成骨头状的片状拉伸试样，并放入带机械引伸计的Zwick/Roell Z100型万能力学测试机进行力学性能测试，测得接头的拉伸强度为349.74N/mm。

实施例2

本实施例提供了一种提升镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，包括以下步骤：

步骤一、使用320#砂纸将镁板(厚度为2.5mm)和钢板(厚度为2mm)的表面打磨以去除氧化膜，随后使用酒精擦拭表面以去除表面油污。

步骤二、组成如图1所示镁板在上，钢板在下的搭接接头，使用夹具将两板紧密固定，同时在母材侧面不同高度、离焊缝中心不同距离共计40个点处打孔并插入柔性热电偶，进行温度场的测量。

步骤三、采用旋转工具进行搅拌摩擦焊搭接，所述旋转工具由搅拌头和螺纹型搅拌针组成，搅拌头的轴肩凹角为5°-10°，轴肩直径为15mm；所述螺纹型搅拌针为圆锥形，设置在轴肩的前端，所述螺纹型搅拌针的长度大于上层的镁板厚度，搅拌针穿过镁板后的盈余长度为钢板厚度的2/5-3/5；所述搅拌摩擦焊搭接过程中，螺纹型搅拌针深入到下层的钢板中。所选取焊接参数为：搅拌头转速1000rpm，轴肩下压量0.5mm，焊接速度50mm/min，搅拌头与试板法线形成的夹角为2.5°。

本实施例得到镁/钢焊接接头横截面宏观形貌光镜照片和实施例1相似，也可以获得和实施例1相似的钩状锁合结构。镁hook的宽度达到了3.10mm，高度为0.48mm；钢hook的宽度为1.20mm，高度为1.02mm。

步骤四、将焊接得到的搭接接头加工成骨头状的片状拉伸试样，并放入带机械引伸计的Zwick/Roell Z100型万能力学测试机进行力学性能测试，测得接头的拉伸强度为309.24N/mm。

实施例3

本实施例提供了一种提升镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，包括以下步骤：

步骤一、使用320#砂纸将镁板(厚度为2.5mm)和钢板(厚度为2mm)的表面打磨以去除氧化膜，随后使用酒精擦拭表面以去除表面油污。

步骤二、组成如图1所示镁板在上，钢板在下的搭接接头，使用夹具将两板紧密固定，同时在母材侧面不同高度、离焊缝中心不同距离共计40个点处打孔并插入柔性热电偶，进行温度场的测量。

步骤三、采用旋转工具进行搅拌摩擦焊搭接，所述旋转工具由搅拌头和螺纹型搅拌针组成，搅拌头的轴肩凹角为5°-10°，轴肩直径为15mm；所述螺纹型搅拌针为圆锥形，设置在轴肩的前端，所述螺纹型搅拌针的长度大于上层的镁板厚度，搅拌针穿过镁板后的盈余长度为钢板厚度的2/5-3/5；所述搅拌摩擦焊搭接过程中，螺纹型搅拌针深入到下层的钢板中。所选取焊接参数为：搅拌头转速1000rpm，轴肩下压量1.0mm，焊接速度100mm/min，搅拌头与试板法线形成的夹角为2.5°。

本实施例得到镁/钢焊接接头横截面宏观形貌光镜照片和实施例1相似，也可以获得和实施例1相似的钩状锁合结构。镁hook的宽度达到了3.73mm，高度为1.04mm；钢hook的宽度为3.28mm，高度为1.16mm。

步骤四、将焊接得到的搭接接头加工成骨头状的片状拉伸试样，并放入带机械引伸计的Zwick/Roell Z100型万能力学测试机进行力学性能测试，测得接头的拉伸强度为396.82N/mm。

实施例4

本实施例提供了一种提升镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，包括以下步骤：

步骤一、使用320#砂纸将镁板(厚度为2.5mm)和钢板(厚度为2mm)的表面打磨以去除氧化膜，随后使用酒精擦拭表面以去除表面油污。

步骤二、组成如图1所示镁板在上，钢板在下的搭接接头，使用夹具将两板紧密固定，同时在母材侧面不同高度、离焊缝中心不同距离共计40个点处打孔并插入柔性热电偶，进行温度场的测量。

步骤三、采用旋转工具进行搅拌摩擦焊搭接，所述旋转工具由搅拌头和螺纹型搅拌针组成，搅拌头的轴肩凹角为5°-10°，轴肩直径为15mm；所述螺纹型搅拌针为圆锥形，设置在轴肩的前端，所述螺纹型搅拌针的长度大于上层的镁板厚度，搅拌针穿过镁板后的盈余长度为钢板厚度的2/5-3/5；所述搅拌摩擦焊搭接过程中，螺纹型搅拌针深入到下层的钢板中。所选取焊接参数为：搅拌头转速1200rpm，轴肩下压量0.5mm，焊接速度80mm/min，搅拌头与试板法线形成的夹角为2.5°。

本实施例得到镁/钢焊接接头横截面宏观形貌光镜照片和实施例1相似，也可以获得和实施例1相似的钩状锁合结构。镁hook的宽度达到了2.53mm，高度为0.61mm；钢hook的宽度为1.14mm，高度为1.09mm。

步骤四、将焊接得到的搭接接头加工成骨头状的片状拉伸试样，并放入带机械引伸计的Zwick/Roell Z100型万能力学测试机进行力学性能测试，测得接头的拉伸强度为357.38N/mm。

实施例5

本实施例提供了一种提升镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，包括以下步骤：

步骤一、使用320#砂纸将镁板(厚度为2.5mm)和钢板(厚度为2mm)的表面打磨以去除氧化膜，随后使用酒精擦拭表面以去除表面油污。

步骤二、组成如图1所示镁板在上，钢板在下的搭接接头，使用夹具将两板紧密固定，同时在母材侧面不同高度、离焊缝中心不同距离共计40个点处打孔并插入柔性热电偶，进行温度场的测量。

步骤三、采用旋转工具进行搅拌摩擦焊搭接，所述旋转工具由搅拌头和螺纹型搅拌针组成，搅拌头的轴肩凹角为5°-10°，轴肩直径为15mm；所述螺纹型搅拌针为圆锥形，设置在轴肩的前端，所述螺纹型搅拌针的长度大于上层的镁板厚度，搅拌针穿过镁板后的盈余长度为钢板厚度的2/5-3/5；所述搅拌摩擦焊搭接过程中，螺纹型搅拌针深入到下层的钢板中。所选取焊接参数为：搅拌头转速1400rpm，轴肩下压量0.5mm，焊接速度100mm/min，搅拌头与试板法线形成的夹角为2.5°。

本实施例得到镁/钢焊接接头横截面宏观形貌光镜照片和实施例1相似，也可以获得和实施例1相似的钩状锁合结构。镁hook的宽度达到了1.87mm，高度为0.63mm；钢hook的宽度为0.55mm，高度为1.54mm。

步骤四、将焊接得到的搭接接头加工成骨头状的片状拉伸试样，并放入带机械引伸计的Zwick/Roell Z100型万能力学测试机进行力学性能测试，测得接头的拉伸强度为357.77N/mm。

实施例6

本实施例提供了一种提升镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，包括以下步骤：

步骤一、使用320#砂纸将镁板(厚度为2.5mm)和钢板(厚度为2mm)的表面打磨以去除氧化膜，随后使用酒精擦拭表面以去除表面油污。

步骤二、组成如图1所示镁板在上，钢板在下的搭接接头，使用夹具将两板紧密固定，同时在母材侧面不同高度、离焊缝中心不同距离共计40个点处打孔并插入柔性热电偶，进行温度场的测量。

步骤三、采用旋转工具进行搅拌摩擦焊搭接，所述旋转工具由搅拌头和螺纹型搅拌针组成，搅拌头的轴肩凹角为5°-10°，轴肩直径为15mm；所述螺纹型搅拌针为圆锥形，设置在轴肩的前端，所述螺纹型搅拌针的长度大于上层的镁板厚度，搅拌针穿过镁板后的盈余长度为钢板厚度的2/5-3/5；所述搅拌摩擦焊搭接过程中，螺纹型搅拌针深入到下层的钢板中。所选取焊接参数为：搅拌头转速1600rpm，轴肩下压量0.8mm，焊接速度100mm/min，搅拌头与试板法线形成的夹角为2.5°。

本实施例得到镁/钢焊接接头横截面宏观形貌光镜照片和实施例1相似，也可以获得和实施例1相似的钩状锁合结构。镁hook的宽度达到了2.80mm，高度为0.86mm；钢hook的宽度为0.93mm，高度为1.51mm。

步骤四、将焊接得到的搭接接头加工成骨头状的片状拉伸试样，并放入带机械引伸计的Zwick/Roell Z100型万能力学测试机进行力学性能测试，测得接头的拉伸强度为349.03N/mm。

实施例7

本实施例提供了一种提升镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，与实施例6的方法基本相同，不同之处仅在于：本实施例采用的焊接速度为200mm/min。

本实施例得到镁/钢焊接接头横截面宏观形貌光镜照片和实施例1相似，也可以获得和实施例1相似的钩状锁合结构。镁hook的宽度达到了2.48mm，高度为0.67mm；钢hook的宽度为0.91mm，高度为0.96mm。采用与实施例6的相同方法进行力学性能测试，测得接头的拉伸强度为312.57N/mm。

实施例8

本实施例提供了一种提升镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，与实施例2的方法基本相同，不同之处仅在于：本实施例采用的轴肩下压量为0.30mm。

本实施例得到镁/钢焊接接头横截面宏观形貌光镜照片和实施例1相似，也可以获得和实施例1相似的钩状锁合结构。镁hook的宽度达到了1.89mm，高度为0.61mm；钢hook的宽度为1.02mm，高度为1.16mm。采用与实施例2的相同方法进行力学性能测试，测得接头的拉伸强度为256.14N/mm。

实施例9

本实施例提供了一种提升镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，与实施例2的方法基本相同，不同之处仅在于：本实施例采用的轴肩下压量为1.05mm。

本实施例得到镁/钢焊接接头横截面宏观形貌光镜照片和实施例1相似，也可以获得和实施例1相似的钩状锁合结构。镁hook的宽度达到了1.78mm，高度为0.85mm；钢hook的宽度为1.27mm，高度为0.94mm。采用与实施例2的相同方法进行力学性能测试，测得接头的拉伸强度为289.35N/mm。

实施例10

本实施例提供了一种提升镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，与实施例6的方法基本相同，不同之处仅在于：本实施例所述搅拌摩擦焊搭接过程中，通过搅拌针长、搅拌摩擦焊接工艺参数等调整使螺纹型搅拌针进入钢板的深度较小，搅拌针穿过镁板后的盈余长度为钢板厚度的1/5左右。

本实施例得到镁/钢焊接接头横截面宏观形貌光镜照片和实施例1相似，也可以获得和实施例1相似的钩状锁合结构。镁hook的宽度达到了2.72mm，高度为0.67mm；钢hook的宽度为0.93mm，高度为1.57mm。采用与实施例6的相同方法进行力学性能测试，测得接头的拉伸强度为332.75N/mm。

实施例11

本实施例提供了一种提升镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，与实施例6的方法基本相同，不同之处仅在于：本实施例所述搅拌摩擦焊搭接过程中，通过搅拌针长、搅拌摩擦焊接工艺参数等调整使螺纹型搅拌针进入钢板的深度较大，搅拌针穿过镁板后的盈余长度为钢板厚度的4/5左右。

本实施例得到镁/钢焊接接头横截面宏观形貌光镜照片和实施例1相似，也可以获得和实施例1相似的钩状锁合结构。镁hook的宽度达到了2.17mm，高度为1.10mm；钢hook的宽度为0.45mm，高度为1.68mm。采用与实施例6的相同方法进行力学性能测试，测得接头的拉伸强度为344.40N/mm。

综上所述，本发明提供一种提高金属异种材料搅拌摩擦搭接焊接头强度的方法，尤其是提高镁/钢异种材料搅拌摩擦搭接焊接头强度的方法。在现有文献报道中搅拌针顶端一般仅接触钢板表面或略微进入钢板，导致该类接头没有出现明显的宏观嵌合结构，而仅在接头焊核区出现略微的钢变形。而本发明中通过焊接工艺的改变，尤其下压量的增加与搅拌针长度的增大，在镁钢焊接接头处生成了自体材料构成的机械嵌合钩状组织镁hook和钢hook，从而有效地增加了接头的强度。

本发明不仅适用于实施例所述的镁钢异种合金，还适用于其他熔点相差较大的异种金属，同样能制备得到具有自体材料的宏观钩状锁合结构的搅拌摩擦焊接头。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头，其特征在于，所述接头内部生成有自体材料的宏观钩状锁合结构；所述钩状锁合结构包括一端嵌入到第一金属基材料的第二金属基钩状结构和另一端嵌入到第二金属基材料中的第一金属基钩状结构；

其中所述的第一金属和第二金属为两种不同金属或合金。

2.根据权利要求1所述的金属异种材料搅拌摩擦焊接头，其特征在于，所述宏观钩状锁合结构中，第一金属基钩状结构的宽度为1.87-3.73mm、高度为0.48-1.04mm，第二金属基钩状结构的宽度为0.55-3.28mm、高度为1.02-1.54mm。

3.一种根据权利要求1所述的金属异种材料搅拌摩擦焊接头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将第一金属板和第二金属板进行装夹，采用第一金属板在上、第二金属板在下的装夹形式；

B、采用旋转工具进行搅拌摩擦焊搭接，即得；

步骤B中，所述旋转工具由搅拌头和螺纹型搅拌针组成；

所述搅拌摩擦焊搭接的参数条件为：搅拌头转速800-1600rpm，焊接速度50-100mm/min。

4.根据权利要求3所述的金属异种材料搅拌摩擦焊接头的制备方法，其特征在于，所述搅拌头的轴肩凹角为5°-10°。

5.根据权利要求3所述的金属异种材料搅拌摩擦焊接头的制备方法，其特征在于，所述螺纹型搅拌针为圆锥形，设置在轴肩的前端。

6.根据权利要求3或5所述的金属异种材料搅拌摩擦焊接头的制备方法，其特征在于，所述螺纹型搅拌针的长度大于上层的第一金属板厚度，且搅拌针穿过第一金属板后的盈余长度为第二金属板厚度的2/5-3/5；

所述第一金属板的厚度为2.5mm，第二金属板的厚度为2mm。

7.根据权利要求3所述的金属异种材料搅拌摩擦焊接头的制备方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊搭接过程中，轴肩的下压量为0.5-1.0mm；

所述搅拌摩擦焊搭接过程中，搅拌头与试板法线形成一定夹角，夹角的范围为2°-3°。

8.根据权利要求3所述的金属异种材料搅拌摩擦焊接头的制备方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊搭接过程中，螺纹型搅拌针深入到下层的第二金属板中。

9.根据权利要求3所述的金属异种材料搅拌摩擦焊接头的制备方法，其特征在于，所述第一金属板和第二金属板在装夹前，需进行去除氧化膜和去除表面油污的步骤。

10.一种提升金属异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将第一金属板和第二金属板进行装夹，采用第一金属板在上、第二金属板板在下的装夹形式；

S2、采用旋转工具进行搅拌摩擦焊搭接，即可；

步骤S2中，所述旋转工具由搅拌头和螺纹型搅拌针组成；

所述搅拌摩擦焊搭接的参数条件为：搅拌头转速800-1600rpm，焊接速度50-100mm/min；

所述搅拌头的轴肩凹角为5°-10°；

所述螺纹型搅拌针为圆锥形，设置在轴肩的前端；

所述螺纹型搅拌针的长度显著大于上层的第一金属板厚度，搅拌针穿过第一金属板后的盈余长度为第二金属板厚度的2/5-3/5；

所述搅拌摩擦焊搭接过程中，轴肩的下压量为0.5-1.0mm，螺纹型搅拌针深入到下层的第二金属板中；

所述搅拌摩擦焊搭接过程中，搅拌头与试板法线形成一定夹角，夹角的范围为2°-3°。

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