CN114734160A - 一种点承载面密封的复合连接工艺 - Google Patents

一种点承载面密封的复合连接工艺 Download PDF

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Abstract

一种点承载面密封的复合连接工艺，它涉及一种焊接方法，本发明为了克服现有透胶电阻点焊‑胶接复合工艺强度不足的问题，并解决胶接工艺高温固化带来的接头弱化问题，本发明将钎料层预置于金属第一板材和第二板材中间，再采用搅拌摩擦点焊工艺进行点焊，利用其摩擦/变形热同步实现钎料的熔化铺展形成点承载面密封复合接头，并通过控制焊点间局部可以获取具有密封特性的焊接区域。本发明突破了传统熔焊或电阻点焊难以施焊金属的技术瓶颈，接头密封性和强度高，方法具有简单、易行、连接质量好等优点，且焊接过程只需一次热输入，是一种节能环保的绿色制造技术。本发明涉及焊接技术领域。

Description

一种点承载面密封的复合连接工艺
技术领域
本发明涉及一种焊接方法，具体涉及一种利用搅拌摩擦点焊与钎焊同步复合工艺实现点承载、面密封的焊接方法，本发明属于焊接技术领域。
背景技术
随着新能源汽车行业的快速发展，结构材料轻量化设计受到了越来越多的关注。为了减轻重量、节约能源、降低成本、满足不同的工作条件，轻质材料及材料的焊接日益受到重视。铝合金、镁合金等轻质材料以及铝/钢、铝/镁等材料连接可减轻结构件的重量，满足结构性能和轻量化设计的双重技术要求。然而，这些轻质材料可焊性偏差，材料间则存在热膨胀系数差异大且界面易形成脆性金属间化合物的问题，严重弱化了接头服役性能，导致常规电阻点焊或熔焊方法难以实现接头的可靠连接。
搅拌摩擦焊作为一种固相连接方法，具有连接温度低、无熔化过程等一系列优点，可有效抑制界面金属间化合物的生成并兼顾界面机械互锁和冶金连接双重效果，具有良好的接头力学性能。然而，对于汽车车身焊接等工艺需求，由于装配工艺、设计间隙不均匀等实际工况制约，缝焊往往难以满足实际需求。有鉴于此，可采用搅拌摩擦点焊的方式，替代缝焊实现车身结构材料间的高性能连接。但点焊的过程类似于目前汽车车身连接过程中最普遍使用的电阻点焊方法，其焊点间通常存在一定间距，不能实现点焊接头的完全密封，这导致了严重的后期漏水或锈蚀隐患，且为后续涂装工艺带来了不必要的麻烦。
目前的车身点焊焊接常用密封策略为透胶电阻点焊-胶接复合工艺，其首先将点焊密封胶涂布于两侧板表面，然后直接穿透密封胶层进行电阻点焊，最后进行整体结构的胶层高温固化过程。这种工艺可以充分保证结构的密封性，且易于实现自动化。但该技术对表面处理工艺及被粘物的表面状态有着很高的要求。被粘物表面的任何结构、形貌、化学成分和组织形态都对会胶接性能产生较大的影响。同时，为了保证胶粘剂从电阻点焊电极头下方的焊接界面区域排出，以达到保证电流能够顺利通过的目的，需要求在透胶电阻点焊-胶接复合工艺中所使用的胶粘剂的粘度要偏小，这就导致了胶粘剂的强度整体偏低。而如果处理不彻底，胶层就会在电阻点焊界面上形成弱化层，直接影响焊接接头的力学性能。因此，针对金属车身连接需求，急需一种新型复合密封连接工艺，以保证接头整体的强度和密封性。
发明内容
本发明为了克服现有透胶电阻点焊-胶接复合工艺强度不足的问题，并解决胶接工艺高温固化带来的接头弱化问题，进而提供了一种点承载面密封的复合连接工艺。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
本发明包括如下步骤：
步骤一、将第一板材和第二板材表面机械打磨并清洗干净，将第一板材、钎料层和第二板材由上至下按搭接方式依次进行装夹；
步骤二、将搅拌摩擦点焊搅拌头安装在搅拌摩擦焊机的主轴上，在第二板材的下部进行刚性支撑，于第一板材的上表面进行搅拌摩擦点焊，通过点焊的大塑性变形作用和相应的摩擦/变形热实现第一板材、焊点区钎料层与第二板材之间的永久性点焊连接；同时，从而产生的摩擦/变形热使钎料层围绕焊点中心扩展熔化，实现第一板材和第二板材之间的以焊点为中心一定范围内的钎焊接头；通过控制搅拌摩擦点焊焊点之间间距不大于0.8倍钎焊范围直径，即可实现一道连续的焊接接头区域，从而获得具有密封性的金属接头；
步骤三、将连接后的第一板材、第二板材从工装上拆卸后，即完成整个点承载、面密封复合连接过程。
进一步地，所述第一板材和第二板材的厚度为0.5～10mm，第一板材和第二板材的材质包括但不限于铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金、钢材质。
进一步地，所述钎料层2材质为液相线温度低于第一板材熔点60％的金属材料。
进一步地，步骤二中所述的搅拌摩擦点焊搅拌头包括夹持部、过渡部、轴肩和搅拌针，夹持部、过渡部、轴肩和搅拌针由上至下依次连接。
进一步地，所述夹持部的外表面设有夹持面；过渡部上充有散热槽；搅拌针为圆台体，所述搅拌针的外轮廓由上至下依次渐缩。
进一步地，所述搅拌针上端直径为第一板材厚度的0.5～6.0倍，下端直径为第一板材厚度的0.3～5.0倍，搅拌针的针长不小于第一板材的厚度。
进一步地，所述搅拌摩擦点焊搅拌头材质包括但不限于高速工具钢、热作模具钢、硬质合金、钨铼合金材质，且其硬度高于第一板材和第二板材。
进一步地，步骤二中所述的搅拌摩擦点焊焊接过程为：搅拌头高速旋转，旋转速度100～6000rpm并以10～200mm/min的速度扎入第一板材，搅拌针下端应扎入第二板材，且其轴肩边缘应扎入第一板材上表面0.05～0.25mm，当达到该深度后，搅拌针停止下扎并停留0～30s，然后搅拌头回抽，完成搅拌摩擦点焊过程。
进一步地，步骤二中所述的钎焊过程中：当搅拌头高速旋转并扎入板材达到预设深度停留后，摩擦/变形热开始在焊点附近累积并沿径向向四周扩展，当四周局部超过钎料层液相线后，钎料即发生熔化并铺展润湿第一板材和第二板材；在搅拌头回抽，接头逐渐冷却后，钎料凝固即形成以点焊焊点为中心扩展的焊接区域，根据该钎焊区域直径，即可确定焊点间间距，其焊点间最大间距应不超过钎焊区域直径的0.8倍。
进一步地，步骤二中所述的钎焊过程中：当搅拌头高速旋转并扎入板材达到预设深度停留后，摩擦/变形热开始在焊点附近累积并沿径向向四周扩展，当四周局部超过钎料层液相线后，钎料即发生熔化并铺展润湿第一板材和第二板材；在搅拌头回抽，接头逐渐冷却后，钎料凝固即形成以点焊焊点为中心扩展的焊接区域，根据该钎焊区域直径，即可确定焊点间间距，其焊点间最大间距应不超过钎焊区域直径的0.8倍。
本发明的有益效果是：
1、本发明克服了熔焊或电阻点焊过程中，金属熔化再凝固导致的过量脆性金属间化合物和严重的界面残余应力问题，可包括但不限于铝合金、镁合金、钛合金、铝/钢、铝/镁、铝/铜、镁/钢等多种接头形式的连接；
2、本发明通过搅拌头的大塑性变形作用同步实现搅拌摩擦点焊和钎焊过程，实现了焊接区域的重叠全覆盖，保障了接头的密封性，且该过程无熔化过程，无需较大热输入，对待焊板材热损伤小，具有较传统透胶电阻点焊-胶接复合工艺更高的接头强度；
3、本发明两步焊接过程只需一次热输入，且无需焊后胶接固化过程，大幅度节省了能源，是一种绿色制造技术，且具有方法简单、易行、连接质量好等优点。
附图说明
图1是本发明所述的点承载面密封复合连接接头形式图；
图2是本发明所述的搅拌头结构示意图；
图3是本发明所述的焊点布局图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式一种点承载面密封的复合连接工艺，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将第一板材1和第二板材3表面机械打磨并清洗干净，将第一板材1、钎料层2和第二板材3由上至下按搭接方式依次进行装夹；
第一板材1、钎料层2和第二板材3按搭接方式依次进行装夹，其中第一板材1与第二板材3为不同金属材料，第一板材1位于上方，第二板材3位于下方，钎料层2位于第一板材1和第二板材3之间；
步骤二、将搅拌摩擦点焊搅拌头4安装在搅拌摩擦焊机的主轴上，在第二板材3的下部进行刚性支撑，于第一板材1的上表面进行搅拌摩擦点焊，通过点焊的大塑性变形作用和相应的摩擦/变形热实现第一板材1、焊点区钎料层2与第二板材3之间的永久性点焊连接；同时，从而产生的摩擦/变形热使钎料层2围绕焊点5中心扩展熔化，实现第一板材1和第二板材3之间的以焊点5为中心一定范围内的钎焊接头；通过控制搅拌摩擦点焊焊点5之间间距不大于0.8倍钎焊范围直径，即可实现一道连续的焊接接头区域，从而获得具有密封性的金属接头；
步骤三、将连接后的第一板材1、第二板材3从工装上拆卸后，即完成整个点承载、面密封复合连接过程。
具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述第一板材1和第二板材3的厚度为0.5～10mm，第一板材1和第二板材3的材质包括但不限于铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金、钢等材质。
其它组成以连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述钎料层2材质为液相线温度低于第一板材熔点60％的金属材料。
所述钎料层2材质为液相线温度低于第一板材熔点60％(按开尔文温度计)的金属材料，且其熔化后应在第一板材1和第二板材3打磨清洗后表面上拥有良好的铺展润湿性。例如当第一板材1材质为铝合金(熔点约933K)，第二板材3材质为钢时，钎料层2液相线温度应不高于约560K，比如可选钎料Sn-10Zn-3Al(熔点约491K)、Sn-3Zn-1Cu-1Ni(熔点约503K)。
其它组成以连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式步骤二中所述的搅拌摩擦点焊搅拌头4包括夹持部401、过渡部402、轴肩403和搅拌针404，夹持部401、过渡部402、轴肩403和搅拌针404由上至下依次连接。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述夹持部401的外表面设有夹持面40101；过渡部402上充有散热槽40201；搅拌针404为圆台体，所述搅拌针404的外轮廓由上至下依次渐缩。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述搅拌针404上端直径为第一板材1厚度的0.5～6.0倍，下端直径为第一板材3厚度的0.3～5.0倍，搅拌针404的针长不小于第一板材1的厚度。
夹持面40101用于与搅拌摩擦焊机连接；散热槽40201用于避免焊接热量过度传递至焊机，导致搅拌摩擦焊机损伤；轴肩403直径为第一板材1厚度的2～10倍，搅拌针404的外表面可选地设置有螺纹槽或周向铣平面结构以强化材料流动，促进点焊接头成形。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述搅拌摩擦点焊搅拌头4材质包括但不限于高速工具钢、热作模具钢、硬质合金、钨铼合金等材质，且其硬度应显著高于第一板材1和第二板材3。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式步骤二中所述的搅拌摩擦点焊焊接过程为：搅拌头4高速旋转，旋转速度100～6000rpm并以10～200mm/min的速度扎入第一板材1，搅拌针404下端应扎入第二板材3，且其轴肩403边缘应扎入第一板材1上表面0.05～0.25mm，当达到该深度后，搅拌针404停止下扎并停留0～30s，然后搅拌头4回抽，完成搅拌摩擦点焊过程。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
具体实施方式九：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式步骤二中所述的钎焊过程中：当搅拌头4高速旋转并扎入板材达到预设深度停留后，摩擦/变形热开始在焊点5附近累积并沿径向向四周扩展，当四周局部超过钎料层2液相线后，钎料即发生熔化并铺展润湿第一板材1和第二板材3；在搅拌头4回抽，接头逐渐冷却后，钎料凝固即形成以点焊焊点5为中心扩展的焊接区域，根据该钎焊区域直径，即可确定焊点间间距，其焊点间最大间距应不超过钎焊区域直径的0.8倍。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
具体实施方式十：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中如第一板材1或第二板材3熔点偏高，可采用电磁线圈预热或火焰预热的方式进行局部预加热，然后再进行点承载面密封复合密封连接过程。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。
具体实施方式十一：结合图1至图3说明本实施方式，所述步骤二中如第一板材1、钎料层2或第二板材3加热态下对空气敏感，可采用氮气、惰性气体等进行全方位气氛保护。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八、九或十相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种点承载面密封的复合连接工艺，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将第一板材1和第二板材3表面机械打磨并清洗干净，将第一板材(1)、钎料层(2)和第二板材(3)由上至下按搭接方式依次进行装夹；
步骤二、将搅拌摩擦点焊搅拌头(4)安装在搅拌摩擦焊机的主轴上，在第二板材(3)的下部进行刚性支撑，于第一板材(1)的上表面进行搅拌摩擦点焊，通过点焊的大塑性变形作用和相应的摩擦/变形热实现第一板材(1)、焊点区钎料层(2)与第二板材(3)之间的永久性点焊连接；同时，从而产生的摩擦/变形热使钎料层(2)围绕焊点(5)中心扩展熔化，实现第一板材(1)和第二板材(3)之间的以焊点(5)为中心一定范围内的钎焊接头；通过控制搅拌摩擦点焊焊点(5)之间间距不大于0.8倍钎焊范围直径，即可实现一道连续的焊接接头区域，从而获得具有密封性的金属接头；
步骤三、将连接后的第一板材(1)、第二板材(3)从工装上拆卸后，即完成整个点承载、面密封复合连接过程。
2.根据权利要求1所述的一种点承载面密封的复合连接工艺，其特征在于：所述第一板材(1)和第二板材(3)的厚度为0.5～10mm，第一板材(1)和第二板材(3)的材质包括但不限于铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金、钢材质。
3.根据权利要求1所述的一种点承载面密封的复合连接工艺，其特征在于：所述钎料层(2)材质为液相线温度低于第一板材(1)熔点60％的金属材料。
4.根据权利要求1所述的一种点承载面密封的复合连接工艺，其特征在于：步骤二中所述的搅拌摩擦点焊搅拌头(4)包括夹持部(401)、过渡部(402)、轴肩(403)和搅拌针(404)，夹持部(401)、过渡部(402)、轴肩(403)和搅拌针(404)由上至下依次连接。
5.根据权利要求1所述的一种点承载面密封的复合连接工艺，其特征在于：所述夹持部(401)的外表面设有夹持面(40101)；过渡部(402)上充有散热槽(40201)；搅拌针(404)为圆台体，所述搅拌针(404)的外轮廓由上至下依次渐缩。
6.根据权利要求1所述的一种点承载面密封的复合连接工艺，其特征在于：所述搅拌针(404)上端直径为第一板材(1)厚度的0.5～6.0倍，下端直径为第一板材3厚度的0.3～5.0倍，搅拌针(404)的针长不小于第一板材(1)的厚度。
7.根据权利要求1所述的一种点承载面密封的复合连接工艺，其特征在于：所述搅拌摩擦点焊搅拌头(4)材质包括但不限于高速工具钢、热作模具钢、硬质合金、钨铼合金材质，且其硬度高于第一板材(1)和第二板材(3)。
8.根据权利要求1所述的一种点承载面密封的复合连接工艺，其特征在于：步骤二中所述的搅拌摩擦点焊焊接过程为：搅拌头(4)高速旋转，旋转速度100～6000rpm并以10～200mm/min的速度扎入第一板材(1)，搅拌针(404)下端应扎入第二板材(3)，且其轴肩(403)边缘应扎入第一板材(1)上表面0.05～0.25mm，当达到该深度后，搅拌针(404)停止下扎并停留0～30s，然后搅拌头(4)回抽，完成搅拌摩擦点焊过程。
9.根据权利要求1所述的一种点承载面密封的复合连接工艺，其特征在于：步骤二中所述的钎焊过程中：当搅拌头(4)高速旋转并扎入板材达到预设深度停留后，摩擦/变形热开始在焊点(5)附近累积并沿径向向四周扩展，当四周局部超过钎料层(2)液相线后，钎料即发生熔化并铺展润湿第一板材(1)和第二板材(3)；在搅拌头(4)回抽，接头逐渐冷却后，钎料凝固即形成以点焊焊点(5)为中心扩展的焊接区域，根据该钎焊区域直径，即可确定焊点间间距，其焊点间最大间距应不超过钎焊区域直径的0.8倍。
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