CN116748663A - 一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置及焊接方法，通过在T型接头内角设置带倒角尺寸的角模具，提前放置预置焊丝，采用阶梯状搅拌头从壁板金属插透再入到筋板金属内部，来完成焊接过程，增加T型接头有效承载面积，改善倒角处材料流动，减少T接头缺陷，从而获得成型性及力学性能较好的焊接接头。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，具体涉及一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置及焊接方法。
背景技术
铝铜异质金属焊接常采用熔焊或搅拌摩擦焊的形式进行；在铝铜异质金属进行焊接时，由于铝和铜物理化学性质差别大、冶金相容性差，如果采用熔焊形式焊接，熔焊过程中会产生大量的脆性金属间化合物，易导致凝固缺陷，难以获得满足性能的接头。搅拌摩擦焊具有热输入低、焊接变形小等优点，应用于铝铜异质金属焊接，在一定程度上可以减小脆性金属间化合物厚度，可以解决熔焊时出现的产生大量的脆性金属间化合物，易导致凝固缺陷问题，提高力学性能。
其中，搅拌摩擦焊是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状（如带螺纹圆柱体）的搅拌针伸入工件的接缝处，通过搅拌头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头与工件之间的摩擦热，使搅拌头周围的材料发生强烈塑性变形，然后随着搅拌头的移动，高度塑性变形的材料逐渐流动在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。
T型接头焊接是摩擦搅拌焊中用到的一种焊接技术，如图2所示，由壁板4和筋板5组成，将筋板与壁板以T字型结构进行焊接固定；T型接头的结构方式在不降低结构强度的同时，可承受多种方向的力，一定程度上减缓了材料的重量。但是，目前铝铜异种合金采用T型焊接时存在的问题是：T型接头内角为T型结构的外形突变处，也是应力集中处，其特殊结构和铝铜异种合金性能差异使其在搅拌摩擦焊过程中壁板4与筋板5内角过渡处容易出现虫洞、隧道、原始线弱连接（吻接）的缺陷，焊缝残余应力较大，严重制约了异种金属搅拌摩擦焊T接头在工程上的应用。
如在专利申请号为CN201610927471.6的发明专利中，公开了一种开槽的异种金属T型搅拌摩擦焊方法；该方法主要对筋条（相当于本方案中的筋板5）顶部加工成条状开口槽，开口槽内填充纯钛粉或TiN粉末，其主要目的是部分粉末与铝基反应，生成金属铝化物，部分粉末作为第二项粒子细化晶粒，提高焊核区组织和力学性能。但是该技术方案中存在以下问题：
1、该技术方案中的搅拌头下方只设有轴肩与搅拌针两部分，搅拌针为侧壁带螺纹的圆台型，所以搅拌针的侧壁带有倾斜角度，其根部直径大于顶部直径，而在实际操作过程中，搅拌头整体还会有一定的倾斜，所以在搅拌针在下压过程中控制难度过大，很容易在下压过量后，搅拌针的根部超过筋条厚度，并于夹持筋条的刚性夹具 发生碰撞，从而损坏搅拌头寿命。
2、其次，该技术方案中的轴肩插入母材后，在旋转过程中产生大量飞边，飞边会导致薄板（相当于本方案中的壁板4）在焊接处的厚度变小，壁板焊接位置厚度变小也会降低材料的焊接性能。
3、该技术方案中的轴肩部分距离T型接头的夹角位置过远，导致轴肩部分的摩擦热量不能有效传递到T型接头处，导致了T型接头夹角处热输入低，塑性流动差。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明提供了一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置及焊接方法，通过在T型接头内角设置带倒角尺寸的角模具，提前放置预置焊丝，采用阶梯状搅拌头从壁板金属插透再入到筋板金属内部，来完成焊接过程，增加T型接头有效承载面积，改善倒角处材料流动，减少T接头缺陷，从而获得成型性及力学性能较好的焊接接头。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置，包括底座、搅拌头和角模具，所述底座中部设有筋板的固定工位；所述筋板的固定工位的两侧的底座上对称设有角模具，所述角模具通过固定装置与底座固定；所述角模具相对侧的顶部设有倒角；所述搅拌头由棱台状针，圆台状针，轴肩依次连接，形成阶梯状结构；所述搅拌头安装在搅拌摩擦焊设备上后，沿T型接头的焊接区域进行移动。
优选地，所述固定装置包括第一夹板、垫板和垫块；所述垫板叠放于底座表面；所述垫板位于角模具的外侧；所述垫板与第一夹板上穿设有螺栓；所述第一夹板分为夹板与压板；所述第一夹板的端部挤压贴合角模块的背部；所述压板压在壁板的表面。
优选地，所述固定装置的背部设有挡板；所述挡板的背部通过第二夹板挤压固定；所述第二夹板通过螺栓固定。
优选地，所述棱台状针与圆台状针为一体成型。
一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊焊接方法，使用上述中一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置焊接，其步骤如下：
步骤1，对所述壁板与筋板的接触面以及角模具的倒角、预置焊丝进行清洗并打磨去除氧化层；
步骤2，将筋板待焊面向上，垂直放置于筋板的固定工位，两侧用角模具夹持，控制角模具的上表面与筋板的上表面齐平，所述角模具通过固定装置与底座固定；
步骤3，在所述筋板和所述角模具的倒角形成的间隙内放置焊丝，再将壁板待焊面向下，水平放置在所述筋板的顶部，并通过固定装置固定；
步骤4，阶梯状搅拌头安装在搅拌摩擦焊设备上，搅拌头的轴中心与筋板厚度中心线重合，设置搅拌摩擦焊焊接参数并运行至待焊位置；
步骤5，旋转的搅拌头插入待焊区起始位置，此时搅拌头从筋板插透进入筋板金属，达到热塑性状态后，搅拌头沿着筋板中心线开始移动，焊接过程中，原倒角间隙位置沿着焊缝形成坡面，直到终点位置结束焊接，抽出搅拌头，关闭搅拌摩擦焊设备；
步骤6，待焊接位置冷却后松开固定装置，取下焊件，完成焊接过程。
优选地，所述圆台状针的直径L大于两个角模具之间的倒角外边F的间距0～3mm，圆台状针长度小于壁板厚度0.3～0.5mm;所述棱台状针的最大外切圆直径S小于两个角模具之间的倒角外边F的间距1～2mm；棱台状针的最小外切圆直径T小于筋板厚度1mm。
优选地，所述搅拌头从壁板上表面插入至筋板，旋转速度范围为200～2500rpm；所述搅拌头轴中心与垂直放置的筋板中心重合，沿着筋板中心位置匀速行走，行走速度15～100mm/min，所述搅拌头下压0.2～0.5mm，搅拌头倾角2～3.5°。
优选地，所述搅拌头摩擦搅拌焊接过程中，轴肩的台面与壁板贴合。
优选地，所述壁板和筋板为铝合金或纯铜材质制成的异种金属板材；所述壁板和筋板的厚度为3～6mm。
优选地，所述焊丝成分为纯铝或铝合金。
优选地，所述角模具的倒角为45°。
本发明有益效果有以下几点：
1、本发明利用棱台状针充分搅拌筋板金属并预置焊丝，完成角模具倒角间隙的填充成型，对T型结构夹角位置也进行了填充，使夹角位置形成坡面；实现了T接头角焊缝圆滑过渡，使T型接头沿壁板方向和筋板方向的力学性能得到提升。避免了虫洞、隧道、原始线弱连接的缺陷，降低了焊缝残余应力。
2、阶梯状搅拌头具有棱台状针与圆台状针之间形成的阶梯，圆台状针起到“小轴肩”作用，圆台状针的阶梯结构部分拉近了搅拌头旋转摩擦位置与T型接头的夹角位置，使轴肩部分的摩擦热量有效传递到T型接头夹角处，进而提高了T型接头夹角处的热输入与塑性流动；
3.通过棱台状针结构有效减少筋板材料垂直向壁板方向流动，解决了铝铜异种材料T型接头壁板与筋板两种金属大量混合困难的问题，降低了金属间化合物的生成，提高T型接头质量。
4.由于该搅拌头的轴肩贴合于壁板表面，在圆台状针降插入壁板旋转过程中，倒角处的间隙受到焊丝的有效填充，不需要大的下压量，并且通过轴肩贴合壁板表面，从而避免了大量产生飞边的缺陷，飞边减少，那么从而降低了飞边对壁板厚度的影响，提高了材料焊接后的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的角模具与筋板装配示意图。
图2为本发明的搅拌头与筋板位置关系示意图。
图3为本发明的搅拌摩擦焊接状态示意图。
图4为本发明的搅拌头结构示意图。
图5为本发明的夹具安装固定示意图。
图6为本发明在实施例1的焊接条件下获得的铝铜异种金属搅拌摩擦焊壁板上表面宏观形貌。
图7为本发明在实施例1的焊接条件下获得的铝铜异种金属搅拌摩擦焊倒角处成形宏观形貌。
图8为本发明在实施例1的焊接条件下获得的铝铜异种金属搅拌摩擦接头横截面。
图9为本发明在现有焊接方式下无预置焊丝铝铜异种金属搅拌摩擦接头横截面。
图10为本发明在放置预置焊丝情况下沿壁板方向的断口扫描图片。
图11为本发明在放置预置焊丝情况下沿筋板方向断口扫描图片。
图中，搅拌头1, 棱台状针1.1，圆台状针1.2，轴肩1.3，固定装置2，第一夹板2.1，垫板2.2，垫块2.3，压板2.4，第二夹板2.5，挡板2.6，角模具3，倒角3.1，壁板4，筋板5，焊丝6，底座7。
具体实施方式
如图所示，一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置及焊接方法；其中该装置主要包括底座7、搅拌头1和角模具3，底座7中部设有筋板的固定工位；筋板的固定工位的两侧的底座7上对称设有角模具3，角模具3通过固定装置2与底座7固定；角模具3相对侧的顶部设有倒角3.1，角模具3的倒角3.1为45°。搅拌头1由棱台状针1.1，圆台状针1.2，轴肩1.3依次连接，形成阶梯状结构；搅拌头1安装在搅拌摩擦焊设备上后，沿T型接头的焊接区域进行移动；棱台状针1.1与圆台状针1.2为一体成型。
进一步的，固定装置2具体包括：第一夹板2.1、垫板2.2和垫块2.3；垫板2.2叠放于底座7表面；垫板2.2位于角模具3的外侧；垫板2.2与第一夹板2.1上穿设有螺栓；第一夹板2.1分为夹板与压板2.4；第一夹板2.1的端部挤压贴合角模块的背部；压板2.4压在壁板4的表面。固定装置2的背部设有挡板2.6；挡板2.6的背部通过第二夹板2.5挤压固定；第二夹板2.5也通过螺栓固定，挡板2.6防止焊接过程中壁板4出现水平方向受力后移动。
一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊焊接方法，使用上述装置完成，其步骤如下：
第一步，对所述壁板4与筋板的接触面以及角模具3的倒角3.1、预置焊丝进行清洗并打磨去除氧化层；
第二步，将筋板待焊面向上，垂直放置于筋板的固定工位，两侧用角模具3夹持，控制角模具3的上表面与筋板的上表面齐平，所述角模具3通过固定装置2与底座7固定；
第三步，在所述筋板和所述角模具3的倒角3.1形成的间隙内放置焊丝，再将壁板4待焊面向下，水平放置在所述筋板的顶部，并通过固定装置2固定；
第四步，阶梯状搅拌头1安装在搅拌摩擦焊设备上，搅拌头1的轴中心与筋板厚度中心线重合，设置搅拌摩擦焊焊接参数并运行至待焊位置；
第五步，旋转的搅拌头1插入待焊区起始位置，此时搅拌头1从筋板插透进入筋板金属，达到热塑性状态后，搅拌头1沿着筋板中心线开始移动，焊接过程中，原倒角3.1间隙位置沿着焊缝形成坡面，直到终点位置结束焊接，抽出搅拌头1，关闭搅拌摩擦焊设备；
第六步，待焊接位置冷却后松开固定装置2，取下焊件，完成焊接过程。
上述步骤中，搅拌头1参数具体控制如下：圆台状针1.2的直径L大于两个角模具3之间的倒角3.1外边F的间距0～3mm，圆台状针1.2长度小于壁板4厚度0.3～0.5mm;棱台状针1.1的最大外切圆直径S小于两个角模具3之间的倒角3.1外边F的间距1～2mm；棱台状针1.1的最小外切圆直径T小于筋板5厚度1mm。搅拌头1的旋转速度与位置关系进行如下设置：搅拌头1从壁板4上表面插入至筋板，旋转速度范围为200～2500rpm；所述搅拌头1轴中心与垂直放置的筋板中心重合，沿着筋板中心位置匀速行走，行走速度15～100mm/min，所述搅拌头1下压0.2～0.5mm，搅拌头1倾角2～3.5°；搅拌头1摩擦搅拌焊接过程中，轴肩1.3的台面与壁板4贴合。受到轴肩1.3挤压后避免了飞边大量生成，进而降低了壁板4的厚度的影响。
需要焊接的壁板4和筋板为铝合金或纯铜材质制成的异种金属板材；壁板4和筋板的厚度为3～6mm；而预置的焊丝成分为纯铝或铝合金。
实施例1：
如图8-10所示，以选取4mm厚的紫铜作为筋板5，4mm厚的6061铝合金作为壁板4，直径为1.6mm的6061铝合金预置焊丝6，作为预置焊丝6。将角模具3的倒角3.1加工为45°，边长2.1mm。清洗和打磨筋板5、壁板4及预置焊丝6；将4mm筋板5垂直放置在两个带倒角3.1的角模具3之间，角模具3带倒角3.1侧分别位于筋板5两侧，且对称放置，带倒角3.1的角模具3与筋板5结合面平齐；在两个倒角3.1处各放置一根预置焊丝6； 6061铝合金壁板4放置于有倒角3.1一侧的角模具3和筋板5之上，并用固定装置2固定牢靠，此时筋板5、预置焊丝6和壁板4被完全固定。
在焊接过程中旋转搅拌针带动塑性金属流动，搅拌针周围形成塑性金属流动的流场，轴肩1.3为流场上边界，带倒角3.1的角模具3为流场下边界，流场金属包括圆台状针1.2搅拌壁板4金属，棱台状针1.1搅拌预置焊丝6和筋板5金属，棱台状针1.1与圆台状针1.2之间成形小平台，具有“小轴肩”作用，在两相金属交界面处有效阻止其大量混合，棱台状针1.1最大尺寸大于筋板5厚度，能够使壁板4、筋板5金属及预置焊丝6之间达到原子级接触，从而实现异种金属之间的冶金结合。
如图7-10所示，预置6061-T6铝合金和5356铝合金预置焊丝6条件下：
1、获得的铝铜异种金属搅拌摩擦焊壁板4上表面宏观形貌，均可获得良好的焊缝表面质量，未发现铝铜大量互混而恶化焊缝表面形貌。
2、获得的铝铜异种金属搅拌摩擦焊倒角3.1处成形宏观形貌，可见内角填充饱满，无沟槽、裂纹等缺陷。
3、获得的铝铜异种金属搅拌摩擦焊接头横截面图，焊缝成形良好，T型接头内角过渡处填充，无沟槽、隧道、虫洞等明显宏观缺陷。
4、获得的铝铜异种金属搅拌摩擦焊接头沿壁板4方向、沿筋板5方向力学性能优良。断口沿壁板4方向呈现典型韧性断裂，沿筋板5方向呈现混合型断裂。
如图11所示，通过现有技术的搅拌头1在旋转搅拌过程中，旋转搅拌针带动塑性金属流动，搅拌针周围形成塑性金属流动的流场，由于现有的搅拌头1轴肩1.3进入壁板4，搅拌头1周围产生大量飞边，并且在两相金属交界面处大量混合，壁板4厚度变薄的同时，现有的T型接头在现有技术的焊接下与使用该方法下的T型接头焊缝表面形貌相比明显存在缺陷。
如下表所示，利用预置焊丝在铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置操作该焊接方法后，抗拉性能参数如下。
表1
上述中如未单独介绍其固定方式，皆使用业内技术人员通用技术手段焊接或螺纹紧固。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置，包括底座、搅拌头和角模具，其特征在于：所述底座中部设有筋板的固定工位；所述筋板的固定工位的两侧的底座上对称设有角模具，所述角模具通过固定装置与底座固定；所述角模具相对侧的顶部设有倒角；所述搅拌头由棱台状针，圆台状针，轴肩依次连接，形成阶梯状结构；所述搅拌头安装在搅拌摩擦焊设备上后，沿T型接头的焊接区域进行移动。
2.根据权利要求1所述的一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述固定装置包括第一夹板、垫板和垫块；所述垫板叠放于底座表面；所述垫板位于角模具的外侧；所述垫板与第一夹板上穿设有螺栓；所述第一夹板分为夹板与压板；所述第一夹板的端部挤压贴合角模块的背部；所述压板压在壁板的表面。
3.根据权利要求2所述的一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述固定装置的背部设有挡板；所述挡板的背部通过第二夹板挤压固定；所述第二夹板通过螺栓固定。
4.根据权利要求1所述的一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述棱台状针与圆台状针为一体成型。
5.一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊焊接方法，使用如权利要求2所述的一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置焊接，其特征在于，其步骤如下：
步骤1，对所述壁板与筋板的接触面以及角模具的倒角、预置焊丝进行清洗并打磨去除氧化层；
步骤2，将筋板待焊面向上，垂直放置于筋板的固定工位，两侧用角模具夹持，控制角模具的上表面与筋板的上表面齐平，所述角模具通过固定装置与底座固定；
步骤3，在所述筋板和所述角模具的倒角形成的间隙内放置焊丝，再将壁板待焊面向下，水平放置在所述筋板的顶部，并通过固定装置固定；
步骤4，阶梯状搅拌头安装在搅拌摩擦焊设备上，搅拌头的轴中心与筋板厚度中心线重合，设置搅拌摩擦焊焊接参数并运行至待焊位置；
步骤5，旋转的搅拌头插入待焊区起始位置，此时搅拌头从筋板插透进入筋板金属，达到热塑性状态后，搅拌头沿着筋板中心线开始移动，焊接过程中，原倒角间隙位置沿着焊缝形成坡面，直到终点位置结束焊接，抽出搅拌头，关闭搅拌摩擦焊设备；
步骤6，待焊接位置冷却后松开固定装置，取下焊件，完成焊接过程。
6.根据权利要求5所述的一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于：所述搅拌头从壁板上表面插入至筋板，旋转速度范围为200～2500rpm；所述搅拌头轴中心与垂直放置的筋板中心重合，沿着筋板中心位置匀速行走，行走速度15～100mm/min，所述搅拌头下压0.2～0.5mm，搅拌头倾角2～3.5°。
7.根据权利要求5所述的一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于：所述搅拌头摩擦搅拌焊接过程中，轴肩的台面与壁板贴合。
8.根据权利要求5所述的一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于：所述壁板和筋板为铝合金或纯铜材质制成的异种金属板材；所述壁板和筋板的厚度为3～6mm。
9.根据权利要求5所述的一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于：所述焊丝成分为纯铝或铝合金。
10.根据权利要求1所述的一种预置焊丝的铝铜异种金属搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述角模具的倒角为45°。
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