CN115870608A - 一种用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法，待焊金属A放置于待焊金属B的下方，焊接前，在待焊金属A的上表面或者待焊金属B的下表面预置金属界面层；焊接时，使无针搅拌头作用在待焊金属B的上表面，实时控制无针搅拌头的下压量，并监测焊接过程中的温度变化，得到冶金连接的异种金属。本发明利用磁控溅射制备的界面层厚度及种类可控的特点，结合无针搅拌摩擦焊的优势，在不破坏两金属间界面层结构完整性的条件下，实现异种金属的冶金连接；并且精确控制压下量，实时监测各参数下工件特定区域的温度变化，并基于温度变化规律识别成形及性能的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属焊接的方法，尤其涉及一种用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法。
背景技术
异种金属结构件能够满足不同部位的性能要求，尤其是对腐蚀，磨损，强度等性能有特殊需求的位置。异种金属焊接时也能够采用廉价金属或轻质金属替代部分贵重或稀有金属，节约生产成本。
现有研究指出，异种金属连接时金属间化合物是主要连接介质，而异种金属焊接过程中形成的化合物种类、分布及数量等受焊接热源及参数的影响较大，除此之外，化合物往往呈现出硬而脆的特点，因此，焊接过程中大量的金属间化合物作为连接介质容易产生裂纹。
而现有技术中的异种金属连接时主要是通过控制焊缝中金属间化合物的成分、形状、数量及分布来减少或抑制裂纹的产生，但是受焊接热源及参数的影响较大，效果并不明显。尤其对于难固溶不反应异种金属焊接，接头性能不稳定。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能避免破坏两金属间界面层结构完整性的用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法。
技术方案：本发明所述的用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法，待焊金属A放置于待焊金属B的下方，焊接前，在待焊金属A的上表面或者待焊金属B的下表面预置金属界面层；焊接时，使无针搅拌头作用在待焊金属B的上表面，实时控制无针搅拌头的下压量，并监测焊接过程中的温度变化，得到冶金连接的异种金属。
其中，控制所述无针搅拌头端面下压量为待焊金属B厚度的10％～90％。
其中，所述待焊金属B的上表面搅拌区深度约为0.05～0.3mm。
其中，所述异种金属为镁合金/钢、镁合金/钛合金、镁合金/铝合金、钛合金/钢、铝合金/钛合金中的任意一种。
其中，所述金属界面层的种类包括纯金属、金属间化合物、固溶体或中高熵合金中的一种。
其中，所述金属界面层的厚度为纳米级。
其中，预置金属界面层的方法为：采用磁控溅射的方法，在待焊金属A的上表面或者待焊金属B的下表面预置厚度为30～1000nm的薄膜。
其中，在待焊金属A表面预置金属界面层进行搭接焊时，首先将两金属在砂纸上打磨光滑，采用超声振动进行清洗，然后在下部待焊金属表面预置一层纳米级厚度界面层，无针搅拌头作用在待焊金属上部，最终获得待焊金属A/金属界面层/待焊金属B界面结构搭接接头。
在裸露金属表面直接焊接指异种金属焊接前，分别对待焊面进行表面处理，两种金属分别在砂纸上打磨光滑，然后采用超声振动进行清洗，将两种金属待焊面贴合在一起，进行无针搅拌摩擦搭接点焊。
其中，所述无针搅拌头的转速为500～20000r/min，点焊时间为5-120s。无针搅拌头与垂直面呈1～5°偏角。
其中，所述无针搅拌头端面形状为平面、渐开线凹槽或圆环凹槽中的一种。
其中，所述点焊区域为距离搅拌头垂直圆柱面1～10mm。
其中，异种金属无针搅拌摩擦点焊时，采用搭接结构进行焊接，无针搅拌头作用在上部金属上；当两金属中熔点相对较低的金属在上部时，优选通过固相焊的方式进行连接；当两金属中熔点更高的金属在上部时，既可通过固相焊的方式连接，又可通过熔钎焊的方式连接。
上述方法所使用的装置，包括监控系统，所述监控系统包括距离传感器、红外测温系统、电脑显示输出端以及压下量控制系统。
其中，所述距离传感器与红外测温系统固定于主轴上，所述距离传感器用于测量传感器至工件上表面距离，传感器量程为30～70mm，精度为20μm。
压下量的设置通过以下操作方法：首先对距离传感器与无针搅拌头端部最低位置的距离进行测量，该距离值为固定值H，然后对距离传感器与工件上表面的距离进行实时监测，该距离值设定为h，工件实际压下量即为H-h，所述压下量控制系统通过调节距离传感器与工件上表面的实际距离来设置压下量。
红外测温系统采用激光选区的方式，监测特定区域的温度变化，所述特定区域为工件上表面距离搅拌头的特定位置，该特定区域距离搅拌头垂直圆柱面1～10mm，点焊过程中，该激光选择区域的位置固定不变。优选所述红外测温系统温度分辨率为0.1℃，设定红外线的温度测量范围为50℃-800℃，更优选为228～276℃；所述红外测温系统是监测压下量与温度场映射关系的重要装置，在固定参数下，温度场差异越小，点焊接头成形及性能稳定性越高。
发明原理：针对异种金属焊接过程中的难点，本发明提出采用磁控溅射的方法在金属表面预置界面层，为确保焊接过程中界面层结构的完整性，同时使界面层与两侧母材金属产生反应、实现冶金连接，即，隔断两侧金属反应，同时促进界面层两侧金属反应，保证反应后膜结构仍具有完整性、连续性。本发明采用无针搅拌摩擦点焊的方式实现异种金属的连接，无针搅拌头的作用既减少了界面附近金属的流动、保证界面层结构完整性，又产生了热、力作用，促进界面冶金反应。无针搅拌摩擦点焊过程中通过控制搅拌头旋转速度、焊接时间以及压下量实现异种金属成形，采用红外测温系统实时监测各参数下成形及性能的稳定性。
有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)利用磁控溅射制备的界面层厚度及种类可控的特点，结合无针搅拌摩擦焊的优势，在不破坏两金属间界面层结构完整性的条件下，实现异种金属的冶金连接；(2)精确控制压下量，实时监测各参数下工件特定区域的温度变化，并基于温度变化规律识别成形及性能的稳定性；(3)界面层以及无针搅拌摩擦点焊方法的引入，既促进了难固溶不反应异种金属的界面反应，又隔绝了易反应异种金属的过度反应，有利于焊缝力学性能的提升，进一步拓展了异种金属连接结构，且焊接方法简单，便于批量生产。
附图说明
图1为无针搅拌摩擦点焊示意图；
图2为镁合金/钢焊缝横截面图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种镁合金/钢无针搅拌摩擦点焊的方法，选择应用比较广泛的AZ31镁合金薄板和汽车用22MnB5高强钢薄板作为异质金属连接材料，其厚度均为1.0mm，其中AZ31镁合金薄板抗拉强度在270MPa左右，而22MnB5高强钢抗拉强度接近1600MPa。具体包括如下步骤：
(1)纳米级厚度Fe2Al5界面层制备：
第一步：Fe2Al5合金靶材制备
采用粉末冶金技术，将Fe和Al原子按2:5比例，制备直径75mm、厚度2mm的合金靶材。
第二步：钢板和镁板表面处理
采用2500#砂纸将22MnB5高强钢板和AZ31镁合金板表面打磨光滑，然后进行抛光，采用超声振动进行清洗，获得表面干净、完全裸露的钢板和镁合金板。
第三步：钢板表面沉积薄膜
采用磁控溅射轰击Fe2Al5合金靶材，靶原子溅出并沉积在裸露新鲜表面的22MnB5高强钢上，溅射功率100W，溅射时间2h，Fe2Al5薄膜厚度为180nm。
(2)镁合金/钢异种金属无针搅拌摩擦点焊
第一步：镁合金板和钢板装配
将预置界面层的22MnB5高强钢板固定在特定夹具上，高强钢板在下部，界面层朝上，然后将裸露新鲜表面的镁合金置于高强钢的上部，采用固定夹具固定镁合金。
第二步：压下量设定
首先对距离传感器与无针搅拌头端部最低位置的距离进行测量，该距离值为固定值H，然后对距离传感器与工件上表面的距离进行实时监测，该距离值为变化值，设定为h，工件实际压下量即为H-h，压下量控制系统通过调节距离传感器与工件上表面的实际距离来设置压下量；
第三步：无针搅拌摩擦点焊
如图1所示，为无针搅拌摩擦点焊的制备流程，其中图1中的(a)为起焊阶段，图1中的(b)为点焊阶段，图1中的(c)为升起阶段。无针搅拌头端面为渐开线形式，搅拌头直径为10mm，焊接时搅拌头直接作用在上部金属上，压下量为上部金属厚度的90％，即该工艺参数下压下量为0.9mm，搅拌头的转速为2000r/min，焊接时间为60s，所述无针搅拌头与垂直面呈2°偏角；
第四步：温度场监测
红外测温系统采用激光选区的方式，监测特定区域的温度变化，该特定区域距离搅拌头垂直圆柱面5mm，点焊过程中，该激光选择区域的位置固定不变，红外测温系统温度分辨率为0.1℃，设定红外线的温度测量为233℃，红外测温系统是监测压下量与温度场映射关系的重要装置，在固定参数下，温度场差异越小，点焊接头成形及性能稳定性越高。
图2为镁合金/钢搭接焊试样，采用无针搅拌摩擦点焊方法获得了较好的接头，当压下量为0.9mm时，其接头剪切强度为1.2kN，搅拌区深度为0.1mm。
实施例2
一种镁合金/钢无针搅拌摩擦点焊的方法，选择应用比较广泛的AZ31镁合金薄板和汽车用22MnB5高强钢薄板作为异质金属连接材料，其厚度均为1.0mm，其中AZ31镁合金薄板抗拉强度在270MPa左右，而22MnB5高强钢抗拉强度接近1600MPa。具体包括如下步骤：
(1)纳米级厚度Fe2Al5界面层制备：
第一步：Fe2Al5合金靶材制备
采用粉末冶金技术，将Fe和Al原子按2:5比例，制备直径75mm、厚度2mm的合金靶材。
第二步：钢板和镁板表面处理
采用2500#砂纸将22MnB5高强钢板和AZ31镁合金板表面打磨光滑，然后进行抛光，采用超声振动进行清洗，获得表面干净、完全裸露的钢板和镁合金板。
第三步：钢板表面沉积薄膜
采用磁控溅射轰击Fe2Al5合金靶材，靶原子溅出并沉积在裸露新鲜表面的22MnB5高强钢上，溅射功率100W，溅射时间2h，Fe2Al5薄膜厚度为180nm。
(2)镁合金/钢异种金属无针搅拌摩擦点焊
第一步：镁合金板和钢板装配
将预置界面层的22MnB5高强钢板固定在特定夹具上，高强钢板在下部，界面层朝上，然后将裸露新鲜表面的镁合金置于高强钢的上部，采用固定夹具固定镁合金。
第二步：压下量设定
首先对距离传感器与无针搅拌头端部最低位置的距离进行测量，该距离值为固定值H，然后对距离传感器与工件上表面的距离进行实时监测，该距离值为变化值，设定为h，工件实际压下量即为H-h，压下量控制系统通过调节距离传感器与工件上表面的实际距离来设置压下量；
第三步：无针搅拌摩擦点焊
无针搅拌头端面为渐开线形式，搅拌头直径为10mm，焊接时搅拌头直接作用在上部金属上，压下量为上部金属厚度的10％，即该工艺参数下压下量为0.1mm，搅拌头的转速为2500r/min，焊接时间为90s，所述无针搅拌头与垂直面呈2°偏角。
第四步：温度场监测
红外测温系统采用激光选区的方式，监测特定区域的温度变化，该特定区域距离搅拌头垂直圆柱面5mm，点焊过程中，该激光选择区域的位置固定不变，红外测温系统温度分辨率为0.1℃，设定红外线的温度测量为276℃，红外测温系统是监测压下量与温度场映射关系的重要装置，在固定参数下，温度场差异越小，点焊接头成形及性能稳定性越高。
采用无针搅拌摩擦点焊方法获得了较好的接头，当压下量为0.1mm时，其接头剪切强度为0.2kN，搅拌区深度为0.1mm。
实施例3
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是：Fe2Al5薄膜厚度为30nm；无针搅拌头的转速为500r/min，点焊时间为120s；无针搅拌头与垂直面呈1°偏角；搅拌区深度为0.05mm；点焊区域为距离搅拌头垂直圆柱面1mm。
实施例4
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是：Fe2Al5薄膜厚度为1000nm；无针搅拌头的转速为20000r/min，点焊时间为5s；无针搅拌头与垂直面呈5°偏角；搅拌区深度为0.3mm；点焊区域为距离搅拌头垂直圆柱面10mm。
对比例
镁合金/无预置薄膜钢无针搅拌摩擦点焊方法的步骤如下：
选择应用比较广泛的AZ31镁合金薄板和汽车用22MnB5高强钢薄板作为异质金属连接材料，其厚度均为1.0mm，其中AZ31镁合金薄板抗拉强度在270MPa左右，而22MnB5高强钢抗拉强度接近1600MPa。
(1)钢板和镁板表面处理
采用2500#砂纸将22MnB5高强钢板和AZ31镁合金板表面打磨光滑，然后进行抛光，采用超声振动进行清洗，获得表面干净、完全裸露的钢板和镁合金板。
(2)镁合金/无预置薄膜钢异种金属无针搅拌摩擦点焊
第一步，镁合金板和钢板装配
将预置界面层的22MnB5高强钢板固定在特定夹具上，高强钢板在下部，然后将裸露新鲜表面的镁合金与钢板贴合，置于高强钢的上部，采用夹具固定镁合金。
第二步，压下量设定
首先对距离传感器与无针搅拌头端部最低位置的距离进行测量，该距离值为固定值H，然后对距离传感器与工件上表面的距离进行实时监测，该距离值为变化值，设定为h，工件实际压下量即为H-h，压下量控制系统通过调节距离传感器与工件上表面的实际距离来设置压下量；
第三步，无针搅拌摩擦点焊
无针搅拌头端面为渐开线形式，搅拌头直径为10mm，焊接时搅拌头直接作用在上部金属上；压下量为上部金属厚度的50％，即该工艺参数下压下量为0.5mm，搅拌头的转速为2000r/min，焊接时间为60s，所述无针搅拌头与垂直面呈2°偏角。
第四步，温度场监测
红外测温系统采用激光选区的方式，监测特定区域的温度变化，该特定区域距离搅拌头垂直圆柱面5mm，点焊过程中，该激光选择区域的位置固定不变，红外测温系统温度分辨率为0.1℃，设定红外线的温度测量为228℃，红外测温系统是监测压下量与温度场映射关系的重要装置，在固定参数下，温度场差异越小，点焊接头成形及性能稳定性越高。
镁合金/无预置薄膜钢采用无针搅拌摩擦点焊时，在压下量为0.5mm，转速为2000r/min，焊接时间为60s工艺参数下，能够获得较好成形及性能较好接头，其接头剪切强度接近1.3kN，界面层厚度10μm，主要为Fe-Al化合物。
Claims (9)
1.一种用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法，待焊金属A放置于待焊金属B的下方，其特征在于，焊接前，在待焊金属A的上表面或者待焊金属B的下表面预置金属界面层；焊接时，使无针搅拌头作用在待焊金属B的上表面，实时控制无针搅拌头的下压量，并监测焊接过程中的温度变化，得到冶金连接的异种金属。
2.根据权利要求1所述用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法，其特征在于，控制所述无针搅拌头端面下压量为待焊金属B厚度的10％～90％。
3.根据权利要求1所述用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法，其特征在于，所述待焊金属B的上表面搅拌区深度约为0.05～0.3mm。
4.根据权利要求1所述用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法，其特征在于，所述异种金属为镁合金/钢、镁合金/钛合金、镁合金/铝合金、钛合金/钢、铝合金/钛合金中的任意一种。
5.根据权利要求1所述用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法，其特征在于，所述金属界面层的种类包括纯金属、金属间化合物、固溶体或中高熵合金中的一种。
6.根据权利要求1所述用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法，其特征在于，预置金属界面层的方法为：采用磁控溅射的方法，在待焊金属A的上表面或者待焊金属B的下表面预置厚度为30～1000nm的薄膜。
7.根据权利要求1所述用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法，其特征在于，所述无针搅拌头的转速为500～20000r/min，点焊时间为5-120s。
8.根据权利要求1所述用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法，其特征在于，所述无针搅拌头与垂直面呈1～5°偏角。
9.根据权利要求1所述用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法，其特征在于，所述点焊区域为距离搅拌头垂直圆柱面1～10mm。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202211344045.1A CN115870608A (zh) | 2022-10-31 | 2022-10-31 | 一种用于异种金属无针搅拌摩擦点焊的方法 |
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Publications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116352248A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-06-30 | 兰州理工大学 | 一种镁合金表面制备改性层的方法及镁合金 |
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2022
- 2022-10-31 CN CN202211344045.1A patent/CN115870608A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116352248A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-06-30 | 兰州理工大学 | 一种镁合金表面制备改性层的方法及镁合金 |
| CN116352248B (zh) * | 2023-04-13 | 2023-11-03 | 兰州理工大学 | 一种镁合金表面制备改性层的方法及镁合金 |
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