一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊方法，属于焊接技术领域。
【背景技术】
[0002]搅拌摩擦焊(Frict1n Stir Welding，FSff)作为一种先进的固相连接技术，它是利用摩擦热作为焊接热源，在焊接过程中由一个圆柱体形状的焊头(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，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。搅拌摩擦焊具有焊接变形小、残余应力小，焊接接头质量高，焊接时无需保护气体、可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，不产生弧光、烟尘、噪音污染，同时又具有焊接操作简单、便于自动化焊接等显著优点。
[0003]近些年来，为节省能源，高速列车、汽车以及航天工程中的轻量化大大提高了铝镁合金材料的应用，铝镁合金材料的应用必然涉及到铝-镁、铝-钢、铝-铜等异种金属材料之间的连接。现在异种材料的焊接方法大体分为熔焊、钎焊和压力焊。熔焊不仅易产生金属间化合物，还会在接头处产生缺陷以及一些附加产物。而钎焊和压力焊效率低，对工件的形状和尺寸有特殊的要求，不适于大批量的生产。所以搅拌摩擦焊是一种较好的异种金属材料焊接的方法。但异种金属材料间的搅拌摩擦焊，焊接时存在金属间固溶度低、热物理性能差异大等问题，并且两者之间极易反应生成脆性金属间化合物，影响异种金属焊接接头的力学性能。目前，解决这个问题的方法主要集中在在搭接接头间添加中间金属(焊料)的方法。
[0004]中国专利文献CN103934584A公开了一种适于铝钢异种材料搭接的钎焊辅助搅拌摩擦焊方法，在异种材料搭接接头间添加纯锌或者铝锌薄片然后对其进行搅拌摩擦焊接，以消除铝钢异种材料搭接接头中金属间化合物的产生，提高焊接质量。但搭接接头的方法浪费材料，焊接质量受中间金属厚度影响大，可靠性低。因此，为了轻量化和节省材料，在很多工业领域，异种金属材料焊接结构中应尽量减少搭接接头，而使用对接接头。对于异种金属对接接头的焊接，接头中金属间化合物的控制是获得优质接头的关键，目前针对异种金属主要是直接对接焊，未提出对金属间化合物的有效控制措施。所以，亟需寻求一种焊接效果好并节省材料的，可以控制异种材料间金属化合物的搅拌摩擦焊方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊方法。该焊接方法解决了异种金属材料焊接时由于容易形成异种金属间化合物导致的焊接接头脆化、焊接强度低以及因热膨胀系数差异大而造成的焊接接头的易产生缺陷和性能差等问题。且该焊接方法操作简单，节省材料，焊接接头质量好，扩大了搅拌摩擦焊在异种金属材料对接焊接中的应用。
[0006]本发明实现其发明目的采取的技术方案是:一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊方法，其步骤如下:
[0007]A、在待焊的异种材料的板材一和板材二对接位置处加工坡口，坡口的宽度为
0.5?5_，且小于搅拌摩擦焊设备的搅拌针的直径，坡口的深度小于板厚；
[0008]B、选取与板材一和板材二材料均不同的，熔点至少低于板材一和板材二中的一种板材的熔点的中间金属，并将中间金属加工成所述坡口的形状，得到块状焊料；
[0009]C、清理板材坡口及其周围区域，去除表面的氧化物；
[0010]D、将B步得到的块状焊料加入到C步的板材的坡口中，进行搅拌摩擦焊焊接。
[0011]本发明的工作原理是:对异种材料的两板材开坡口，在坡口部位添加与坡口形状相同的块状焊料；焊接时，一方面轴肩和块状焊料以及两板材表面摩擦产生摩擦热，另一方面搅拌针与块状焊料、两板材摩擦产生摩擦热和塑性变形热，使坡口中的金属处于熔化或半熔化状态，在异种材料之间形成有效的连接，获得可靠的对接接头。
[0012]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0013]一、本发明通过简单的操作，有效地防止了异种金属材料直接接触，从而抑制异种金属材料之间形成脆性金属间化合物，使异种金属材料形成有效的连接，焊接效果好，焊缝成形美观。
[0014]二、本发明方法与搭接接头相比，大大节省了原材料，节约了焊接成本。
[0015]三、本发明方法降低了异种金属搅拌摩擦焊对接焊接的难度，扩大了搅拌摩擦焊在异种金属材料对接焊接中的应用。
[0016]进一步，本发明所述的A步中加工的坡口形状为V型、Y型或U型。
[0017]这几种坡口形状，方便中间金属的添加以及其在焊接过程中的固定，进一步得到性能优良的焊接接头。
[0018]更进一步，本发明所述的板材一的的材料为铝，板材二的材料为镁、钛或钢。
[0019]本发明所述的中间金属包括锌、镍、锡的纯金属或合金。
[0020]这样，通过向异种金属材料铝-镁之间加锌、铝-钛之间加镍、铝-钢之间加纯锌或铝锌，在对接搅拌摩擦焊时有效地防止了异种金属材料直接接触，从而抑制异种金属材料之间形成脆性金属间化合物，使异种金属材料形成有效的连接。
[0021]再进一步，本发明所述的D步中搅拌摩擦焊焊接的参数为:下压量0.1?0.5mm，焊接速度60?150mm/min，旋转速度为600?1500rpm，焊接倾角为2°?5°，搅拌头的轴肩直径为10?20mm，搅拌头的搅拌针的直径为3?1mm0
[0022]选取合适的焊接参数，可避免焊接接头的缺陷，从而获得良好的焊接质量；经试验标明，对于两板材的材料为铝-镁、铝-钛或铝-钢的对接焊接，上述焊接参数可获得质量好且无缺陷的接头。
[0023]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步描述。
【附图说明】
[0024]图1为本发明实施例一中两板材对接位置处加工坡口并放置块状焊料后的结构示意图。
[0025]图2为本发明实施例一搅拌摩擦焊过程的剖视结构图。
[0026]图2中，6表示搅拌摩擦焊接过程中，坡口处的中间金属、板材一和板材二形成的熔融金属混合物。
【具体实施方式】
[0027]实施例一
[0028]图1、图2示出，本发明的一种【具体实施方式】是:一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊方法，其步骤如下:
[0029]A、在待焊的异种材料的板材一 I和板材二 2对接位置处加工V型坡口，坡口的宽度为0.5?5mm，且小于搅拌摩擦焊设备的搅拌针5的直径，坡口的深度小于板厚；
[0030]B、选取与板材一 I和板材二 2材料均不同的，熔点至少低于板材一 I和板材二 2中的一种板材的熔点的中间金属，并将中间金属加工成所述坡口的形状，得到块状焊料3 ;
[0031]C、清理板材坡口及其周围区域，去除表面的氧化物；
[0032]D、将B步得到的块状焊料3加入到C步的板材的坡口中，进行搅拌摩擦焊焊接。
[0033]本例中所述的板材一 I的的材料为铝，板材二 2的材料为镁、钛或钢。
[0034]本例中所述中间金属包括锌、镍、锡的纯金属或合金。
[0035]本例中所述的D步中搅拌摩擦焊焊接的参数为:下压量0.1?0.5mm，焊接速度60?150mm/min，旋转速度为600?1500rpm，焊接倾角为2°?5°，搅拌头的轴肩4直径为10?20mm，搅拌头的搅拌针5的直径为3?10mm。
[0036]实施例二
[0037]本例与实施例一的步骤基本相同，不同的仅仅是:本例A步的在待焊的异种材料的板材一I和板材二 2对接位置处加工U型或Y型坡口。
【主权项】
1.一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊方法，其步骤如下: A、在待焊的异种材料的板材一(I)和板材二(2)对接位置处加工坡口，坡口的宽度为0.5?5_，且小于搅拌摩擦焊设备的搅拌针(5)的直径，坡口的深度小于板厚； B、选取与板材一(I)和板材二(2)材料均不同的，熔点至少低于板材一(I)和板材二(2)中的一种板材的熔点的中间金属，并将中间金属加工成所述坡口的形状，得到块状焊料(3)； C、清理板材坡口及其周围区域，去除表面的氧化物； D、将B步得到的块状焊料(3)加入到C步的板材的坡口中，进行搅拌摩擦焊焊接。
2.根据权利要求1所述的一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述的A步中加工的坡口形状为V型、Y型或U型。
3.根据权利要求1所述的一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述的板材一⑴的的材料为铝，板材二⑵的材料为镁、钛或钢。
4.根据权利要求1所述的一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述中间金属包括锌、镍、锡的纯金属或合金。
5.根据权利要求3所述的一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述的D步中搅拌摩擦焊焊接的参数为:下压量0.1?0.5mm，焊接速度60?150mm/min，旋转速度为600?1500rpm，焊接倾角为2°?5°，搅拌头的轴肩(4)直径为10?20mm，搅拌头的搅拌针(5)的直径为3?1mm0
【专利摘要】本发明公开了一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊方法，其步骤如下：A、在待焊的异种材料的板材一和板材二对接位置处加工坡口，坡口的宽度为0.5～5mm，且小于搅拌摩擦焊设备的搅拌针的直径，坡口的深度小于板厚；B、选取与板材一和板材二材料均不同的，熔点至少低于板材一和板材二中的一种板材的熔点的中间金属，并将中间金属加工成所述坡口的形状，得到块状焊料；C、清理板材坡口及其周围区域，去除表面的氧化物；D、将B步得到的块状焊料加入到C步的板材的坡口中，进行搅拌摩擦焊焊接。该焊接方法操作简单，节省材料，焊接接头质量好，扩大了搅拌摩擦焊在异种金属材料对接焊接中的应用。
【IPC分类】B23K20-12, B23K20-24, B23K103-18
【公开号】CN104842062
【申请号】CN201510201881
【发明人】李达, 肖长源, 张敏敏, 陈兵, 范兴文
【申请人】西南交通大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月24日