CN114029608B - 一种铝与异种金属的厚板搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝与异种金属的厚板搅拌摩擦焊方法，属于焊接技术领域。本发明通控制搅拌针的锥度与外凸铝条的锥度相同并控制外凸铝条的一端宽度比搅拌针根部直径小2～3mm，另一端宽度比搅拌针端部直径小2～3mm，一方面避免了搅拌针直接与铝条两侧界面直接接触，同时降低了两侧界面反应温度和塑性变形程度，抑制界面附近原子扩散速率，从而抑制铝‑异种金属间化合物的形成；另一方面还能保证足够的驱动力，实现破碎的铝条与两侧界面发生一定程度的扩散反应，实现冶金连接。

Description

一种铝与异种金属的厚板搅拌摩擦焊方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种铝与异种金属的厚板搅拌摩擦焊方法。

背景技术

铝及铝合金具有导热导电性能好、密度低等特性，广泛用于航空航天领域，为了利用铝的优势，常常需要将铝和其他金属进行焊接，形成铝/异种金属复合结构。

搅拌摩擦焊作为一种固态连接方法，接头热输入低，焊接温度低于母材熔点，有利于连接铝/铜、铝/钛和铝/镁等异种金属。但是，当铝板和异种金属板厚增加时，在铝/异种金属搅拌摩擦焊接头界面位置处，由于铝原子与异种金属原子在大塑性变形及高温条件下相互扩散，仍不可避免会形成较厚的金属间化合物层。这些厚且脆的金属间化合物层与基体之间存在较大的焊接热应力，导致接头在焊后发生开裂，从而无法获得完整的厚板异种金属接头。因此，减少界面金属间化合物厚度成为改善铝/异种金属厚板搅拌摩擦焊接头成形的一条重要途径。

目前普遍采用的解决措施有两种，分别是施加液氮冷却和放置中间层材料。然而，当被焊母材厚度较大时，液氮只能冷却到焊缝外表面，无法冷却到接头内部的界面位置，不能降低界面温度，进而无法抑制界面金属间化合物的形成。另外，中间层材料的添加在厚板搅拌摩擦焊难以实施，这是因为在搅拌针的作用下，刚放置的中间层会被破碎而被搅入焊核区，失去抑制界面金属间化合物的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝与异种金属的厚板搅拌摩擦焊方法，能够减小金属间化合物的厚度，获得完整的厚板异种金属接头。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种铝与异种金属的厚板搅拌摩擦焊方法，包括以下步骤：

将铝板的待焊接侧加工出若干第一凹槽，得到凹槽铝板；所述第一凹槽的深度独立地为2～4mm；

将异种金属板的待焊接侧加工出若干第二凹槽，得到凹槽异种金属板；所述第二凹槽的深度独立地为2～4mm；

将铝条的两侧分别加工出若干第一外凸和若干第二外凸，得到外凸铝条；所述铝条的锥度与搅拌针的锥度相同；所述外凸铝条的一端宽度比搅拌针根部直径小2～3mm，另一端宽度比搅拌针端部直径小2～3mm；所述铝板、异种金属板和铝条的厚度相同，所述铝板的厚度在9mm以上；

将凹槽铝板、外凸铝条和凹槽异种金属板进行拼接和固定，使得第一凹槽与第一外凸匹配、第二凹槽与第二外凸匹配形成互锁结构，得到拼接板；

使所述拼接板中的铝板位于搅拌针的前进侧，异种金属板位于搅拌针的返回侧，将搅拌针插入铝条的中心处，进行搅拌摩擦焊。

优选的，所述第一凹槽和第二凹槽的形状为平行四边形。

优选的，所述第一凹槽和第二凹槽的侧边与搅拌针的外边缘平行。

优选的，所述第一凹槽和第二凹槽的宽度独立地为2～4mm。

优选的，相邻第一凹槽之间的间距独立地为2～4mm；相邻第二凹槽之间的间距独立地为2～4mm。

优选的，所述异种金属板的材质包括纯镁、镁合金、纯钛、钛合金、纯铜或铜合金；所述铝板和铝条的材质独立地为纯铝或铝合金。

优选的，所述铝板、异种金属板和铝条的厚度为9～30mm。

优选的，所述搅拌针的锥度为10～25°。

优选的，所述搅拌针的根部直径为10～20mm，端部直径为5～12mm。

优选的，所述搅拌摩擦焊的条件包括：旋转速度为235～600rpm，焊接速度为23.5～60mm/min。

本发明提供了一种铝与异种金属的厚板搅拌摩擦焊方法，包括以下步骤：将铝板的待焊接侧加工出若干第一凹槽，得到凹槽铝板；所述第一凹槽的深度独立地为2～4mm；将异种金属板的待焊接侧加工出若干第二凹槽，得到凹槽异种金属板；所述第二凹槽的深度独立地为2～4mm；将铝条的两侧分别加工出若干第一外凸和若干第二外凸，得到外凸铝条；所述铝条的锥度与搅拌针的锥度相同；所述外凸铝条的一端宽度比搅拌针根部直径小2～3mm，另一端宽度比搅拌针端部直径小2～3mm；所述铝板、异种金属板和铝条的厚度相同，所述铝板的厚度在9mm以上；将凹槽铝板、外凸铝条和凹槽异种金属板进行拼接和固定，使得第一凹槽与第一外凸匹配、第二凹槽与第二外凸匹配形成互锁结构，得到拼接板；使所述拼接板中的铝板位于搅拌针的前进侧，异种金属板位于搅拌针的返回侧，将搅拌针插入铝条的中心处，进行搅拌摩擦焊。

本发明在铝板和异种金属板之间放置铝条，使铝板与铝条之间、异种金属板与铝条之间分别形成互锁结构，铝条在搅拌针的搅拌摩擦作用下流入到互锁结构，与带互锁结构的异种金属发生扩散反应，进而形成冶金连接。本发明通控制铝条的锥度与搅拌针的锥度相同并控制外凸铝条的一端宽度比搅拌针根部直径小2～3mm，另一端宽度比搅拌针端部直径小2～3mm，一方面避免了搅拌针直接与铝条两侧界面直接接触，同时降低了两侧界面反应温度和塑性变形程度，抑制界面附近原子扩散速率，从而抑制铝-异种金属间化合物的形成；另一方面还能保证足够的驱动力，实现破碎的铝条与两侧界面发生一定程度的扩散反应，实现冶金连接。

附图说明

图1为凹槽铝板的横截面示意图；

图2为凹槽异种金属板的横截面示意图；

图3为凹槽铝条的横截面示意图；

图4为本发明的铝/异种金属厚板拼接示意图；

图5为本发明的铝/异种金属厚板搅拌摩擦焊示意图；

图6为本发明实施例1获得的厚板铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头的横截面宏观形貌图；

图7为本发明实施例1获得的厚板铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头界面扫描电子显微镜照片；

图8为搅拌针锥度示意图；

图9为对比例1获得的厚板铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头宏观形貌及局部放大形貌图；

图4～图5中：1-凹槽铝板，2-凹槽异种金属板，3-外凸铝条，4-搅拌针。

具体实施方式

本发明提供了一种铝与异种金属的厚板搅拌摩擦焊方法，包括以下步骤：

将铝板的待焊接侧加工出若干第一凹槽，得到凹槽铝板；所述第一凹槽的深度独立地为2～4mm；

将异种金属板的待焊接侧加工出若干第二凹槽，得到凹槽异种金属板；所述第二凹槽的深度独立地为2～4mm；

将铝条的两侧分别加工出若干第一外凸和若干第二外凸，得到外凸铝条；所述铝条的锥度与搅拌针的锥度相同；所述外凸铝条的一端宽度比搅拌针根部直径小2～3mm，另一端宽度比搅拌针端部直径小2～3mm；所述铝板、异种金属板和铝条的厚度相同，所述铝板的厚度在9mm以上；

将凹槽铝板、外凸铝条和凹槽异种金属板进行拼接和固定，使得第一凹槽与第一外凸匹配、第二凹槽与第二外凸匹配形成互锁结构，得到拼接板；

使所述拼接板中的铝板位于搅拌针的前进侧，异种金属板位于搅拌针的返回侧，将搅拌针插入铝条的中心处，进行搅拌摩擦焊。

本发明将铝板的待焊接侧加工出若干第一凹槽，得到凹槽铝板。

在本发明中，所述铝板的材质优选为纯铝或铝合金，本发明不做特殊限定，在本发明的实施例中，所述铝板为5A06铝板。在本发明中，所述铝板的厚度优选在9mm以上，更优选为9～30mm，进一步优选为12～25mm。

在本发明中，所述第一凹槽的深度独立地为2～4mm；所述第一凹槽的宽度独立地优选为2～4mm；相邻第一凹槽之间的间距独立地优选为2～4mm。在本发明中，所述第一凹槽的形状优选为平行四边形。

在本发明中，所述第一凹槽的侧边优选与搅拌针的外边缘平行。本发明通过控制第一凹槽的侧边与搅拌针外边缘平行，使得搅拌针对互锁结构沿板厚方向上的作用相对均匀。

当所述第一凹槽的形状为平行四边形时，所述凹槽铝板的结构如图1所示。图1中，圈出部分为第一凹槽，e对应第一凹槽的深度，c和f对应相邻第一凹槽之间的间距，b、d和g均对应第一凹槽的宽度。在本发明中，相邻第一凹槽之间的间距可以相同也可以不同，优选相同；若干第一凹槽的深度可以相同也可以不同，优选相同；若干第一凹槽的宽度可以相同也可以不同，优选相同。

在本发明中，将凹槽铝板中与搅拌针插入侧相同的一侧作为上侧，从上到下，最上面的第一凹槽距离铝板上表面的距离优选为2～6mm，在图1中对应a；最下面的第一凹槽距离铝板下表面的距离优选为2～3mm，在图1中对应h。

本发明将异种金属板的待焊接侧加工出若干第二凹槽，得到凹槽异种金属板。在本发明中，所述异种金属板的材质优选包括纯镁、镁合金、纯钛、钛合金、纯铜或铜合金，在本发明的实施例中具体为镁板AZ31B或铜板T2。在本发明中，所述异种金属板的厚度与铝板的厚度相同，这里不再赘述。

在本发明中，所述第二凹槽的深度独立地为2～4mm；所述第二凹槽的宽度独立地优选为2～4mm；相邻第二凹槽之间的间距独立地优选为2～4mm。在本发明中，所述第二凹槽的形状优选为平行四边形。

在本发明中，所述第二凹槽的侧边优选与搅拌针的外边缘平行。本发明通过控制第二凹槽的侧边与搅拌针外边缘平行，使得搅拌针对互锁结构沿板厚方向上的作用相对均匀。

当所述第二凹槽的形状为平行四边形时，异种金属的结构如图2所示。图2中，圈出部分即为第二凹槽，m对应第二凹槽的深度，k和n对应相邻第二凹槽之间的间距，j、l和o均对应第二凹槽的宽度。在本发明中，相邻第二凹槽之间的间距可以相同也可以不同，优选相同；若干第二凹槽的深度可以相同也可以不同，优选相同；若干第二凹槽的宽度可以相同也可以不同，优选相同。

在本发明中，将凹槽异种金属板中与搅拌针插入侧相同的一侧作为上侧，从上到下，最上面的第二凹槽距离异种金属板上表面的距离优选为2～6mm，在图2中对应i；最下面的第二凹槽距离铝板下表面的距离优选为2～3mm，在图2中对应p。

在本发明中，所述第二凹槽的形状和尺寸可以与第一凹槽的形状和尺寸相同，也可以不同，优选相同。

本发明将铝条的两侧分别加工出若干第一外凸和若干第二外凸，得到外凸铝条。

在本发明中，所述铝条的材质优选为纯铝或铝合金，本发明不做特殊限定。在本发明中，所述铝条的材质可以和铝板相同，也可以不同。在本发明的实施例中，所述铝条为5A06铝条。

在本发明中，所述铝条的厚度与铝板的厚度相同，这里不再赘述。在本发明中，所述第一外凸与第一凹槽匹配，第二外凸与第二凹槽匹配。本领域技术人员根据第一凹槽和第二凹槽的形状和尺寸加工铝条的外凸即可。当所述第一凹槽和第二凹槽均为平行四边形时，所述铝条的结构如图3所示，圈出部分为外凸。

本发明控制外凸铝条的锥度与搅拌针的锥度相同目的是保证沿板厚方向上搅拌针对铝条金属有足够的作用力，确保搅拌针能够驱动铝条进入互锁结构中的凹槽，最终形成异种金属冶金结合。在本发明中，所述搅拌针的锥度优选为10～25°，更优选为12～22°，进一步优选为15～20℃。在本发明中，所述搅拌针的锥度指的两侧延长线的夹角，如图8所示。

在本发明中，所述外凸铝条的上部和下部尺寸优选根据搅拌针的尺寸确定，具体的，所述外凸铝条的一端宽度比搅拌针根部直径小2～3mm，另一端宽度比搅拌针端部直径小2～3mm。在本发明中，所述搅拌针的根部直径优选为10～20mm，端部直径优选为5～12mm。本发明通过控制外凸铝条的上部和下部尺寸在上述范围，一方面避免了搅拌针直接与铝条两侧界面直接接触，同时降低了两侧界面反应温度和塑性变形程度，抑制界面附近原子扩散速率，从而抑制铝-异种金属间化合物的形成；另一方面还能保证足够的驱动力，实现破碎的铝条与两侧界面发生一定程度的扩散反应，实现冶金连接。

在本发明中，所述搅拌针优选为锥形左螺纹，所述搅拌针的轴肩直径优选为20～45mm；所述搅拌针的针长优选比铝板的厚度小0.2～0.5mm。

得到凹槽铝板、外凸铝条和凹槽异种金属板后，本发明将凹槽铝板、外凸铝条和凹槽异种金属板进行拼接和固定，使得第一凹槽与第一外凸匹配、第二凹槽与第二外凸匹配形成互锁结构，得到拼接板，如图4所示，其中，1为凹槽铝板，2为凹槽异种金属板，3为外凸铝条。

所述拼接前，本发明优选采用钢丝刷清除凹槽铝板、凹槽异种金属板和凹槽铝条上互锁结构上的氧化膜，然后用丙酮清理互锁结构部位的油污。

本发明优选采用焊接夹具进行固定，以防止焊接过程中出现松动。

得到拼接板后，本发明使所述拼接板中的铝板位于搅拌针的前进侧，异种金属板位于搅拌针的返回侧，将搅拌针插入铝条的中心处，进行搅拌摩擦焊(如图5所示)。

本发明使所述拼接板中的铝板位于搅拌针的前进侧，异种金属板位于搅拌针的返回侧，能够确保顺利成形。若将异种金属板置于前进侧，铝板置于返回侧，异种金属板由于材料屈服强度较低(如镁合金)或者材料屈服强度较高(钛合金、铜合金)，在搅拌摩擦焊过程中会产生流动不足问题或者因产热过高而形成大量金属间化合物，无法成形。

在本发明中，所述搅拌摩擦焊的条件优选包括：旋转速度为235～600rpm，焊接速度为23.5～60mm/min；更进一步的，所述旋转速度优选为300～500rpm，焊接速度优选为30～50mm/min。

下面结合实施例对本发明提供的铝与异种金属的厚板搅拌摩擦焊方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将15mm厚的待焊铝板5A06加工出若干第一凹槽，得到凹槽铝板5A06，其横截面示意图如图1所示；将待焊镁板AZ31B加工出若干第二凹槽，得到凹槽镁板AZ31B，其横截面示意图如图2所示；将铝条5A06的两侧加工出若干外凸，得到外凸铝条5A06，具体结构如图3所示，外凸铝条的一端宽度为12mm，另一端宽度为6mm；图1～3中，凹槽均为平行四边形，各凹槽的宽度均相同、深度均相同，相邻凹槽间距也相同，具体的，a＝i＝3mm，b＝j＝2mm，c＝k＝2mm，d＝l＝2mm，e＝m＝2mm，f＝n＝2mm，g＝o＝2mm，h＝p＝2mm，α＝78.5°，凹槽的斜边与搅拌针的外侧边缘平行，铝条的锥度与搅拌针的锥度相同；采用左螺纹的搅拌针，根部直径为14mm，端部直径为8mm，针长为14.7mm，对应搅拌针的锥度为23°；

采用钢丝刷分别清除凹槽铝板5A06、凹槽镁板AZ31B和外凸铝条5A06互锁结构上的氧化膜，再用丙酮清洗上述凹槽结构上的油污；

装配凹槽铝板5A06、凹槽镁板AZ31B和外凸铝条5A06，使其固定在焊接工装夹具上，形成拼焊板(如图4所示)；

使凹槽铝板5A06位于搅拌针的前进侧，凹槽镁板AZ31B位于搅拌针的返回侧，将搅拌针插入外凸铝条的中心处(如图5所示)，进行搅拌摩擦焊，旋转速度为375rpm，焊接速度为23.5mm/min，下压量为0.2mm，搅拌头轴肩直径为40mm，搅拌针根部直径为14mm，搅拌针端部直径为8mm，最后完成厚板铝/镁异种金属搅拌摩擦焊。

图6为实施例1获得的厚板铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头的横截面宏观形貌图，图7为实施例1获得的厚板铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头镁侧界面上部(a)、中部(b)和下部(c)的扫描电子显微照片；由图6和图7可以看到接头界面沿厚度方向上冶金结合较为良好，金属间化合物层厚度较薄，在10μm以下，比文献[Xu et al.Interfacialmicrostructure evolution of thick plate Al/Mg FSW:Effect of pin size[J].Materials Characterization,2021,174:111022]报道的金属间化合物厚度(最大厚度已达到60μm)要小很多。

实施例2

将15mm厚的待焊铝板5A06加工出若干第一凹槽，得到凹槽铝板5A06，其横截面示意图如图1所示；将待焊纯铜板T2加工出若干第二凹槽，得到凹槽铜板T2，其横截面示意图如图2所示；将铝条5A06的两侧加工出若干外凸，得到外凸铝条5A06，具体结构如图3所示，外凸铝条的一端宽度为12mm，另一端宽度为6mm；图1～3中，凹槽均为平行四边形，各凹槽的宽度均相同、深度均相同，相邻凹槽间距也相同，具体的，a＝i＝3mm，b＝j＝2mm，c＝k＝2mm，d＝l＝2mm，e＝m＝2mm，f＝n＝2mm，g＝o＝2mm，h＝p＝2mm，α＝78.5°，凹槽的斜边与搅拌针的外侧边缘平行，铝条的锥度与搅拌针的锥度相同；采用左螺纹的搅拌针，根部直径为14mm，端部直径为8mm，针长为14.7mm，对应搅拌针的锥度为23°；

采用钢丝刷分别清除凹槽铝板5A06、凹槽纯铜板T2和外凸铝条5A06互锁结构上的氧化膜，再用丙酮清洗上述凹槽结构上的油污；

装配凹槽铝板5A06、凹槽纯铜板T2和外凸铝条5A06，使其固定在焊接工装夹具上，形成拼焊板(如图4所示)；

使凹槽铝板5A06位于搅拌针的前进侧，凹槽纯铜板T2位于搅拌针的返回侧，将搅拌针插入外凸铝条的中心处(如图5所示)，进行搅拌摩擦焊，旋转速度为475rpm，焊接速度为37.5mm/min，下压量为0.2mm，搅拌头轴肩直径为40mm，搅拌针根部直径为14mm，搅拌针端部直径为8mm，最后完成厚板铝/铜异种金属搅拌摩擦焊。

对比例1

与实施例1的区别仅在于凹槽的深度不同，具体的e＝m＝5mm。

图9为对比例1获得的厚板铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头宏观形貌及局部放大形貌图，其中，(a)为宏观形貌图，(b)为局部放大图。当e＝m＝5mm时，从图9中可以看到在外凸铝条与凹槽镁板的连接处出现弱连接。这是由于凹槽深度过大，导致塑性金属没有足够的变形能力和冶金反应温度，最终在凹槽边缘处形成未焊合缺陷。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铝与异种金属的厚板搅拌摩擦焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

将铝板的待焊接侧加工出若干第一凹槽，得到凹槽铝板；所述第一凹槽的深度独立地为2～4mm；

将异种金属板的待焊接侧加工出若干第二凹槽，得到凹槽异种金属板；所述第二凹槽的深度独立地为2～4mm；

将铝条的两侧分别加工出若干第一外凸和若干第二外凸，得到外凸铝条；所述铝条的锥度与搅拌针的锥度相同；所述外凸铝条的一端宽度比搅拌针根部直径小2～3mm，另一端宽度比搅拌针端部直径小2～3mm；所述铝板、异种金属板和铝条的厚度相同，所述铝板的厚度在9mm以上；

将凹槽铝板、外凸铝条和凹槽异种金属板进行拼接和固定，使得第一凹槽与第一外凸匹配、第二凹槽与第二外凸匹配形成互锁结构，得到拼接板；

使所述拼接板中的铝板位于搅拌针的前进侧，异种金属板位于搅拌针的返回侧，将搅拌针插入铝条的中心处，进行搅拌摩擦焊。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽的形状为平行四边形。

3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽的侧边与搅拌针的外边缘平行。

4.根据权利要求1～3任一项所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽的宽度独立地为2～4mm。

5.根据权利要求4所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，相邻第一凹槽之间的间距独立地为2～4mm；相邻第二凹槽之间的间距独立地为2～4mm。

6.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述异种金属板的材质包括纯镁、镁合金、纯钛、钛合金、纯铜或铜合金；所述铝板和铝条的材质独立地为纯铝或铝合金。

7.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述铝板、异种金属板和铝条的厚度为9～30mm。

8.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述搅拌针的锥度为10～25°。

9.根据权利要求1或8所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述搅拌针的根部直径为10～20mm，端部直径为5～12mm。

10.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊的条件包括：旋转速度为235～600rpm，焊接速度为23.5～60mm/min。

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