一种用于异种金属材料对接的自动送丝的搅拌摩擦焊方法与流程

本发明涉及焊接技术，具体涉及一种用于异种金属材料对接的自动送丝的搅拌摩擦焊方法。

背景技术：

随着我国基础设施建设的需求进一步加强，更多的工程项目不再单一地选择某一种材料，而是青睐于综合性能更为优异的异种金属复合材料，其中铝合金和钢的异种金属连接具有广大的应用前景，并正在逐步应用于车辆制造、船舶生产等越来越多工业生产部门。铝合金与钢之间物理性质差异大，熔化焊等传统熔焊技术难以获得成型好、性能优的焊接接头。但铝合金与钢通过搅拌摩擦焊可获得到较高的强度，被认为是较适合两者材料的焊接方法，但其最大缺点在于焊接过程中难以避免fe-al金属间化合物生成，并有较大残余应力，限制接头强度的进一步提高。

熔化焊是金属材料连接常用的焊接方法之一。熔化焊具有连接强度高，焊接接头好，效率高，灵活性强等优点，但由于热输入高，焊后接头残余应力大，且易生成大量连续的fe2al5，feal3等脆性金属间化合物相，降低接头头性能，不能获得性能较好的fe/al异种金属焊接接头。

钎焊优点是加热温度低，变形小，接头光滑美观，保证精确的工件尺寸，适合于焊接精密、复杂的异种材料构件。但钎焊难以有效去除铝合金表面致密的氧化膜，钎料在铝合金表面难以铺展润湿，严重影响接头的成形及最终性能。新型钎焊，比如超声波钎焊，可有效去除金属表面氧化膜，但存在设备复杂、工艺流程繁琐，操作要求高，经济性差等缺点。

电弧钎焊热输入量低，工件形变量小，能够严格控制焊接变形，避免薄壁件过量熔蚀，提高了焊接效率和焊缝强度，具有节能高效的特点以获得可靠铝合金/钢焊接接头。但与搅拌摩擦焊相比，电弧钎焊仍采用电弧为热源，产生较高热输入量，因此会在接头界面生成平直且较厚的金属间化合物、从而降低焊缝强度。

固相焊主要有扩散焊、搅拌摩擦焊等方法。扩散焊可获得界面结合紧密的fe/al异种金属扩散焊接头，但需要精确控制加热温度、保温时间和焊接压力，焊接灵活性差，仅适于结构简单，体积小的构件的焊接，且该方法焊接周期长、成本高。利用搅拌摩擦焊焊接fe/al异种金属可实现铝合金与异种金属有效连接。但搅拌摩擦焊焊接过程中，由于两待焊工件的直接接触，焊后会生成脆性的fe/al金属间化合物，同时，由于铝合金和钢线膨胀系数相差较大，易产生较大残余应力，会降低接头的力学性能。

cn102941414a公开了一种预填丝搅拌摩擦焊接方法，其在焊接过程中，以tig或mig焊接方法在母材表面熔覆一层金属，随后进行搅拌摩擦焊，以解决现有搅拌摩擦焊过程中的焊缝有效厚度减薄的问题，但是仅将带状中间层熔覆在待焊工件表面，并未提高铝/钢界面强度。

cn103157903a公开了一种能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法，具体步骤为：将带状中间层紧贴母材表面，搅拌头垂直向下进给，搅拌针开始与带状中间层的端部接触并钻入母材内，通过搅拌针和轴肩的搅拌加热作用实现对母材的焊接，以解决传统搅拌摩擦焊接技术无法解决的焊缝厚度减薄的问题。将带状中间层铺在母材表面，焊接时，利用轴肩的搅拌和锻压作用将带状中间层堆焊于待处理材料表面，带状中间层未进入母材内，仅解决消除焊缝减薄的问题，但没有明显解决异种材料搅拌摩擦焊下接头界面变脆的问题。

现有的异种材料的搅拌摩擦钎焊技术，主要依靠搅拌摩擦焊在铝钢搭接接头中加入纯锌或铝锌薄片作为铝与钢接头的中间过渡层，避免母材直接接触，阻碍fe/al元素之间扩散，减少fe-al脆性金属间化合物的形成，提高了搭接接头强度。但由于要求中间层熔化，则只可选用纯锌或锌铝等低熔点的钎料作为中间过渡层，在焊接过程中压力的作用下，部分液态中间过渡层被挤出焊接区，造成中间薄、两边厚，焊缝中存在孔洞、未熔合等焊接缺陷。另外，搅拌摩擦搭接钎焊还会存在焊接厚度受限和搅拌头易磨损等问题。

综上所述，针对铝合金与钢的焊接性差的问题，亟待研发一种可有效减少界面金属间化合物厚度和降低界面应力的中低温的焊接技术。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于异种金属材料对接的自动送丝的搅拌摩擦焊方法，其能够减少焊接过程中金属元素相互扩散，减少金属间化合物的生成，降低界面温度和残余应力，避免焊缝产生孔洞，提高焊接接头的力学性能和焊接效率。

本发明所述的用于异种金属材料对接的自动送丝的搅拌摩擦焊方法，其包含如下步骤：

步骤一，将两个异种金属材料的焊件对接装夹于固定板上，固定板固定安装于焊接平台上，焊接平台滑动安装于底座上，焊件之间设有间隙，所述间隙宽度为0.1~1.0mm，将带状焊丝从送丝枪引出，带状焊丝的材质根据两个异种金属材料的焊件的种类进行确定，校直轮组、预埋轮和校平轮依次放置于间隙上方，带状焊丝通过校直轮组校直，再通过预埋轮送入焊件之间的间隙内，随后校平轮对间隙内的带状焊丝进行校平使其与焊件处于同一平面上，将带状焊丝的端部置于搅拌头的正下方，所述带状焊丝的厚度与间隙宽度的关系为：0.01mm≤a－b≤0.06mm，a为间隙宽度，b为带状焊丝的厚度；

步骤二，启动焊机，搅拌头开始垂直向下进给，随后搅拌头压入置有带状焊丝的焊件之间的间隙内，焊接开始，焊接过程中，送丝枪、矫直轮组、预埋轮和校平轮的位置固定，焊接平台带动焊件运动，搅拌头的转速为180~2200r/min，搅拌头的压入量为0.2~0.8mm，焊接速度为40~220mm/min，送丝速度与焊接速度保持一致；

步骤三，升起搅拌头，然后停止送丝，切断带状焊丝。

进一步，所述步骤一中由送丝枪引出的带状焊丝与焊件表面的夹角为3~8°。通过送丝枪倾斜设置，使得带状焊丝以一定角度顺利进入焊件之间的间隙；角度设置过大容易造成带状焊丝发生弯曲、褶皱，不能顺利进入间隙；角度设置过小则使得焊丝水平移动，不能斜向下进入间隙。

进一步，所述步骤一中校直轮组为两个异向旋转的校直轮，将由送丝枪引出的带状焊丝以轧制方式进行校直。

进一步，所述步骤一中预埋轮上设有与带状焊丝相对应的凹槽，使得校直后的带状焊丝斜向下进入焊件之间的间隙内。凹槽的设置能够引导带状焊丝斜向下进入焊件之间的间隙。

进一步，所述凹槽的深度与带状焊丝的宽度的关系为：d=0.25w~0.5w，d为凹槽的深度，w为带状焊丝的宽度。

进一步，所述步骤一中校直轮组与预埋轮的中心距为5~20mm。

进一步，所述步骤一中预埋轮与校平轮的中心距为60~150mm，通过对预埋轮与校平轮的中心距进行限定，有利于带状焊丝平稳、无明显变形地进入待焊间隙。

进一步，所述步骤一中校平轮与搅拌头的中心距为10~50mm。通过对校平轮与搅拌头的中心距进行限定，保证焊件表面的平整度，若间距设置过小，焊接飞边容易对校平轮产生干涉。

进一步，所述步骤一中两个焊件分别为待焊钢材和待焊铝材，当带状焊丝的厚度为大于等于0.15mm、小于等于1mm时，其材质为alsi5、alsi15、znal5、znal15中的一种，当带状焊丝的厚度为大于等于0.03mm、小于0.15mm时，其材质为cu和ni中的一种。焊接前，将待焊钢材装夹于前进侧，待焊铝材装夹于后退侧，塑性状态的铝沿着搅拌针流动到已塑化的钢中，保证二者充分反应融合，从而形成良好的焊接接头。通过zn、si等阻隔元素的加入，一定程度上限制了焊件中fe/al元素的相互接触，能够有效降低imc层的厚度，减少焊接界面的脆性，同时带状焊丝能够降低连接温度和减少界面残余应力。

进一步，所述步骤一中带状焊丝的液相线温度大于焊接过程中搅拌针的温度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明所述的焊件为异种金属材料，通过在两个焊件之间的对接间隙内加入中间层，即自动连续送入带状焊丝，避免了焊件在直接接触的情况下进行焊接，并且中间层中的阻隔元素在一定程度上阻碍了焊件的金属元素之间的扩散和热量传递，减少了搅拌头与焊件的摩擦生热，降低了焊接温度和金属间化合物层的厚度，相应地减小了焊接接头的残余应力和焊接界面的脆性，提高了焊接接头的力学性能。

2、由于带状焊丝厚度范围为0.03~1.00mm，仅需预留较小焊件间隙即可达到阻隔金属元素之间的扩散，保证焊接质量。

3、在焊接过程中，通过送丝枪、校直轮组、预埋轮、校平轮和搅拌头的共同作用，使得带状焊丝沿预定的角度和路线连续送入焊件之间的间隙，从而保证焊接时带状焊丝时刻充满焊接区，减少孔洞缺陷，提高了焊接接头的力学性能。

4、由于本发明焊接过程中焊接温度低，焊件和带状焊丝均为固相，选用的带状焊丝对硬度、熔点无严格要求。

5、本发明所述的搅拌摩擦焊方法操作简便，焊接周期短，焊接温度低，焊接残余应力低，焊接接头力学性能优良，适用于精密焊接和较大较厚焊接表面的异种金属材料焊接。

附图说明

图1是本发明的焊接过程示意图；

图2是图1的a区域的放大图；

图3是图1的俯视图；

图4是图3的b区域的放大图；

图5是本发明的原理示意图；

图6是不同厚度带状焊丝的搅拌摩擦焊的瞬时温度柱状图，横坐标为带状焊丝的厚度，纵坐标为瞬时温度；

图7是不同厚度带状焊丝的搅拌摩擦焊的残余应力柱状图，横坐标为带状焊丝的厚度，纵坐标为残余应力；

图8是不同厚度带状焊丝的搅拌摩擦焊的剪切强度柱状图，横坐标为带状焊丝的厚度，纵坐标为剪切强度。

图中，1—焊件，11—待焊钢板，12—待焊铝板，2—带状焊丝，3—送丝枪，4—校直轮组，5—预埋轮，6—校平轮，7—搅拌头，8—搅拌针，9—固定板，10—焊接平台，a—间隙宽度，b—中间层的厚度，θ—夹角，l1—校直轮与预埋轮的中心距，l2—预埋轮与校平轮的中心距，l3—校平轮与搅拌头的中心距，d—凹槽的深度，w—带状焊丝的宽度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细说明。

参见图1至图4，本发明所述的用于异种金属材料对接的自动送丝的搅拌摩擦焊方法，其包含如下步骤：

步骤一，将两个异种金属材料的焊件1对接装夹于固定板9上，固定板9固定安装于焊接平台10上，焊接平台10滑动安装于底座上，焊件1之间设有间隙，所述间隙宽度a为0.1~1.0mm，将带状焊丝2从送丝枪3引出，带状焊丝2的材质根据两个异种金属材料的焊件1的种类进行确定，校直轮组4、预埋轮5和校平轮6依次放置于间隙上方，带状焊丝2通过校直轮组4校直，再通过预埋轮5送入焊件1之间的间隙内，随后校平轮6对间隙内的带状焊丝2进行校平使其与焊件1处于同一平面上，将带状焊丝2的端部置于搅拌头7的正下方，所述带状焊丝的厚度b与间隙宽度a的关系为：0.01mm≤a－b≤0.06mm；

步骤二，启动焊机，搅拌头7开始垂直向下进给，随后搅拌头7压入置有带状焊丝2的焊件1之间的间隙内，焊接开始，焊接过程中，送丝枪3、矫直轮组4、预埋轮5和校平轮6的位置固定，焊接平台10带动焊件1运动，搅拌头7的转速为180~2200r/min，搅拌头7的压入量为0.2~0.8mm，焊接速度为40~220mm/min，送丝速度与焊接速度保持一致；

步骤三，升起搅拌头7，然后停止送丝，切断带状焊丝2。

所述步骤一中由送丝枪引出的带状焊丝与焊件表面的夹角为3~8°。通过送丝枪倾斜设置，使得带状焊丝以一定角度顺利进入焊件之间的间隙；角度设置过大容易造成带状焊丝发生弯曲、褶皱，不能顺利进入间隙；角度设置过小则使得焊丝水平移动，不能斜向下进入间隙。

校直轮组为两个异向旋转的校直轮，将由送丝枪引出的带状焊丝以轧制方式进行校直。预埋轮上设有与带状焊丝相对应的凹槽，使得校直后的带状焊丝斜向下进入焊件之间的间隙内。凹槽的设置能够引导带状焊丝斜向下进入焊件之间的间隙。参见图3所示，凹槽的深度与带状焊丝的宽度的关系为：d=0.25w~0.5w，d为凹槽的深度，w为带状焊丝的宽度。

校直轮组与预埋轮的中心距为5~20mm，所述步骤一中预埋轮与校平轮的中心距为60~150mm，通过对预埋轮与校平轮的中心距进行限定，有利于带状焊丝平稳、无明显变形地进入待焊间隙。校平轮与搅拌头的中心距为10~50mm。通过对校平轮与搅拌头的中心距进行限定，保证焊件表面的平整度，若间距设置过小，焊接飞边容易对校平轮产生干涉。

参见图5，两个焊件1分别为待焊钢材11和待焊铝材12，对接装夹固定，设有一定间隙，带状焊丝2的材质为alsi5、alsi12、znal5、znal15、cu和ni中的一种，置于待焊钢材11和待焊铝材12之间的间隙内。焊接前，将待焊钢材11装夹于前进侧，待焊铝材12装夹于后退侧，塑性状态的铝沿着搅拌针8流动到已塑化的钢中，保证二者充分反应融合，从而形成良好的焊接接头。同时通过带状焊丝中zn、si等阻隔元素的加入，一定程度上限制了焊件中fe/al元素的相互接触，能够有效降低imc层的厚度，减少焊接界面的脆性，带状焊丝的设置能够降低连接温度和减少界面残余应力。

实施例一，一种用于异种金属材料对接的自动送丝的搅拌摩擦焊方法，其包含如下步骤：

步骤一，将待焊钢材11和待焊铝材12对接装夹固定板9上，固定板9固定安装于焊接平台10上，焊接平台10滑动安装于底座上；待焊钢材11和待焊铝材12之间设有间隙，所述间隙宽度a为0.3mm，将带状焊丝2从送丝枪3引出，由送丝枪引出的带状焊丝与焊件表面的夹角为5°，所述带状焊丝的厚度为0.25mm，材质为alsi5；校直轮组4、预埋轮5和校平轮6依次放置于间隙上方，校直轮组与预埋轮的中心距为10mm，所述步骤一中预埋轮与校平轮的中心距为100mm，校平轮与搅拌头的中心距为30mm。带状焊丝2通过校直轮组4校直，再通过预埋轮5送入待焊钢材11和待焊铝材12之间的间隙内，随后校平轮6对间隙内的带状焊丝2进行校平使其与待焊钢材11和待焊铝材12处于同一平面上，将带状焊丝2的端部置于搅拌头7的正下方；

步骤二，启动焊机，搅拌头7开始垂直向下进给，随后搅拌头7压入置有带状焊丝2的待焊钢材11和待焊铝材12之间的间隙内，焊接开始，焊接过程中，送丝枪3、矫直轮组4、预埋轮5和校平轮6的位置固定，焊接平台10带动待焊钢材11和待焊铝材12运动，搅拌头7的转速为660r/min，搅拌头7的压入量为0.35mm，焊接速度为153mm/min，送丝速度与焊接速度保持一致；

步骤三，升起搅拌头7，然后停止送丝，切断带状焊丝2。

实施例二，一种用于异种金属材料对接的自动送丝的搅拌摩擦焊方法，其包含如下步骤：

步骤一，将待焊钢材11和待焊铝材12对接装夹固定板9上，固定板9固定安装于焊接平台10上，焊接平台10滑动安装于底座上；待焊钢材11和待焊铝材12之间设有间隙，所述间隙宽度a为0.08mm，将带状焊丝2从送丝枪3引出，由送丝枪引出的带状焊丝与焊件表面的夹角为3°，所述带状焊丝的厚度为0.03mm，材质为cu；校直轮组4、预埋轮5和校平轮6依次放置于间隙上方，校直轮组与预埋轮的中心距为10mm，所述步骤一中预埋轮与校平轮的中心距为70mm，校平轮与搅拌头的中心距为20mm。带状焊丝2通过校直轮组4校直，再通过预埋轮5送入待焊钢材11和待焊铝材12之间的间隙内，随后校平轮6对间隙内的带状焊丝2进行校平使其与待焊钢材11和待焊铝材12处于同一平面上，将带状焊丝2的端部置于搅拌头7的正下方；

步骤二，启动焊机，搅拌头7开始垂直向下进给，随后搅拌头7压入置有带状焊丝2的待焊钢材11和待焊铝材12之间的间隙内，焊接开始，焊接过程中，送丝枪3、矫直轮组4、预埋轮5和校平轮6的位置固定，焊接平台10带动待焊钢材11和待焊铝材12运动，搅拌头7的转速为1320r/min，搅拌头7的压入量为0.4mm，焊接速度为85mm/min，送丝速度与焊接速度保持一致；

步骤三，升起搅拌头7，然后停止送丝，切断带状焊丝2。

实施例三，一种用于异种金属材料对接的自动送丝的搅拌摩擦焊方法，其包含如下步骤：

步骤一，将待焊钢材11和待焊铝材12对接装夹固定板9上，固定板9固定安装于焊接平台10上，焊接平台10滑动安装于底座上；待焊钢材11和待焊铝材12之间设有间隙，所述间隙宽度a为1.0mm，将带状焊丝2从送丝枪3引出，由送丝枪引出的带状焊丝与焊件表面的夹角为6°，所述带状焊丝的厚度为0.98mm，材质为znal5；校直轮组4、预埋轮5和校平轮6依次放置于间隙上方，校直轮组与预埋轮的中心距为20mm，所述步骤一中预埋轮与校平轮的中心距为150mm，校平轮与搅拌头的中心距为50mm。带状焊丝2通过校直轮组4校直，再通过预埋轮5送入待焊钢材11和待焊铝材12之间的间隙内，随后校平轮6对间隙内的带状焊丝2进行校平使其与待焊钢材11和待焊铝材12处于同一平面上，将带状焊丝2的端部置于搅拌头7的正下方；

步骤二，启动焊机，搅拌头7开始垂直向下进给，随后搅拌头7压入置有带状焊丝2的待焊钢材11和待焊铝材12之间的间隙内，焊接开始，焊接过程中，送丝枪3、矫直轮组4、预埋轮5和校平轮6的位置固定，焊接平台10带动待焊钢材11和待焊铝材12运动，搅拌头7的转速为2200r/min，搅拌头7的压入量为0.8mm，焊接速度为220mm/min，送丝速度与焊接速度保持一致；

步骤三，升起搅拌头7，然后停止送丝，切断带状焊丝2。

实施例四，一种用于异种金属材料对接的自动送丝的搅拌摩擦焊方法，其包含如下步骤：

步骤一，将待焊钢材11和待焊铝材12对接装夹固定板9上，固定板9固定安装于焊接平台10上，焊接平台10滑动安装于底座上；待焊钢材11和待焊铝材12之间设有间隙，所述间隙宽度a为0.5mm，将带状焊丝2从送丝枪3引出，由送丝枪引出的带状焊丝与焊件表面的夹角为4°，所述带状焊丝的厚度为0.48mm，材质为alsi12；校直轮组4、预埋轮5和校平轮6依次放置于间隙上方，校直轮组与预埋轮的中心距为5mm，所述步骤一中预埋轮与校平轮的中心距为60mm，校平轮与搅拌头的中心距为10mm。带状焊丝2通过校直轮组4校直，再通过预埋轮5送入待焊钢材11和待焊铝材12之间的间隙内，随后校平轮6对间隙内的带状焊丝2进行校平使其与待焊钢材11和待焊铝材12处于同一平面上，将带状焊丝2的端部置于搅拌头7的正下方；

步骤二，启动焊机，搅拌头7开始垂直向下进给，随后搅拌头7压入置有带状焊丝2的待焊钢材11和待焊铝材12之间的间隙内，焊接开始，焊接过程中，送丝枪3、矫直轮组4、预埋轮5和校平轮6的位置固定，焊接平台10带动待焊钢材11和待焊铝材12运动，搅拌头7的转速为180r/min，搅拌头7的压入量为0.1mm，焊接速度为40mm/min，送丝速度与焊接速度保持一致；

步骤三，升起搅拌头7，然后停止送丝，切断带状焊丝2。

实施例五，对不同厚度带状焊丝的搅拌摩擦焊的瞬时温度进行测定，参见图6，试验组为实施例一的焊接方法，测定距焊接界面3mm、深2.5mm处的瞬时温度，对比组的带状焊丝厚度为0mm，即直接将待焊钢材和待焊铝材对接进行搅拌摩擦焊，其它参数与实施例一的参数相同，测定其瞬时温度。对比可知，试验组的瞬时温度低于对比组的瞬时温度，表明在待焊钢材和待焊铝材的对接间隙内加入带状焊丝，焊接过程中搅拌头被带状焊丝所包裹，在一定程度上阻碍了焊件材料之间的扩散，减少了搅拌头与焊件的摩擦生热。

实施例六，对不同厚度带状焊丝的搅拌摩擦焊的残余应力进行测定，参见图7，实验组为实施例一的焊接方法，测定靠近焊接界面的铝侧的残余应力，对比组的带状焊丝厚度为0mm，即直接将待焊钢材和待焊铝材对接进行搅拌摩擦焊，其它参数与实施例一的参数相同，测定其残余应力。对比可知，实验组的残余应力低于对比组的残余应力，表明在待焊钢材和待焊铝材的对接间隙内加入带状焊丝，使得待焊钢材和待焊铝材保持固相不融化，进而阻碍了金属间元素相互扩散，减少了金属间化合物的生成，降低了焊缝中的残余应力。

实施例七，对不同厚度带状焊丝的搅拌摩擦焊的剪切强度进行测定，参见图7，实验组为实施例一的焊接方法，测定距焊接界面1mm处的剪切强度，对比组的带状焊丝厚度为0mm，即直接将待焊钢材和待焊铝材对接进行搅拌摩擦焊，其它参数与实施例一的参数相同，测定其剪切强度。对比可知，试验组的剪切强度高于对比组的剪切强度，表面在待焊钢材和待焊铝材的对接间隙内加入带状焊丝，同时通过自动送丝使得带状焊丝时刻充满焊接区，避免了焊缝中产生孔洞、未熔合等焊接缺陷，提高了焊接接头的力学性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。