一种基于啃削辅助的异种金属电弧熔-钎焊方法与流程

本发明涉及异种金属的焊接，具体涉及一种基于啃削辅助的异种金属电弧熔-钎焊方法。

背景技术：

随着航空航天、汽车装备制造、航海工业等现代技术迅速发展，为了缓解能源短缺带给人们的生活经济压力，降低生产生活成本，优化产能结构，对于焊接结构件的要求提出了越来越高的标准。铝钢复合结构具有质量轻、强度高、耐腐蚀等方面的综合优势，得到了广泛的重视，其应用范围也越来越广，在未来的制造业方面，轻量化是交通工具节能减排的重要手段之一。在能承受重载荷的铝/钢复合结构的设计中，能实现材料间冶金结合的焊接技术被列为这些连接技术中的首选手段。现今，铝/钢复合构件的焊接技术的发展较大程度上落后于其他成形技术方法的发展，已成为该对异质金属走向实用化的瓶颈。故深入分析研究铝合金/不锈钢在焊接技术中的科学问题是非常必要的。

采用爆炸焊、搅拌摩擦焊、扩散焊等，能够实现铝/钢构件的优质连接，缺点是这些方法对工件的夹持方式、接头形式有着较高要求，并且工艺参数较多，成本偏高且产出的效率低于行业内平均值，从而在实际的工业生产中受到了非常大的限制。

在焊接技术发展的历程中，电弧熔-钎焊特种焊接方法是异种难焊金属材料具有更高的可行性的研究方向之一，焊接界的有志之士在铝/钢熔-钎焊焊接工艺、母材选择、界面层控制等方面取得了颇为显著的成绩，并且推动了铝/钢结构在实际工业生产中应用。目前，铝合金与钢的连接研究主要集中在熔化焊接、钎焊和热机固相焊接等方面。其中，在高温热循环下接头中生成厚而脆的fexaly化合物和产生较大的热应力，是造成铝/钢熔化焊强度低的主要原因。在传统电弧熔钎焊方面，由于采用单面、单丝焊接，存在热量无法传递至工件底部，焊接电流大，易产生未焊透、imcs厚度不均等缺陷，阻碍了接头强度的提升。采用外加能场辅助焊接一定程度上能够解决这一难题，其中外加能场辅助焊接主要有超声波辅助焊接、电磁激励辅助焊接、啃削辅助焊接等方式，其中，超声波辅助焊接能够细化晶粒方面能够起到改善作用，但该方法在接头形式以及大长板焊接有较高要求；电磁激励作用能够达到焊接热输入集中的效果，但设备要求高且较为复杂。有学者采用普通铣刀作为外加能量辅助焊接，能够在不使用钎剂的条件下实现焊接并获得一定接头强度，但是接头界面较为平直，弯曲度不够，不能完全实现机械咬合作用。此外加大啃削深度后，铣刀易断不符合实际生产要求。同时，钢屑在焊缝中数量较少且分布不均，焊缝强化作用不明显，该方法仍然有不成熟的地方。

cn103994551b公开了一种表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属tig熔-钎焊方法，其采用机械研磨处理和超声波协同的方式实现焊接，利用外加能量在一定程度上改善了晶粒粗大、金属间化合物层较厚等部分问题，为获得优质焊接接头起到一定有利作用。其不足之处是此方法在焊前需要经过喷丸处理，无疑增加了设备复杂的程度；在焊接大板或长板方面，超声波的作用弱化，仅对局部区域适用，此外超声波辅助焊接并未让钢基体界面发生较大弯曲，无法实现机械咬合作用。

cn103240478b公开了异种用于铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊方法，其以gtaw弧焊电源为主要加热热源系统，其中，高熔点母材置于搭接底部，低熔点母材置于搭接上部。在保护气氛围内，通过啃削头在熔池内加压搅拌液相钎料，促进钎料润湿铺展，降低了加压压力，能够实现非结构件的有效焊接。然而，该方法无法解决异种金属线膨胀系数差异性，仍然存在较多缺陷。同时，该焊接方法不能适用于普通结构件，接头抗剪强度较低，从而大大限制了该方法的应用范围。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于啃削辅助的异种金属电弧熔-钎焊方法，其能够提高焊接接头的力学性能和焊接效率，减小焊接接头线膨胀系数差异。

本发明所述的基于啃削辅助的异种金属电弧熔-钎焊方法，其包括如下步骤：

步骤一，将两个异种待焊金属母材固定于焊接平台上，装配成对接接头，两个待焊金属母材之间留有0.5～3mm的装配间隙；

步骤二，调整搅拌头、电弧焊枪和焊丝之间的相对位置，搅拌头中心线、电弧焊枪中心线、焊丝中心线与焊接方向处于同一平面，电弧焊枪在前、搅拌头在后，电弧焊枪钨极尖端与搅拌头尖端之间的水平距离为7～15mm；

步骤三，设置焊接参数，焊丝的送丝速度为680～1500mm/min，电弧焊枪的焊接电流为70～110a，弧长为2～5mm，搅拌头转速为1300～5400r/min，焊接速度为44～150mm/min，采用氩气作为保护气体，保护气体流量为8～20l/min；

步骤四，开始焊接，焊接平台带动待焊金属母材移动，搅拌头朝装配间隙垂直进给，电弧焊枪加热焊丝形成熔滴，熔滴累积在装配间隙中形成熔池，搅拌头切削待焊金属母材待焊面产生碎屑，待焊面切削深度为0.3～0.5mm，所述碎屑在搅拌头旋转作用下弥散分布于熔池中；

步骤五，焊接结束时，升起搅拌头，延迟关闭保护气，空冷冷却。

进一步，所述步骤二中焊丝由送丝机从电弧焊枪前方送丝，所述步骤二中焊丝由送丝机从电弧焊枪前方送丝，送丝角度为70～85°，电弧焊枪与竖直方向之间的夹角为0～30°，搅拌头与竖直方向之间的夹角为0～30°，且搅拌头与电弧焊枪的空间位置互不干涉。

进一步，所述焊丝为zn-al系、al-cu系、al-si系或al-si-cu-ni系钎料，焊丝的液相线温度小于的固相线温度，焊接温度处于焊丝固液区间内。

进一步，所述搅拌头长度h与待焊金属母材的板厚δ的关系为：1mm<h-δ<4mm；所述搅拌头包括柄部和与柄部连接的啃削部，所述啃削部自端面向柄部方向设有多个台阶，所述多个台阶直径自远离柄部方向减小，所述熔点高的待焊金属母材加工有与啃削部对应的坡口，坡口角度与啃削部单边锥度相同，保证单个台阶切削待焊金属母材待焊面的切削深度相同，所述熔点低的待焊金属母材加工有避让坡口，防止与啃削部接触。

进一步，所述啃削部单边锥度为5～45°，啃削部的台阶数量为3～8个，啃削部整体长度为3～8mm、啃削部尖端直径为1～3mm，啃削部根部直径为4～15mm。

进一步，所述啃削部外周面加工有双螺旋槽，该双螺旋槽以靠近根部台阶的第二台阶作为起始点，起始角度分别为0°和180°，深度为0.3mm，螺距为3mm。

进一步，所述啃削部呈锥柱状，其外周设有切削刃，该切削刃沿啃削部的锥柱面呈螺旋设置，上下相邻两个切削刃间距为0.2～1.5mm。

进一步，所述搅拌头材质为硬质合金，优选地，所述硬质合金包括三种类型，分别为钨钴类硬质合金，牌号为yg6、yg8或yg610；钨钴类硬质合金，牌号为yt5、yt14或yt15；钨钛钽(铌)类硬质合金，牌号为yw1、yw2a或yw2。

进一步，所述待焊金属母材的材质为钢、钛合金或铝合金。

1、本发明通过适当调整搅拌头对待焊金属母材的切削深度，在待焊金属母材待焊面处切削剥离产生碎屑，由于搅拌头高速旋转将细小的碎屑弥散梯度分布于熔池中，冷凝后形成焊接接头，减小了焊接接头金属线膨胀系数，从而有效缓解了接头残余应力。并且在搅拌头啃削条件下，从待焊金属母材上剥离下的碎屑颗粒与焊接接头金属发生冶金反应，避免了碎屑成为焊缝夹杂，提高了焊接接头的力学性能。

2、本发明通过搅拌头机械去除母材基体氧化膜，无需化学钎剂即可实现焊接，避免了接头存在化学残留，增强了接头的耐腐蚀性能。

3、本发明通过在搅拌头的啃削部上设置多个台阶，多个台阶直径自远离柄部方向减小，所述熔点高的待焊金属母材加工有与啃削部对应的坡口，坡口角度与啃削部单边锥度相同，保证单个台阶切削待焊金属母材待焊面的切削深度相同，进而在熔点高的待焊金属母材一侧获得弯曲且不规则的接头界面，增强了界面机械咬合作用，有利于提高焊接接头界面强度，并且界面处的imcs层以断续且弯曲的形式存在，降低了裂纹在界面的扩展能力，提高了界面抗裂能力。所述熔点低的待焊金属母材加工有避让坡口，防止与啃削部接触，进而使得啃削部仅切削熔点高的待焊金属母材的待焊面，保证了熔池的弥散强化碎屑材质唯一。

4、本发明通过适当调整搅拌头对待焊金属母材的切削深度，生成尺寸细小且数量可控的颗粒钢屑，容错率高，同时在电弧加热作用下，通过限定切削量能够避免在焊接接头处产生夹杂缺陷。

附图说明

图1是本发明焊丝、电弧焊枪和搅拌头的布置示意图；

图2是图1中a区域的局部放大示意图；

图3是本发明的工作示意图；

图4是本发明搅拌头的结构示意图；

图5是本发明实施例一焊接接头的宏观示意图；

图6是本发明实施例一焊接接头界面微观形貌图；

图7是本发明实施例二焊接接头界面微观形貌图。

图中，1—焊丝，2—tig电弧焊枪，3—搅拌头，31—柄部，32—啃削部，4—钢板，5—铝合金板，51—避让坡口，6—装配间隙，7—熔池，8—焊接平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

实施例一，一种基于啃削辅助的异种金属电弧熔-钎焊方法，其包括如下步骤。

步骤一，参见图3，选用的搅拌头3包括柄部31和与柄部31连接的啃削部32，所述啃削部自32端面向柄部方向设有四个台阶，所述多个台阶直径自远离柄部31方向减小，所述啃削部32单边锥度为14°，啃削部32整体长度为6mm、啃削部32尖端直径为2mm，啃削部32根部直径为4mm。在钢板4的待焊面处加工有坡口，该坡口角度与啃削部32的锥度相同，在铝合金板5的待焊面处加工有避让坡口51，然后通过机械打磨法去除钢板4和铝合金板5表面氧化膜，并用丙酮清洗钢板4和铝合金板5表面；再将两个异种待焊金属母材固定于焊接平台8上，即将钢板4和铝合金板5通过刚性夹具固定于焊接平台8上，两者装配成对接接头，且待焊面之间留有2mm的装配间隙6。

步骤二，参见图1，调整搅拌头3、tig电弧焊枪2和焊丝1之间的相对位置，搅拌头中心线、tig电弧焊枪中心线、焊丝中心线与焊接方向处于同一平面，tig电弧焊枪2在前、搅拌头3在后，tig电弧焊枪2钨极尖端与搅拌头3尖端之间的水平距离为7mm，焊丝1由送丝机从tig电弧焊枪2前方送丝，送丝角度α为75°，tig电弧焊枪2与竖直方向之间的夹角β为10°，搅拌头3与竖直方向之间的夹角γ为30°，且搅拌头3与tig电弧焊枪2的空间位置互不干涉。

步骤三，设置焊接参数，焊丝1为al-si5，焊丝的送丝速度为680mm/min，tig电弧焊枪2的焊接电流为90a，弧长为3mm，搅拌头3转速为1700r/min，焊接速度为56mm/min，采用氩气作为保护气体，保护气体流量为10l/min。

步骤四，开始焊接，参见图3，焊接平台8带动待焊金属母材移动，搅拌头3朝装配间隙6垂直进给，tig电弧焊枪2加热焊丝1形成熔滴，熔滴累积在装配间隙6中形成熔池7，参见图4，搅拌头3切削钢板4待焊面产生钢屑，待焊面切削深度为0.3mm，所述钢屑在搅拌头3旋转作用下弥散分布于熔池7中。在搅拌头3啃削作用下，从钢板4上剥离下的颗粒钢屑与焊接接头金属发生冶金反应，避免了颗粒钢屑成为焊缝夹杂，提高了焊接接头的力学性能。

步骤五，焊接结束时，搅拌头3移动至钢板4结束端升起搅拌头3，停止送丝，关闭tig焊机，延迟关闭保护气，空冷冷却。

对得到的焊接接头进行形貌分析，参见图5，钢板4和铝合金板5之间的焊缝无孔洞、裂纹缺陷，靠近钢板4的界面呈现出明显的波浪状，这种具有一定的机械咬合特征的界面为焊缝强化提供了帮助。参见图6，焊接接头中弥散分布有小尺寸钢屑，减小了焊接接头金属线膨胀系数，从而有效缓解了接头残余应力。

实施例二，一种基于啃削辅助的异种金属电弧熔-钎焊方法，其包括如下步骤。

步骤一，选用的搅拌头包括柄部和与柄部连接的啃削部，所述啃削部自端面向柄部方向设有四个台阶，所述多个台阶直径自远离柄部方向减小，所述啃削部单边锥度为14°，啃削部整体长度为6.8mm、啃削部尖端直径为2mm，啃削部根部直径为4mm。在钢板的待焊面处加工有坡口，该坡口角度与啃削部的锥度相同，在铝合金板的待焊面处加工有避让坡口，然后通过机械打磨法去除钢板和铝合金板表面氧化膜，并用丙酮清洗钢板和铝合金板表面；再将即将钢板和铝合金板通过刚性夹具固定于焊接平台上，两者装配成对接接头，且待焊面之间留有2mm的装配间隙。

步骤二，调整搅拌头、tig电弧焊枪和焊丝之间的相对位置，搅拌头中心线、tig电弧焊枪中心线、焊丝中心线与焊接方向处于同一平面，tig电弧焊枪在前、搅拌头在后，tig电弧焊枪钨极尖端与搅拌头尖端之间的水平距离为7mm，焊丝由送丝机从tig电弧焊枪前方送丝，送丝角度为75°，tig电弧焊枪与竖直方向之间的夹角为10°，搅拌头与竖直方向之间的夹角为30°，且搅拌头与tig电弧焊枪的空间位置互不干涉。

步骤三，设置焊接参数，焊丝为zn-al15钎料，焊丝的送丝速度为680mm/min，tig电弧焊枪的焊接电流为70a，弧长为3mm，搅拌头转速为1700r/min，焊接速度为80mm/min，采用氩气作为保护气体，保护气体流量为20l/min。

步骤四，开始焊接，焊接平台带动待焊金属母材移动，搅拌头朝装配间隙垂直进给，电弧焊枪加热焊丝形成熔滴，熔滴累积在装配间隙中形成熔池，搅拌头切削钢板待焊面产生钢屑，待焊面切削深度为0.4mm，所述钢屑在搅拌头旋转作用下弥散分布于熔池中。

步骤五，焊接结束时，搅拌头移动至钢板结束端升起搅拌头，停止送丝，关闭tig焊机，延迟关闭保护气，空冷冷却。参见图7，钢板和铝合金板之间的焊缝无孔洞、裂纹缺陷，靠近钢板的界面呈现出明显的波浪状，这种具有一定的机械咬合特征的界面为焊缝强化提供了帮助。并且焊接接头中弥散分布有钢屑颗粒，减小了焊接接头金属线膨胀系数，从而有效缓解了接头残余应力。

实施例三，一种基于啃削辅助的异种金属电弧熔-钎焊方法，其包括如下步骤。

步骤一，选用的搅拌头包括柄部和与柄部连接的啃削部，所述啃削部自端面向柄部方向设有四个台阶，所述多个台阶直径自远离柄部方向减小，所述啃削部单边锥度为14°，啃削部整体长度为5.5mm、啃削部尖端直径为2mm，啃削部根部直径为4mm。在钢板的待焊面处加工有坡口，该坡口角度与啃削部的锥度相同，在铝合金板的待焊面处加工有避让坡口，然后通过机械打磨法去除钢板和铝合金板表面氧化膜，并用丙酮清洗钢板和铝合金板表面；再将即将钢板和铝合金板通过刚性夹具固定于焊接平台上，两者装配成对接接头，且待焊面之间留有2mm的装配间隙。

步骤二，调整搅拌头、tig电弧焊枪和焊丝之间的相对位置，搅拌头中心线、tig电弧焊枪中心线、焊丝中心线与焊接方向处于同一平面，tig电弧焊枪在前、搅拌头在后，tig电弧焊枪钨极尖端与搅拌头尖端之间的水平距离为7mm，焊丝由送丝机从tig电弧焊枪前方送丝，送丝角度为75°，tig电弧焊枪与竖直方向之间的夹角为10°，搅拌头与竖直方向之间的夹角为30°，且搅拌头与tig电弧焊枪的空间位置互不干涉。

步骤三，设置焊接参数，焊丝为al-cu6，焊丝的送丝速度为680mm/min，电弧焊枪的焊接电流为80a，弧长为3mm，搅拌头转速为3000r/min，焊接速度为120mm/min，采用氩气作为保护气体，保护气体流量为15l/min。

步骤四，开始焊接，焊接平台带动待焊金属母材移动，搅拌头朝装配间隙垂直进给，电弧焊枪加热焊丝形成熔滴，熔滴累积在装配间隙中形成熔池，搅拌头切削钢板待焊面产生钢屑，待焊面切削深度为0.3mm，所述钢屑在搅拌头旋转作用下弥散分布于熔池中。

步骤五，焊接结束时，搅拌头移动至钢板结束端升起搅拌头，停止送丝，关闭tig焊机，延迟关闭保护气，空冷冷却。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。