CN114211144A - 一种异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种异种合金的搅拌摩擦双‑铆焊方法，属于异种合金材料连接技术领域，采用异种合金的搅拌摩擦双‑铆焊设备进行，过程为：将低熔点金属材料作为上板在连接区域预制通孔；采用大内凹轴肩搅拌头及与下板同材铆钉；将异种金属板材连接区域配合并固定于焊接工作台，铆钉放入预制孔中，进行搅拌摩擦铆焊；在旋转搅拌头产热顶锻作用下，铆钉和上下板材形成良好冶金连接；同时铆钉上部材料镶嵌至上板材料中形成铆接墩头，铆钉下部材料向上翘曲进入铝板中，两者共同构成外铆结构；上板材料挤压至铆钉和下板材料之间或下板材料被带动到上板材料中，在搭接界面附近形成内铆结构；形成机械与冶金结合共存双铆接头，强化异种合金材料间连接。

Description

一种异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法
技术领域
本发明属于金属材料连接技术，具体涉及一种异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，能够获得高承载能力的异种金属铆焊接头。
背景技术
搅拌摩擦铆焊(Friction stir riveting welding,FSRW)是衍生于搅拌摩擦焊接(Friction stir welding,FSW)的一种新型固相铆焊技术，基于搅拌摩擦焊技术与铆接技术相结合的方式，利用摩擦热和材料的强塑性流动实现板材和铆钉的有效连接。根据国内外的研究结果，搅拌摩擦铆焊工艺目前已实现同种合金板材与异种合金板材的连接。在同种合金连接中，由于同种材料之间良好的冶金相容性，往往可以得到高质量的铆接接头。在异种合金连接中，存在以下两种情况：当异种合金之间的冶金相容性差时，难以依靠冶金结合实现接头的有效连接，往往需要机械互锁结构实现接头结合，但接头往往难以满足强度要求；当异种金属之间的冶金相容性好时，虽然可以得到较好的冶金连接，但极易在连接界面处产生大量的金属间化合物。这表明仅靠单一的冶金结合或机械互锁较难实现异种合金之间的高质量连接。
现有技术中包括有异种复合材料铆钉原位搅拌摩擦成形的铆焊工艺方法，将复合材料铆钉与搅拌摩擦点焊技术相结合，通过摩擦热和顶锻力使复合材料铆钉两端成形，由于复合材料铆钉与金属板材间缺乏冶金结合，该技术更适用于复合材料-复合材料及复合材料-金属板材的连接，并不适用于获得高质量的异种金属板材铆焊接头。
另有搅拌套旋转摩擦生热与铆钉旋入式板材搅拌摩擦铆焊方法，通过搅拌套及铆钉与板材的摩擦产热塑化材料，之后采用搅拌针将铆钉压入塑化材料中形成连接。该方法存在的问题如下：仅适用于轻质合金的同材或异材连接；从保证摩擦热的角度，铆钉需采用在高温下强度高于焊材的材料，以避免在铆焊过程中的铆钉发生折断等破坏，然而高强铆钉不利于结构的减重且形成的铆焊接头在受外载时因变形不协调而在铆钉与母材界面更易产生应力集中。
还有搅拌摩擦铆接装置和铆接方法，铆钉既充当连接结构又作为临时搅拌头，可用于异种合金材料的铆焊连接，但该方法对铆钉类型、形状要求高且衬垫需开设凹槽，焊接时配合复杂。
综上所述，本发明提出一种能够实现异种合金材料的搅拌摩擦双-铆焊方法，在保留冶金连接效果的同时强化接头的机械互锁结合，得到高承载能力的异种合金铆焊接头。
发明内容
本发明的目的是提供一种异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法。该方法采用具有大内凹角轴肩的搅拌头；将低熔点、低硬度合金作为上板并在其连接点预制通孔，将与下板材料相同的合金作为铆钉材料；在两块板材连接区域配合好后，在预制孔中放入铆钉；使用具有大内凹角轴肩的旋转搅拌头对预制孔中铆钉及上/下板材进行搅拌摩擦铆焊；焊接完成后，铆钉上部材料镶嵌至上板材料中形成铆接墩头并产生冶金连接，铆钉下部材料向上翘曲进入铝板中并产生冶金结合，两者共同构成外铆结构；同时，上板材料被挤压至铆钉和下板材料之间或下板材料被带动到上板材料中，在搭接界面附近形成内铆结构；最终得到存在机械互锁结合(双铆结构)与金属冶金结合双重效果的搅拌摩擦铆焊接头。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，采用异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备进行，包括以下步骤：
步骤1、取待连接金属板材，包括上金属板和下金属板，将合金板材加工至指定尺寸，所述的上金属板材中心预制圆形通孔，并加工圆柱状铆钉，与圆形通孔配合使用；
步骤2、将加工后金属板材结合面与铆钉结合面清理干净后，将上板板材连接区域与下板板材连接区域紧密配合并固定在焊接工作台上，之后通过压板装夹固定连接区域；固定完成后，将铆钉放置在连接区域中的预制通孔内，使铆钉与预制通孔紧密接触；
步骤3、通过搅拌摩擦焊机的控制面板设置焊接工艺参数与焊接路径，对焊接起始点定位后进行焊接；在焊接初始时，搅拌头与铆钉上表面接触并旋转下扎，轴肩下扎量为铆钉凸台高度+(0+0.5)mm；
步骤4、到达指定下扎位置后搅拌头停留5～60s后旋转回抽，冷却至室温，完成异种金属间强化连接，形成具有内铆结构、外铆结构(双铆结构)和良好冶金结合的铆接接头；其中，所述的指定下扎位置位于界面上部，界面处或界面下部，所述的界面为上金属板与下金属板相接触的界面。
所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备包括搅拌头，所述的搅拌头为带有大内凹轴肩的搅拌头，所述的大内凹轴肩内凹角为8～20°，搅拌头的搅拌针侧壁设有小升角通槽，所述的搅拌针头部设有螺旋槽。
所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备中，螺旋槽为内凹螺旋通槽或外凸螺旋槽，内凹深度为0.2mm-0.5mm，外凸厚度为0.2mm-0.8mm。
所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备的搅拌头的轴肩直径为5～40mm，所述搅拌头的搅拌针为圆柱形或圆锥形，搅拌针直径＜预制孔直径。
所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备的搅拌针侧面设有若干个间断的小升角通槽螺纹，驱动铆钉材料高速水平流向铆钉与上板间垂直界面，强化铆钉与上板材料的冶金结合。
所述的步骤1中，圆柱状铆钉与下金属板同材质，所述的铆钉直径为圆形通孔直径+(0～0.2mm)，所述的铆钉高度为上金属板厚度+(0.5～7mm)，将铆钉置于圆形通孔内，铆钉高出圆形通孔部分为铆钉凸台，即铆钉凸台的高度为0.5～7mm。
所述的步骤1中，所述的金属板材的厚度为1～50mm，所述的金属板材为铝、镁、铜、钢、钛等金属及其合金材料；其中，上金属板熔点＜下金属板熔点，上金属板硬度＜下金属板硬度；金属板材为平面板材、曲面板材或平面与曲面结合的板材。
所述的步骤3中，搅拌头的搅拌针端部设有内凹螺旋通槽或外凸螺旋槽结构，所述的内凹螺旋通槽，驱动材料水平高速冲击铆钉，促进铆钉变形和流动，强化外铆结构并促进铆钉与上板材料的冶金结合，利于实现低焊接热、短焊接时间的高强度铆焊；所述的外凸螺旋槽提供额外的向下冲击力，促进铆钉下部材料与下板材料之间的冶金结合，同时促进下板材料向上板材料中流动并形成内铆结构；所述搅拌头端部的内凹螺旋通槽、外凸螺旋槽结构及搅拌针侧面小升角通槽的结合可同时实现铆钉与上/下板材料的冶金结合与机械互锁结合强化。
所述的步骤3中，在轴肩下扎的焊接过程中：铆钉上部材料在搅拌头的摩擦产热作用下软化至塑性流动状态并在搅拌头的作用下流向两侧，镶嵌至上板材料中形成铆钉墩头，铆钉下部在搅拌头压力的作用下向上翘曲扎入铝板中，两者共同构成外铆结构8；上板材在搅拌头的摩擦热与顶锻双重作用下产生塑性流动并被挤压至铆钉和下板材料之间形成锚结构，或下板材料在搅拌头的带动下向上流动镶嵌至上板材料中形成锚结构，在搭接界面附近构成内铆结构9；同时，铆钉与上板材料和下板材料之间均产生较好的冶金结合。
所述的步骤3中，搅拌头的下扎速度为0.1～10mm/min，下扎量为0.5～7.5mm，转速为100～10000r/min，焊接速度为5～2000mm/min，搅拌头回抽速度为1～50mm/min，停留时间为5s～60s。
所述的步骤4中，下扎位置为搅拌针针尖达到的位置。
所述的步骤4中，通过搅拌头在指定下扎位置停留5～60s，以强化铆钉与上金属板、下金属板的冶金连接。
所述的步骤4中，指定下扎位置位于界面上部或界面下部时，下扎位置距离界面处的垂直距离≤0.5mm。
所述的步骤4中，焊接完成后，铆钉上部材料镶嵌至上板材料中形成铆接墩头并产生冶金连接，铆钉下部材料向上翘曲进入铝板中并产生冶金结合，两者共同构成外铆结构；同时，上板材料被挤压至铆钉和下板材料之间或下板材料被带动到上板材料中，在搭接界面附近形成内铆结构；最终得到存在机械互锁结合(双铆结构)与金属冶金结合双重效果的搅拌摩擦铆焊接头。
所述的步骤4中，铆接接头中，外铆结构由铆钉形成。
所述的步骤4中，铆接接头中，内铆结构为锚状。
所述的步骤4中，当指定下扎位置位于界面下部，铆接接头中内铆结构由两部分构成。
所述的步骤4中，铆接接头的拉伸剪切载荷为5.45-6.55kN。
所述的步骤4中，下扎位置位于界面上部或界面下部时，铆接接头的拉伸剪切载荷为6.25-6.55kN。
本发明的有益效果为：
(1)采用具有大内凹角轴肩的搅拌头与圆柱形铆钉，在合适工艺参数下，异种合金板材形成了具有机械互锁结合(双铆结构)和金属冶金结合的高强度铆接头。相比于传统铆接接头，该接头不仅兼具冶金结合与机械结合的效果，还具有良好的密封性。
(2)在搅拌头提供的摩擦热与顶锻力作用下，接头上部和下部的铆结构起到了双重机械互锁的作用，同时上/下板材界面及铆钉与上/下板材均实现了良好的冶金结合。与传统的搅拌摩擦铆焊接头及搅拌摩擦盲铆接头相比，双铆结构及良好的冶金连接使接头的承载强度得到了较大幅度的提升，解决了异种金属材料之间连接强度较低的问题。
(3)搅拌针侧面可开设小升角通槽：搅拌针侧面的小升角通槽，驱动铆钉材料高速水平流向铆钉与上板间垂直界面，强化铆钉与上板材料的冶金结合，实现短焊接时间的高质铆焊，提高工作效率。
(4)搅拌针端部可开设内凹螺旋通槽：搅拌针端面的内凹螺旋通槽，驱动材料水平高速冲击铆钉材料，促进铆钉变形和流动，强化外铆结构及铆钉与上板材料的冶金结合，利于实现低焊接热、短焊接时间的高强度焊接。
(5)搅拌针端部可开设外凸螺旋槽：搅拌针端部的外凸螺旋槽，提供额外的向下冲击力，增强铆钉下部材料与下板材料的塑性流动，促进铆钉下部材料与下板材料之间的冶金结合，同时促进下板材料向上板材料中流动形成内铆结构，提升焊点的连接强度。
(6)连接材料适应性广泛：该铆焊连接方法对连接金属板材的种类(铝、镁、铜、钢。钛等)无特殊要求，同时也可用于同种金属材料之间的铆接。
(7)连接工艺可扩展性强：由于该工艺方法中搅拌头与铆钉非一体式设计，其拆卸与换装较为快捷，且针对搅拌头的诸如非接触式加热和超声振动等辅助工艺的改进也较为方便，有利于该技术后期的工艺扩展；为了增加铆焊接头密封性以及强度，在焊点周围涂胶，即实现胶-铆-焊的复合连接，特别地可在胶中加入石墨烯、碳纳米管等一维或二维的增强材料以进一步增强铆焊接头的承载能力。
附图说明
图1为本发明实施例1的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法焊接的上下板材尺寸示意图；
图2为本发明实施例的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备结构示意图；
图3为本发明实施例的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备的大内凹角轴肩搅拌头立体结构示意图，其中，3(a)为正视图，3(b)为剖视图，3(c)为仰视图；
图4为本发明实施例1的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备的带有内凹螺旋通槽的搅拌头局部结构示意图；
图5为本发明实施例1的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法工艺流程图与焊接接头结构示意图，其中，(a)为焊接前准备图，(b)为焊接状态示意图，(c)为制备的焊接接头结构示意图；
图6为本发明实施例2获得的焊接接头示意图；
图7为本发明实施例3获得的焊接接头示意图；
图8为本发明实施例4的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备的大内凹轴肩搅拌针的针头局部结构示意图与焊接接头结构示意图，其中，(a)为针头局部结构示意图，(b)为制备的焊接接头结构示意图；
图9为本发明对比例4-1获得的焊接接头结构示意图；
1-通孔，2-铆钉，3-搅拌头，4-铆钉凸台，5-小升角通槽，6-内凹螺旋通槽7-外凸螺旋槽，8-外铆结构，9-内铆结构，A-异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备，a-大内凹轴肩。
具体实施方式
下面结合附图和实施例1对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例1-3的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备的搅拌头所设置的内凹螺旋通槽的内凹深度为0.4mm；实施例4与对比例4-1的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备的搅拌头所设置的外凸螺旋通槽的外凸厚度为0.5mm。
一种异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，采用异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备进行，包括以下步骤：
步骤1、取待连接金属板材，包括上金属板和下金属板，将合金板材加工至指定尺寸，所述的上金属板材中心预制圆形通孔，并加工圆柱状铆钉，与圆形通孔配合使用；
步骤2、将加工后金属板材结合面与铆钉结合面清理干净后，将上板板材连接区域与下板板材连接区域紧密配合并固定在焊接工作台上，之后通过压板装夹固定连接区域；固定完成后，将铆钉放置在连接区域中的预制通孔内，使铆钉与预制通孔紧密接触；
步骤3、通过搅拌摩擦焊机的控制面板设置焊接工艺参数与焊接路径，对焊接起始点定位后进行焊接；在焊接初始时，搅拌头与铆钉上表面接触并旋转下扎，轴肩下扎量为铆钉凸台高度+(0+0.5)mm；
步骤4、到达指定下扎位置后搅拌头停留5～60s后旋转回抽，冷却至室温，完成异种金属间强化连接，形成具有双铆结构和良好冶金结合的铆接接头；其中，所述的指定下扎位置位于界面上部，界面处或界面下部，所述的界面为上金属板与下金属板相接触的界面。
所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备包括搅拌头，所述的搅拌头为带有大内凹轴肩的搅拌头，所述的大内凹轴肩内凹角为14°，搅拌头的搅拌针侧壁设有小升角通槽，所述的搅拌针头部设有螺旋通槽。
所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备中，螺旋通槽为内凹螺旋通槽或外凸螺旋槽，内凹深度为0.4mm，外凸厚度为0.5mm。
所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备的搅拌头的轴肩直径为14mm，所述搅拌头的搅拌针为圆锥形，搅拌针直径＜预制孔直径。
所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备的搅拌针侧面设有若干个间断的小升角通槽螺纹，驱动铆钉材料高速水平流向铆钉与上板间垂直界面，强化铆钉与上板材料的冶金结合。
所述的步骤3中，搅拌头的搅拌针端部设有外凸螺旋槽或内凹螺旋槽结构，所述的内凹螺旋通槽，驱动材料水平高速冲击铆钉，促进铆钉变形和流动，强化外铆结构及铆钉与上板材料的冶金结合，利于实现低焊接热、短焊接时间的高强度铆焊；所述的外凸螺旋槽提供额外的向下冲击力，促进铆钉下部材料与下板材料之间的冶金结合，同时促进下板材料向上板材料中流动并形成内铆结构；所述搅拌头端部的内凹螺旋通槽、外凸螺旋槽结构及搅拌针侧面小升角通槽的结合可同时实现铆钉与上/下板材料的冶金结合与机械互锁结合强化。
所述的步骤1中，圆柱状铆钉与下金属板同材质，所述的铆钉直径为圆形通孔直径+(0～0.2mm)，所述的铆钉高度为上金属板厚度+(0.5～7mm)，将铆钉置于圆形通孔内，铆钉高出圆形通孔部分为铆钉凸台，即铆钉凸台的高度为0.5～7mm。
所述的步骤1中，所述的金属板材的厚度为1～50mm，所述的金属板材为铝、镁、铜、钢、钛等金属及其合金材料；其中，上金属板熔点＜下金属板熔点，上金属板硬度＜下金属板硬度；金属板材为平面板材、曲面板材或平面与曲面结合的板材。
所述的步骤3中，在轴肩下扎的焊接过程中：铆钉上部材料在搅拌头的摩擦产热作用下软化至塑性流动状态并在搅拌头的作用下流向两侧，镶嵌至上板材料中形成铆接墩头，铆钉下部在搅拌头压力的作用下向上翘曲扎入铝板中，两者共同构成外铆结构8；上板材在搅拌头的摩擦热与顶锻双重作用下产生塑性流动并被挤压至铆钉和下板材料之间形成锚结构，或下板材料在搅拌头的带动下向上流动镶嵌至上板材料中形成锚结构，在搭接界面附近构成内铆结构9；同时，铆钉与上板材料和下板材料之间均产生较好的冶金结合。
所述的步骤3中，搅拌头的下扎速度为0.1～10mm/min，下扎量为0.5～7.5mm，转速为100～10000r/min，焊接速度为5～2000mm/min，搅拌头回抽速度为1～50mm/min，停留时间为5s～60s。
所述的步骤4中，下扎位置为搅拌针针尖达到的位置。
所述的步骤4中，通过搅拌头在指定下扎位置停留5～60s，以强化铆钉与上金属板、下金属板的冶金连接。
所述的步骤4中，指定下扎位置位于界面上部或界面下部时，下扎位置距离界面处的垂直距离≤0.5mm。
所述的步骤4中，铆接接头中，外铆结构8由铆钉形成。
所述的步骤4中，铆接接头中，内铆结构9为锚状。
所述的步骤4中，当指定下扎位置位于界面下，铆接接头中内铆结构9由两部分构成。
所述的步骤4中，下扎位置位于界面上部或界面下部时，铆接接头的拉伸剪切载荷为6.25-6.55kN。
实施例1
一种异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，采用异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备进行，结构示意图如图2所示，包括搅拌头3，搅拌头3带有大内凹轴肩a，大内凹轴肩a的内凹角为14°，搅拌头3的搅拌针侧壁设有小升角通槽5，搅拌针头部设有螺旋通槽，本实施例中设置的为内凹螺旋通槽，内凹深度为0.4mm，搅拌头立体结构示意图如图3所示，其中，3(a)为正视图，3(b)为剖视图，3(c)为仰视图；搅拌头局部结构示意图；搅拌头局部结构示意图如图4所示；焊接方法工艺流程图如图5所示，其中，5(a)为焊接前准备图，5(b)为焊接状态示意图，5(c)为制备的焊接接头结构示意图，具体包括以下步骤：
步骤1、将尺寸为100mm×30mm×2mm的1060铝合金板通过线锯床切割通孔1，其中预制通孔1的直径为8mm；将尺寸为100×8mm的T2铜圆柱棒通过线锯床切割加工成铆钉2，其中铆钉2的高度为2.5mm；准备尺寸为100mm×30mm×2mm的T2铜合金板，该两板材的尺寸示意图如图1所示。
步骤2、将加工后的铝合金板、铜合金板及铆钉结合面处通过丙酮清洗并用无水乙醇擦拭干净，晾干后将铝合金板带有预制通孔的连接点与铜合金板连接点配合，其中铝合金为上板、铜合金为下板，将配合好的板材通过螺栓固定在搅拌摩擦焊机的工作台上并用压板装夹紧固，固定完成后将铆钉2放置在预制通孔1中，形成铆钉凸台4，其中铆钉凸台4的高度为0.5mm；
步骤3、选取轴肩内凹角为14°的有针搅拌头3进行焊接，搅拌头3轴肩尺寸为15mm，轴肩下部搅拌针针长为1.8mm，根部与尖端直径分别为5.2mm及4mm，搅拌针侧面开小升角通槽5，搅拌针端面开六螺旋通槽6；通过搅拌摩擦焊机的控制面板设置焊接工艺参数与焊接路径，其中转速可设置为1000、1200及1400r/min，焊接起始点为铆钉凸台4上表面，对焊接起始点定位后进行施焊，在焊接初始时搅拌头3反转下扎进铆钉凸台4表面，下扎深度为铆钉凸台4高度0.5mm，下扎速度2mm/min；搅拌针下扎位置位于搭接界面上部，下扎位置距离界面处的垂直距离为0.2mm；在焊接过程中铜铆钉上部材料在搅拌头的摩擦产热作用下软化至塑性流动状态并在搅拌头的作用下流向两侧，镶嵌至上板材料中形成铆接墩头，铜铆钉下部材料在搅拌头压力的作用下向上翘曲扎入铝板中，两者共同构成外铆结构8；上板材在搅拌头的摩擦热与顶锻双重作用下产生塑性流动并被挤压至铆钉和下板材料之间形成铝锚结构，在搭接界面附近构成内铆结构9；同时，铜铆钉与上板铝材料和下板铜材料之间均产生较好的冶金结合。
步骤4、搅拌头3到达焊接指定位置并停留15s时间，之后搅拌头3回抽到安全高度，搅拌头3上抬速度为10mm/min，待冷却后即完成焊接，随后撤掉压板约束，取出接头，得到表面成形良好，具有冶金结合与机械互锁结合的效果“双-铆”结构搅拌摩擦铆焊接头，获得的焊接接头如图5(c)所示，接头拉伸载荷为6.25kN。
实施例2
同实施例1，区别在于，轴肩下部搅拌针针长为2.0mm，下扎位置位于界面处，下扎位置距离界面处的垂直距离为0mm；获得的焊接接头如图6所示，接头拉伸载荷为5.45kN。
实施例3
同实施例1，区别在于，轴肩下部搅拌针针长为2.2mm，下扎位置位于界面下部，下扎位置距离界面处的垂直距离为0.2mm；上板材在搅拌头的摩擦热与顶锻双重作用下产生塑性流动并被挤压至铆钉和下板材料之间形成铝锚，同时下板材料在搅拌头的带动下向上流动镶嵌至上板材料中形成铜锚，在搭接界面附近共同构成结构9；获得的焊接接头如图7所示，接头拉伸载荷为6.35kN。
实施例4
一种异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，采用的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备结构同实施例1，搅拌头立体结构示意图如图3所示，区别在于，设置的螺旋槽为外凸螺旋槽7，外凸厚度为0.5mm；搅拌针的针头局部结构示意图如图8(a)所示，获得的焊接接头示意图如图8(b)所示，包括以下步骤：
步骤1、将尺寸为100mm×30mm×2mm的1060铝合金板通过线锯床切割预制通孔1，其中预制通孔1的直径为8mm；将尺寸为100×8mm的T2铜圆柱棒通过线锯床切割加工成铆钉2，其中铆钉2的高度为2.5mm；准备尺寸为100mm×30mm×2mm的T2铜合金板。
步骤2、将加工后的铝合金板、铜合金板及铆钉结合面处通过丙酮清洗并用无水乙醇擦拭干净，晾干后将铝合金板带有预制通孔的连接区域与铜合金板连接区域配合，其中铝合金为上板、铜合金为下板，将配合好的板材通过螺栓固定在搅拌摩擦焊接机的焊接工作台上并用压板装夹固定，压板由螺栓连接到焊接工作台上，固定完成后将铆钉2放置在预制通孔1中，形成铆钉凸台4，其中铆钉凸台4的高度为0.5mm；
步骤3、选取轴肩内凹角为14°的有针搅拌头3进行焊接，搅拌头3轴肩尺寸为15mm，轴肩下部搅拌针针长为2.2mm，根部与尖端直径分别为5.2mm及4mm，搅拌针侧面开小升角通槽5，搅拌针端面开六螺旋外凸槽7；通过搅拌摩擦焊机的控制面板设置焊接工艺参数与焊接路径，其中转速可设置为1000、1200及1400r/min，焊接起始点为铆钉凸台4上表面，对焊接起始点定位后进行施焊，在焊接初始时搅拌头3反转下扎进铆钉凸台4表面，下扎深度为铆钉凸台4高度0.5mm，下扎速度2mm/min，下扎位置位于搭接界面下部，下扎位置距离界面处的垂直距离为0.2mm；在焊接过程中铜铆钉上部材料在搅拌头的摩擦产热作用下软化至塑性流动状态并在搅拌头的作用下流向两侧，镶嵌至上板材料中形成铜铆接墩头，铜铆钉下部材料在搅拌头压力的作用下向上翘曲扎入铝板中，两者共同构成结构8；上板材在搅拌头的摩擦热与顶锻双重作用下产生塑性流动并被挤压至铆钉和下板材料之间形成铝锚结构，同时下板材料在搅拌头的带动下向上流动镶嵌至上板材料中形成铜锚结构，在搭接界面附近共同构成结构9；同时，铜铆钉与上板铝材料和下板铜材料之间均产生较好的冶金结合。
步骤4、搅拌头3到达焊接指定位置并停留15s时间，之后搅拌头3回抽到安全高度，搅拌头3上抬速度为10mm/min，待冷却后即完成焊接，随后撤掉压板约束，取出接头，得到表面成形良好，具有冶金结合与机械互锁结合的效果“双-铆”结构搅拌摩擦铆焊接头，获得的焊接接头示意图如图8(b)所示。
同实施例1区别在于，搅拌针端面开六螺旋外凸槽7，搅拌针下扎位置位于搭接界面下部，下扎位置距离界面处的垂直距离为0.2mm。接头拉伸剪切载荷达6.55kN。搅拌针端部的外凸螺旋槽，提供额外的向下冲击力，增强铆钉下部材料与下板材料的塑性流动，促进铆钉下部材料与下板材料之间的冶金结合。同时，仅在搅拌针下扎位置位于搭接界面下部时，下板材料会在搅拌头的带动下向上流动镶嵌至上板材料中形成铜锚结构，在搭接界面附近与铝锚结构共同构成结构9，该钩状结构增加了裂纹扩展路径，进一步提升焊点的连接强度。
对比例4-1
同实施例4，区别在于，采用的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备内凹轴肩角度为4°，铆焊完成后获得的焊接接头结构示意图如图9所示，铜铆钉在搅拌头的作用下呈现弧形且上部未产生铆接墩头结构，即外铆结构8不完整，同时搭接界面处铝和铜之间的冶金结合效果较差。在拉伸力的作用下，接头的裂纹扩展路径单一(铝/铜界面)，导致该接头拉伸载荷仅为3.13kN。

Claims (10)

1.一种异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，其特征在于，采用异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备进行，包括以下步骤：
步骤1、取待连接金属板材，包括上金属板和下金属板，将合金板材加工至指定尺寸，所述的上金属板材中心预制圆形通孔，并加工圆柱状铆钉，与圆形通孔配合使用；
步骤2、将加工后金属板材结合面与铆钉结合面清理干净后，将上板板材连接区域与下板板材连接区域紧密配合并固定在焊接工作台上，装夹固定连接区域；固定完成后，将铆钉放置在连接区域中的预制通孔内，使铆钉与预制通孔紧密接触；
步骤3、通过搅拌摩擦焊机的控制面板设置焊接工艺参数与焊接路径，对焊接起始点定位后进行焊接；在焊接初始时，搅拌头与铆钉上表面接触并旋转下扎，轴肩下扎量为铆钉凸台高度+(0+0.5)mm；
步骤4、到达指定下扎位置后搅拌头停留5～60s后旋转回抽，冷却至室温，完成异种金属间强化连接，形成具有内铆结构和外铆结构的铆接接头；其中，所述的指定下扎位置位于界面上部，界面处或界面下部，所述的界面为上金属板与下金属板相接触的界面。
2.根据权利要求1所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，其特征在于，所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备包括搅拌头，所述的搅拌头为带有大内凹轴肩的搅拌头，所述的大内凹轴肩内凹角为8～20°，搅拌头的搅拌针侧壁设有小升角通槽，所述的搅拌针头部设有螺旋槽。
3.根据权利要求1所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，其特征在于，所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备中，螺旋槽为内凹螺旋通槽或外凸螺旋槽，内凹深度为0.2～0.5mm，外凸厚度为0.2～0.8mm。
4.根据权利要求1所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，其特征在于，所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊设备的搅拌头的轴肩直径为5～40mm，所述搅拌头的搅拌针为圆柱形或圆锥形，搅拌针直径＜预制孔直径。
5.根据权利要求1所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，其特征在于，所述的步骤1中，圆柱状铆钉与下金属板同材质，所述的铆钉直径为圆形通孔直径+(0～0.2mm)，所述的铆钉高度为上金属板厚度+(0.5～7mm)，将铆钉置于圆形通孔内，铆钉高出圆形通孔部分为铆钉凸台，即铆钉凸台的高度为0.5～7mm。
6.根据权利要求1所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的金属板材的厚度为1～50mm，所述的金属板材为铝、镁、铜、钢、钛等金属及其合金材料；其中，上金属板熔点＜下金属板熔点，上金属板硬度＜下金属板硬度；金属板材为平面板材、曲面板材或平面与曲面结合的板材。
7.根据权利要求1所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，其特征在于，所述的步骤3中，搅拌头的下扎速度为0.1～10mm/min，下扎量为0.5～7.5mm，转速为100～10000r/min，焊接速度为5～2000mm/min，搅拌头回抽速度为1～50mm/min，停留时间为5～60s。
8.根据权利要求1所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，其特征在于，载荷所述的步骤4中，指定下扎位置位于界面上部或界面下部时，下扎位置距离界面处的垂直距离≤0.5mm。
9.根据权利要求1所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，其特征在于，所述的步骤4中，铆接接头中，外铆结构由铆钉形成，内铆结构为锚状。
10.根据权利要求1所述的异种合金的搅拌摩擦双-铆焊方法，其特征在于，所述的步骤4中，铆接接头的拉伸剪切载荷为5.45～6.55kN。
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