专利名称：厚铝板与坚硬异种材料的分步搅拌摩擦钎焊法的制作方法
技术领域：
本发明属于焊接领域，涉及一种分步搅拌摩擦钎焊法，尤其是一种厚铝板与坚硬异种材料的分步搅拌摩擦钎焊法。
背景技术：
目前，在城市轻轨所用铝/不锈钢接触轨的制备方面，为提高抗振动能力，消除火花，增大导电面积，出现用焊接技术代替传统挤压技术的需求趋势。然而，铝材与坚硬异种材料(如不锈钢、铜、钛、钢)的焊接是一古老的技术难题，迄今仍未建立起公认的质优价廉的工艺。而且，随板厚增大或焊接面积的增大，焊接难度也增大。以铝/不锈钢(A1/SUS)为例，这是一种典型的难焊组合，无论采用弧焊方法还是钎焊方法都十分困难[1]。其原因在于除了易于形成金属间化合物外，还有两者的表面氧化膜均难以破除，且两者与钎料的反应存在很大差异。当采用弧焊方法时，与铝/钢组合相同，主要是i^e-Al金属间化合物(IMC) 会使接头脆化。当采用钎焊方法时，虽然在钎焊过程中母材为固态而有利于避免金属间化合物迅速、过度增厚，但两者表面的氧化膜均致密、稳定、难熔、强固而难以破除，由此导致钎料对母材的润湿性变差。鉴于铝/不锈钢电弧焊可焊性极差，以下主要综述其钎焊技术发展概况。早在1999年，瑞士的Roulin等人用Al_12Si共晶钎料和氟化物钎剂K3AlF6-KAl F4在6001温度下炉中钎焊铝和不锈钢，保温时间为10分钟时规范下获得的接头剪切强度最高，但该最大剪切强度也仅为21MPa ；接头强度低的原因在于界面区存在两个不同反应层 FeSiAl5 和 FeAl/2』。日本东京工业大学Liu与Suzumura采用Al_12Si钎料配合F19钎剂(由氯化物、 氟化物组成的活性钎剂)进行了纯铝/不锈钢的钎焊实验M。有必要强调指出，这种组合的钎焊过程实质为异种金属的过渡液相扩散焊。其试验结果表明，对于这种异种金属的过渡液相扩散焊，Al-12Si钎料与两种母材的反应速度不同，即Si原子会迅速扩散入铝母材之内(特别当使用含有的钎剂时，Si向铝母材中的扩散还会被进一步加速)，但Al-12Si 钎料与不锈钢的反应速度缓慢，由此导致Al-12Si钎料在尚未与不锈钢母材发生作用之前过早等温凝固，这样尽管铝/钎料界面结合尚可，但铝/不锈钢界面结合极差。此外，由于采用了钎剂，焊后还必须附加清理钎剂的工序，以防钎剂对铝母材的腐蚀。日本大阪大学才田一幸提出了在不锈钢一侧预先制备软质Ag、Cu, Ni活化层的技术方案te]。最近，吴铭芳对采用Cu箔进行Al/Cu/SUS(Cu箔厚10 μ m, 570°C X20minX0. IMPa)的接触反应钎焊(contactreactive brazing)，长时间保温后，虽界面渐趋致密，但仍有大量Cu未扩散如Al母材，包含IMC的反应区域宽度接近50 μ m，IMC 的厚度有待进一步减小[6]。另有法国与日本研究人员采用激光钎焊工艺，虽热输入小，有利于抑制金属间化合物过度增厚，但仍需要钎剂去膜，而且设备投资高昂[7』。近年来，国内哈尔滨工业大学对铝/不锈钢焊接进行了较为系列的研究。提出的主要方法有接触反应钎焊、不锈钢表面预先热浸铝后再钎焊、熔-钎焊(可采用TIG、MIG、 Laser等热源)[9_11]。何鹏等提出的“接触反应钎焊”采用Si粉作中间层，可有效去除铝母材侧表面的氧化膜，但焊接温度较高(600°C )，难以用于一些熔点较低的铝合金与不锈钢的钎焊[12]。“不锈钢表面预先热浸铝后再钎焊”存在工序复杂、额外耗能等美中不足。熔-钎焊虽然避免了不锈钢的熔化以抑制过量金属间化合物的生成，但仍存在弧光辐射或飞溅； 需使用钎剂(将特种钎剂——改性后的Nocolock钎剂用丙酮调和并均勻地涂覆在不锈钢坡口端面及附近的钢板上下表面，涂覆量以刚刚盖过不锈钢表面为宜)以改善液态铝合金对不锈钢的润湿性；由于需要在很窄的焊道加热范围内一方面使铝熔化而另一方面仍使不锈钢保持固态，故对操作技术的要求高[13]。当采用激光能源进行熔-钎焊时，设备投资大、 铝材对激光的反射率高而吸收率低等不足也限制了该项技术的大面积推广应用[14]。总结上述钎焊方法，可归纳出在工艺方面有以下不便之处一是要使用钎剂；二是要在不锈钢表面预先制备活化层，为此，须加入电镀、热浸等耗能工序；三是加热热源存在耗能高、环境差的缺点(常采用炉中加热、电弧加热、激光加热)。另一方面，当采用过渡液相扩散焊(TLP)时(以Cu、Ag、Ni为中间层)，虽然其具有可以免用钎剂、降低焊接温度的优点，但其缺点也较多，列举如下⑴所需扩散时间很长， 甚至需数小时左右；⑵极长的扩散保温时间要求真空或保护环境；⑶异种金属TLP存在中间层与两种母材反应速率不一致，导致两侧界面结合有优劣之分[15] ； (4)从理论上讲，存在两类不同金属间化合物难以同时根除的矛盾当等温凝固未进行完成时，钎缝中心会出现Al-Cu类IMC ；当等温凝固进行完成时，钎缝中心会出现富铝的AHe类IMC，在钎缝边缘会出现富狗的 ^-ΑΙ类IMC而使界面变脆[16]。近年来，国内外陆续开展了铝/不锈钢的搅拌摩擦焊研究，但能够查阅到的相关研究的文献资料极少，且有待深化。德国的研究人员Uzim，进行了铝/不锈钢的对接搅拌摩擦焊，工具为带针搅拌头，为减弱针的剧烈磨损，针插入位置为大部分在铝母材侧，而极少部分接触不锈钢母材。焊后进行了显微硬度测试，发现焊核区的硬度有波动变化，进而进行了金相分析，得出结论由于搅拌工具的机械搅拌作用，将高硬度的不锈钢粒子甚至是大尺寸的块状不锈钢拖拽到了铝合金表面，而形成了异种金属机械混合的现象。进而进行了铝/ 不锈钢焊接接头与铝合金母材的疲劳断裂的对比试验，发现铝/不锈钢焊接接头的疲劳寿命较铝合金母材低30% ；金相分析发现由于焊缝下部的机械搅拌作用弱，机械混合作用不明显，从而造成焊缝底部吻接的现象[17]。该研究表明铝/不锈钢的搅拌摩擦焊虽是可行的， 但其缺点是显而易见的，即(1)不锈钢对工具的恶性磨损；(2)不锈钢颗粒甚至是大尺寸不锈钢块被搅拌拖拽至铝基体，而被搅拌拖拽至铝基体的大尺寸不锈钢块的外表面若不能与铝基体很好的接合，其存在无异于大块的夹杂缺陷；C3)焊缝底部由于机械搅拌作用弱化， 不能达到预期的机械混合效果，从而形成了焊缝底部的吻接现象。在铝/铜搅拌摩擦焊方面，同样存在针的磨损、根部吻接、匙孔等问题。此外，因铜散热快，表面成形也不光滑[18]。最近，西安交通大学(申请者所在课题组)为避免针的磨损开发了铝/钢异种金属的搅拌摩擦钎焊技术[19]。该技术具有如下优点以洁净、集中的摩擦热为热源，能耗低， 操作简单且劳动条件好(无飞溅与弧光)，无需任何保护气体与钎剂；采用无针工具消除了针的磨损，确保焊接过程能持续顺利进行；针对搭接搅拌摩擦焊普遍存在的上/下界面塑性流动混合难以实现的问题，在实现界面间致密化与上/下混合方面，利用母材向钎料中的快速溶解代替了塑性变形，从而降低了对界面处塑性变形及通过塑性流动实现上/下混合的苛求；可通过“界面扭转_、挤压[21]+膜下潜流( 钎料的加入)[19]+加压挤出[19]”多种机制有效去除铝母材表面的氧化膜，界面氧化膜破除效果理想；在氧化膜随低熔、低强液相被挤出后，最终所得界面组织实质为洁净、致密、连续的微米级扩散层，由此可靠地保证了覆/基板界面间的快速焊合(目前焊速可达150 300mm/min)。但是，当无针搅拌摩擦钎焊技术用于厚铝板母材(5mm及以上)时，尽管Si钎料也能被摩擦热顺利熔化并挤出，在铝侧去膜、界面焊合情况良好，但通过扭转效应在界面处的机械破膜效果本身变差，加之不锈钢表面氧化膜致密稳定，双重因素导致厚铝板与不锈钢的搅拌摩擦钎焊并不理想，突出问题表现在不锈钢母材侧界面焊合变差。对于厚铝板与坚硬异种金属搭接焊接工况，当采用带针搅拌头虽有利于焊接界面机械去膜，但不可避免造成针端磨损，迫使焊接过程难以为继，或被迫使用价值高昂的耐磨搅拌头(如国外报道最多的是立方氮化硼陶瓷工具或W、Mo类工具)。显然，采用传统带针搅拌头仍困难重重。但是，当采用无针搅拌头施焊厚铝板/异种高强金属接头时，虽可避免针端磨损，但对于不锈钢类母材无针搅拌摩擦钎焊存在不锈钢侧界面氧化膜破除效果极差这一致命问题。分析其原因如下(1)工具方面无针工具丧失了对焊接界面的直接机械混合作用，致使界面氧化膜难以破除。( 板厚方面较厚的铝板使焊接界面距离摩擦面较远，降低了对焊接界面的加热、扭转、锻压相互耦合产生的综合性热-力联合作用效果，板厚方向塑性应变梯度减小，因此，较大的板厚也恶化了焊接界面的机械扭转破膜。( 材质方面当坚硬母材为不锈钢类氧化膜稳定而难以去除的母材时，焊接界面的氧化膜破除效果将更差。为解决无针搅拌摩擦钎焊技术用于厚铝板与不锈钢等坚硬异种材料焊接时存在的界面混合、去膜不良而导致接头强度极低(焊后在用手锯制样过程中即自行开裂或用砂纸打磨制样阶段也自行开裂)这一问题，本发明提出了 “一种厚铝板与坚硬异种材料的分步法搅拌摩擦钎焊技术”。其技术方案是先用无针搅拌摩擦钎焊技术在不锈钢表面压钎一层“薄”铝板(目的在于充分利用“薄”铝板情况下界面扭转、挤压等机械破膜效果相对显著的优势)，然后再在此被钎压于坚硬异种金属表面的薄铝板上面用搅拌摩擦钎焊技术(可带针也可不带针)压钎上厚的铝板层。这样，将铝/不锈钢异种金属焊接转化为同种铝材之间的焊接，此时也可用带针工具在无磨损情况下进行薄铝/厚铝之间的搭接焊接；同时若加入Si使去膜、上/下界面间的混合或致密化不依赖于塑性流动而主要依赖冶金反应， 因而界面密合变得容易实现，而且可显著增大焊合面积。该技术可用于铝/不锈钢接触轨、 铝/铜过渡接头的制备。参考文献[1]李亚江，吴娜钢/铝异种金属焊接的研究现状.焊接，2010，(3) :5-12.[2]张洪涛，何鹏铝钢异种材料焊接研究现状与发展.焊接，2006，(12) :7-12.[3]M. 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发明内容
本发明目的在于解决无针搅拌摩擦钎焊技术用于“厚铝板”直接与坚硬异种母材 (如钢、不锈钢、钛、铜等)时存在的坚硬母材侧界面加热加压及界面扭转不足、去膜及混合不良而导致接头强度极低(例如，虽然铝侧界面去膜与焊合良好，但焊后在用手锯制样过程中仍会自行开裂或用砂纸打磨制样阶段会沿坚硬异种材料侧的界面自行开裂)这一致命问题。为此，本发明提出了一种“厚铝板与坚硬异种材料的分步法搅拌摩擦钎焊技术”，其方案是先用无针搅拌摩擦钎焊技术在不锈钢的表面、端面或侧面等待焊面上(视产品要求而定)压钎一层“薄”铝板，目的在于充分利用“薄”铝板情况下界面扭转、挤压等机械破膜效果显著的优势，以通过冶金与机械双重因素去膜，挤出钎料，实现薄铝板与坚硬异种材料间的致密接合；然后在已钎压于坚硬异种材料之上的薄铝板上面再用无针搅拌摩擦钎焊技术钎压厚铝板，也可直接用搅拌摩擦焊完成薄/厚铝板之间的焊接，目的是通过将铝/不锈钢异种金属焊接转化为同种铝材之间的焊接，以完全消除针的磨损。其中，第二步灵活性大，可适应各种工况要求例如，可用带针工具在无磨损情况下进行铝/铝之间的搭接焊接；同时加入ai使去膜、上/下界面间的混合与致密化不依赖于塑性流动，因而变得容易实现，而且可显著增大焊合面积。第二步也可以直接进行薄/厚铝板之间对接搅拌摩擦焊，例如厚铝/铜过渡接头便可采用此方案。本发明基本具体工序及其原因如下第一步另取一厚约1 3mm的薄铝板，先对此薄铝板与坚硬异种金属(如不锈钢、钢、钛、铜等)进行搅拌摩擦钎焊，完成薄铝板的钎压所用工具为无针柱状工具；所用钎料为ai箔；在空气中施焊，无需任何钎剂与保护气体。之所以加ai的目的在于破除薄铝板表面上的氧化膜。之所以先对约2mm厚薄铝板与异种坚硬母材(不锈钢板)进行搅拌摩擦钎焊的目的在于由于坚硬异种母材(不锈钢)表面的氧化膜难以去除，当采用薄铝板时，肩部的加热、锻压效应与界面扭转效应在焊接界面的热-力联合作用效果将变得显著， 有利于利用机械方式破除不锈钢表面的氧化膜，并加强母材间的扩散；反之，当直接采用厚铝板与不锈钢进行搅拌摩擦钎焊时，虽然Si钎料可以熔化，但锻压效应与界面扭转效应的效果将变差，由此导致界面结合性能差(甚至在用手锯制样时即自行开裂)。而且，焊后，界面处多余的低熔、低强ai钎料可几乎被完全挤出，从而获得洁净、致密、连续、厚度适中的扩散层，从而在没有直接搅拌的情况下利用冶金途径获得了母材界面间直接的扩散焊合。第二步再在已钎压于坚硬异种材料之上的薄铝板上面预置钎料与厚铝板，进行厚铝板与薄铝板间的同种金属搅拌摩擦钎焊，以获得搭接接头。同样，所用工具为廉价中碳钢工具；所用钎料为Si箔；在空气中施焊，无需任何钎剂与保护气体。当厚铝板本身较厚如超过8mm应采用带针工具，以适当加强变形热与界面混合效果；当厚铝板厚度在5 8mm 范围可采用无针工具，以消除匙孔。对于第二步要求实现对接的产品接头，可采用更为简单的工艺，即直接按传统搅拌摩擦焊工艺施焊采用带针工具，免用钎料，直接完成薄铝板/厚铝板之间的搅拌摩擦对接。这得益于对接接头的界面混合比搭接接头更容易实现(由于在对接接头制备中，工具旋转线速度垂直于焊接界面，因而两界面容易搅拌混合；而在搭接接头制备中，工具旋转线速度平行于焊接面，因而两界面难以搅拌混合)。此时，由于所焊材料均为铝材，因此并不会出现对针的恶性磨损。本发明的厚铝板与坚硬异种材料的分步搅拌摩擦钎焊法，使无针搅拌摩擦钎焊技术用于“厚铝板”直接与坚硬异种母材(如钢、不锈钢、钛、铜等)时，接头强度极高的优点。
图1.分步法搅拌摩擦钎焊技术示意图(a)第一步薄铝板与坚硬异种材料的无针搅拌摩擦钎焊；(b)第二步薄铝/厚铝有针搭接搅拌摩擦钎焊，(C)第二步薄铝/厚铝无针搭接搅拌摩擦钎焊，(d)第二步薄铝/厚铝有针搭接搅拌摩擦钎焊(针贯穿铝/铝界面)， (e)第二步薄铝/厚铝有针对接搅拌摩擦钎焊，(f)第二步薄铝/厚铝有针对接搅拌摩擦焊 (免用锌箔钎料)。图2.第一步薄铝板Omm厚)与不锈钢板无针搅拌摩擦钎焊所得接头焊道的均一光滑成形焊速分别为(a) 23. 5、(b)150、(c)300、(d)375、(e) 475mm/min ；图3.两步法搅拌摩擦钎焊所得“厚铝板(5mm厚)/薄铝板/不锈钢板”的接头焊道的均一光滑成形焊速分别为(a) 23. 5、(b)150、(c) 300 (d) 375、(e) 475mm/min ；图4.第一层Omm厚)薄铝板/不锈钢无针搅拌摩擦钎焊接头拉剪测试后断裂位置(位于薄铝板母材内而非焊接界面)焊速分别为23. 5、150、300、375、475mm/min ； (a) (c) (e) (g) (i)为对应俯视图；(b) (d) (f) (h) (j)为对应侧视图。图5.直接进行厚铝板与不锈钢搅拌摩擦钎焊所得接头外观(对比实验焊速 23. 5mm/min) (a)正面；(b)背面。图6.直接进行厚铝板与不锈钢搅拌摩擦钎焊所得接头在制样过程中自行开裂状况(对比实验焊速23.5mm/min) (a)外表面；(b)断口(光滑；不锈钢上无粘附Al与Si)。图7.两步法“厚铝板/薄铝板/不锈钢”接头拉剪实验后照片(厚铝板母材已发生显著塑性变形)焊速分别为23. 5、150、300、375、475mm/min ;(a) (c) (e) (g) (i)为对应断裂面俯视图；(b) (d) (f) (h) (j)为对应断裂面侧视图。图8.焊速与抗拉载荷关系曲线(a)第一步“薄铝板/不锈钢”搅拌摩擦钎焊接头；(b)两步法“厚铝板/薄铝板/不锈钢”搅拌摩擦钎焊接头。图9.铝/不锈钢异种金属接头(焊速为23. 5mm/min)横截面界面低倍分区示意图1、III为有间隙区，II为紧密结合区占全区57. 5%，其余部分为肩外区；图10.焊速为23. 5mm/min的铝/不锈钢接头界面100X背散射连续拍摄照片；图11.对应于图10中界面圈出区域c、f、h、i高倍(2000倍以上)放大背散射照片高倍下仍致密，且无金属间化合物增厚；图12.第一步“薄铝板Omm厚)/铜板”搅拌摩擦钎焊接头光滑外观；图13.两步法“厚铝板/薄铝板/铜板”搅拌摩擦钎焊接头光滑外观；图14.两步法“厚铝板/薄铝板/铜板”搅拌摩擦钎焊接头拉剪测试后照片(a) 断裂面俯视图(铜上已粘附有铝)；(b)断裂面侧视图(铝母材已发生明显弯曲变形)。注图l.a第一步法中所标注1、2、3分别为薄铝板、锌箔、不锈钢板。图1. a第一步法焊后的1 (薄铝板)、3(不锈钢板)为图1. b f第二步法所用；图1. b f第二步法中4、6、8、10、12为互不相关连的厚铝板，5、7、9、11为互不相关连的锌箔。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述实施例1 厚铝板/不锈钢接头之间的分步法搅拌摩擦钎焊技术作为可行性试验，为节约试验成本，所用不锈钢板(304)为2mm厚的薄板，尺寸为100mmX60mm。厚铝板(1060)为5mm厚；薄铝板(1060)为2mm厚；铝板尺寸也为 IOOmmX60mm。搅拌工具为由常见的45钢分别制成的直径为20mm无针工具和有针工具。Zn 箔为市售100 μ m厚箔带，宽度亦取20mm。第一层焊接工艺为如示意图1 (a)所示方法。(1)夹持方式将薄铝板夹持于不锈钢板上(两板均经过砂纸打磨并用酒精清洗)，两板之间预放置钎料Si箔，将不锈钢板置于前进侧。搭接长度为20mm。(2)参数调整转速1500转/分钟；工具倾角约3° ；焊接速度试验范围取5个水平23. 5、150、300、375、475(mm/min)，以判明该工艺的生产效率。(3)位置校对如示意图所示，将搅拌头右侧边缘对准铝板右侧边缘。(4)焊接过程控制施焊时，当无针工具在位于上侧的铝母材内部的压入深度达到0. 2 0. 5mm时，停止下压，使搅拌头对铝母材起始端的原位磨擦保持10秒左右，以保证足够的热输入量使铝母材充分软化。然后，开启工作台按预设焊速移动；待焊缝长度达 80 90mm或在距板前边缘5mm处，停止摩擦焊接与移动。第二层焊接工艺为这里只介绍实现界面混合相对困难的搭接接头的焊接，如示意图1(b)所示方法。(此外，如示意图l.c f所示的第二层焊接方法类似于图l.b，这里不多做说明，它们均属于图l.b的派生方法，或更为简单的对接方法，如图l.f)准备工作将上述焊样中的铝板多出不锈钢母材的部分锯掉，准备第二层焊接。(1)夹持方式将厚铝板夹持于上述制好的薄铝板与不锈钢板的焊样上，中间预置钎料Si箔。焊接方法与第一层完全相同。(2)参数调整同上述第一层。(3)位置校对同上述第一层。(4)焊接过程控制同上述第一层(搅拌工具选为带针工具)。对比实验为证明分步法搅拌摩擦钎焊技术在厚铝板与坚硬异种材料方面的优越性，在此也一并介绍了直接进行厚铝板与不锈钢的单步搅拌摩擦钎焊技术所得不良接头的断裂行为。
焊后评价主要包括以下内容外观；拉剪测试断裂载荷(拉剪试样尺寸为 IOOmmX25mm)与断裂位置；界面微观组织分析。在微观组织分析中关注以下问题A1、不锈钢两侧的去膜效果；界面金属间化合物的相别与厚度；Si是否被挤出。以下为实验结果接头外观(见图2与图3)第1层接头正、反面外观如图2(a e)所示，第二层两步法完整接头正、反面外观如图3 (a e)所示。对上述焊速范围5 475mm/min)无论第1层还是第2层均能获得表面光滑的焊道成形，可见，对高焊速的适应性也稳定、良好。 但应注意的是，在焊接实验时，搅拌头压入深度通常控制为0. 5mm以下以提供足够大的锻压力和强的界面扭转力，但随焊速升高(焊速300mm/min以上)导致单位面积的热输入降低、金属软化不充分，塑性不足，使得表面在大的界面扭转力条件下无法成型(表面撕裂)， 所以不得不减小搅拌头的压入深度以减弱摩擦界面扭转变形程度，从而得到完整光滑的焊缝表面。第一层接头断裂位置(见图4)第一层接头的拉剪性能测试结果表明，薄铝与不锈钢异种金属接头拉剪试样断裂位置皆在铝母材之内，并未断裂于A1/SUS界面，这是第一层采用无针搅拌摩擦钎焊技术在坚硬异种材料上钎压薄铝板过渡层可获得成功的有力证据之一。相反，若直接将5mm厚铝板采用无针搅拌摩擦钎焊技术钎压于不锈钢上，虽然Si基钎料也能熔化，焊道表面成形也光滑(见图幻，但接头质量极差，焊后在用手锯制样过程中即自行开裂或用砂纸打磨制样阶段也自行开裂，不锈钢断口一侧无任何Al及Si粘附(见图6)，可见根本问题在于不锈钢一侧界面因机械破膜效果差而无法焊合。通过对比薄铝板与厚铝板的钎压效果可知，其原因在于直接钎压厚铝板时，不锈钢界面一侧的加热、锻压、 扭转效果均不及钎压薄铝板时的效果显著。两步法完整接头断裂位置(图7)两步法焊完厚铝板后，焊接接头拉剪试样断裂位置皆为铝/不锈钢界面，界面结合强度虽不足以使较厚的铝母材断裂，但从拉剪试样侧视图中(图7.b、d、f、h、j)可以看出，界面结合强度已足以使厚板铝母材发生较大程度弯曲变形，甚至能使不锈钢母材发生弯曲变形。另外值得肯定的是，完整接头都没有从薄/厚铝板同种金属界面开裂，表明该界面的搅拌摩擦钎焊工艺是成功的。性能测试(图8)钎压第一层薄铝板后所得“薄铝板/不锈钢”接头以及完整两步搅拌摩擦钎焊法所得“厚铝板/薄铝板/不锈钢”的载荷曲线分别如图8(a)，(b)所示。其中后者更有意义，因为前者易受拉剪试样搅拌区真实厚度(与压入深度、表面成形与减薄程度有关)的影响而波动。从后者(图8.b)可看出，接头的平均抗拉剪载荷为同尺寸铝母材抗拉载荷的1/3 1/2(同尺寸铝母材抗拉载荷为13. 8KN)。另外，关于高焊速下第1层拉剪载荷高而焊完第2层后载荷低的原因解释如下尽管第1层薄铝板/不锈钢接头的抗拉剪“载荷”有随焊速的递增而升高的趋势，但并不等于高焊速的接头“强度”高于低焊速。因为薄铝板与不锈钢接头拉剪试样断裂位置皆为薄铝板母材，所以抗拉剪载荷的大小取决于铝母材的厚度。而在焊接实验时，搅拌头压入深度通常控制为0. 5mm以提供足够大的锻压力和强的界面扭转力，但随焊速升高导致单位面积的热输入降低、金属软化不充分、塑性不足而使得表面在大的界面扭转力条件下无法成型(表面撕裂)，所以为得到完整光滑的焊缝表面，不得不减小搅拌头的压入深度，从而对A1/SUS异种金属焊接界面的扭转破膜略有影响。另一方面，搅拌头压入深度小就意味着焊缝处铝母材的减薄量小，即高焊速的焊缝处铝母材厚度大于低焊速，而无论高低焊速的界面结合强度都足以使拉剪实验试样断于铝母材，所以出现了高焊速下试样的抗拉载荷高于低焊速的情况。界面微观组织采用23. 5mm/min焊速所得异种金属接头界面微观组织图(图9 图11)表明，铝/不锈钢界面虽无明显金属间化合物层生成，但铝与不锈钢侧的氧化膜已破除，界面结合致密(致密结合界面占全界面的57.5%)。特别在中心区域，即使放大至2000 倍以上既未观察到界面空洞，也未观察到金属间化合物增厚，表明A1/SUS界面结合优良。 少量Si残余在界面的后退侧过渡区域，其余大量Si被挤出。实施例2 厚铝板/铜过渡接头之间的分步法搅拌摩擦钎焊技术除304不锈钢板替换为铜板(尺寸为IOOmmX 60mmX 2mm)外，所用材料、规格和工具与实施例1中完全相同。第一步施焊工艺与实施例1中方法相同，先在铜板表面用无针搅拌摩擦钎焊技术钎压一层薄铝板。取厚度为2mm的铜板以及厚度为2mm的薄铝板进行第一步钎压，所用钎料仍为Si箔，焊速为150mm/min。第二步施焊工艺与实施例1中方法相同，用带针工具将5mm厚厚铝板焊接于第一步所得到的薄铝/铜接头的薄铝板之上，所用钎料也为Si箔，焊速仍为150mm/min。施焊效果图第一层接头外观如图12，第二层接头外观如图13.性能测试对两步法完整接头进行拉剪实验(拉剪试样尺寸为100mmX25mm)，焊接接头拉剪试样断裂位置皆为铝/铜界面(图14)，抗拉载荷为3. 74KN,界面结合强度虽不足以使铝母材断裂，但从拉剪试样断口俯视图(图14. a)可看出，铜板上已明显粘附有铝材，表明Al/Cu异种金属接头界面焊合牢固；同时，从断裂面侧视图(图14. b)中可以看出， 界面结合强度已足以使厚板铝母材发生较大程度弯曲变形，甚至使铜母材发生弯曲变形。本发明的工程背景为厚铝/不锈钢过渡接头、厚铝/铜过渡接头的制备。基于上述发明内容及实施例的详尽描述可知，“分步法搅拌摩擦钎焊新工艺”的优点为第一道有意选用薄铝板，有利于加强肩对焊接界面的热-力联合作用效果，借助薄铝板，使铝与异种材料界面焊合可靠；第二道为铝/铝同种材料的搅拌摩擦钎焊，完全避免了坚硬母材对工具的磨损；所有焊道可用廉价碳钢工具并在空气中施焊，无需任何钎剂与保护气体；将厚铝板与坚硬异种金属的焊接转化为厚铝/薄铝同种软质金属的焊接，拓宽了搅拌摩擦钎焊的应用范围，解决了实际工程难题。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方法及技术内容作出些许的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的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.厚铝板与坚硬异种材料的分步搅拌摩擦钎焊法，其特征在于(1)采用无针搅拌摩擦钎焊技术先在坚硬异种材料位于表面、端面或侧面的待焊表面钎压一层薄铝板，以通过冶金与机械双重因素去膜，挤出钎料，实现薄铝板与坚硬异种材料间的致密接合；(2)在已钎压于坚硬异种材料之上的薄铝板上面再视板厚用无针或带针搅拌摩擦钎焊技术钎压厚铝板，或者直接用搅拌摩擦焊完成薄/厚铝板之间的焊接。
2.如权利要求1所述厚铝板与坚硬异种材料的分步搅拌摩擦钎焊法，其特征在于所述步骤(1)是先进行厚为1 3mm的薄铝板与坚硬异种金属的搅拌摩擦钎焊，完成薄铝板的钎压；所用工具为中碳钢或工具钢无针柱状工具；所用钎料为Si箔；在空气中施焊。
3.如权利要求1所述厚铝板与坚硬异种材料的分步搅拌摩擦钎焊法，其特征在于所述步骤(1)中柱状工具直径在15mm以上，而且作为过渡层的薄铝板的宽度须大于柱状工具直径及坚硬母材待焊面的宽度；在完成第一道钎压后，去除薄铝板上超过坚硬母材待焊面以外的多余部分。
4.如权利要求1所述厚铝板与坚硬异种材料的分步搅拌摩擦钎焊法，其特征在于所述步骤( 是在已钎压于坚硬异种材料表面上的薄铝板上面预置Si箔钎料与厚铝板，用搅拌摩擦钎焊进行薄铝板与厚铝板搭接接头间的焊接，以此增大焊合面积；所用工具为中碳钢或工具钢工具；带针或者无针；所用钎料为Si箔；在空气中施焊。
5.如权利要求1所述厚铝板与坚硬异种材料的分步搅拌摩擦钎焊法，其特征在于所述步骤O)中免用钎料，直接用带针工具直接进行薄/厚铝板同种金属间的搭接搅拌摩擦焊或对接搅拌摩擦焊。
6.如权利要求1、2、3、4、5或6所述厚铝板与坚硬异种材料的分步搅拌摩擦钎焊法，其特征在于所述坚硬异种材料是不锈钢、钢、钛或铜。
全文摘要
本发明公开了一种厚铝板与坚硬异种材料的分步搅拌摩擦钎焊法，该方法避免了厚铝板直接与坚硬异种材料(如不锈钢、铜、钛、钢)搅拌摩擦焊中存在的针磨损(当用带针工具时)、界面热量不足及机械破膜效果变差(当用无针工具时)等多种问题，即先用无针搅拌摩擦钎焊在坚硬异种材料待焊面钎压一层薄铝板，以通过冶金与机械双重因素去膜，挤出钎料，实现薄铝板与坚硬异种材料间的致密接合；再将已钎压于坚硬异种材料之上的薄铝板与厚铝板用搅拌摩擦钎焊或搅拌摩擦焊进行焊接。当第二步采用搅拌摩擦钎焊焊接搭接接头时，可显著增大焊合面积。该工艺可完全避免坚硬母材对工具的磨损；薄铝板与异种材料界面焊合可靠；可用于铝/不锈钢接触轨、铝/铜过渡接头的制备。
文档编号B23K1/19GK102513638SQ20111038935
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者张建勋, 张贵锋, 郝海 申请人:西安交通大学