专利名称：一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种焊接方法，特别是一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，属于材料连接技术领域。
背景技术：
由于具有高比强度、高耐磨性、可热处理性好、制备工艺灵活等优点，颗粒增强铝基复合材料在航空、航天、军事、汽车、电子等领域有着广泛的应用前景。作为新一代的先进工程材料，颗粒增强铝基复合材料的焊接问题是目前国内外学者的研究热点。从目前的研究现状来看，所有适用于铝合金的焊接方法均可适用于铝基复合材料的焊接，但由于基本铝合金与增强相之间的物理性能的差异以及热力学的不稳定性，利用常规熔焊方法很难获得高质量的焊接接头。搅拌摩擦焊是英国焊接研究所在1991年发明的一种固相连接技术，具有低变形、高强度、无常规熔焊缺陷与绿色无污染等优点，它的出现在颗粒增强铝基复合材料的连接提供了一条新的思路。在铝基复合材料中SiC等增强相的硬度非常高，如果利用采用普通材料制作搅拌工具的话，在焊接后期搅拌摩擦头的磨损会非常严重，甚至会有折断的危险，因此，有人提出利用GT35钢结硬质合金来制造搅拌针，但GT35钢结硬质合金的价格非常昂贵，不利于搅拌摩擦焊技术在颗粒增强铝基复合材料中推广与应用。
发明内容
本发明为了解决现有常规搅拌摩擦焊技术在连接颗粒增强铝基复合材料时存在搅拌工具磨损严重且搅拌工具的制造成本高等缺点，提出一种基于轴肩固定、 搅拌针高速旋转且振动的超声辅助半固态搅拌摩擦焊方法。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，具体采用以下步骤步骤一、将焊件A和焊件B对接放置且位于同一水平面上，并用夹具装夹在工作台上。步骤二、组成搅拌工具的搅拌针呈锯齿状，其最大直径大于I. 5倍工件厚度且锥角小于5°，搅拌针以1000 5000rpm的转速扎入待焊部位；组成搅拌工具的轴肩固定，且轴肩直径大于2倍的工件厚度；超声换能器的超声波通过与超声变幅杆相联的搅拌针直接传递到待焊接区内部，超声波的参数如下频率为16 60K以及振幅为20 50 μ m ;搅拌工具扎入速度为I 4mm/min，搅拌针扎入工件深度比工件厚度小O. I O. 3mm，轴肩不扎入工件，保持轴肩端面与工件上表面紧密贴合，以便于改善焊缝表面的质量并减少接头的强度损失。步骤三、当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转I 5分钟；然后，搅拌工具以50 1000mm/min的速度沿着焊件A与焊件B的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。本发明的有益效果是一、搅拌针高速旋转且振动与焊接件相互摩擦为待焊部分提供大量的热，导致材料温度介于固相线与液相线温度之间(即半固态温度)，使得搅拌针附近材料的软化程度加大，旋转扭转与前进阻力相应的减少，可有效防止隧道、S形线等缺陷的产生以及降低了对装夹工具和搅拌工具的要求，适用于颗粒增强铝基复合材料的焊接。二、搅拌工具的轴肩固定且不扎入工件表面，对处于软化状态下的焊接材料进行碾压，可防止搅拌区材料流出焊件，避免飞边缺陷的产生，使焊件的表面质量更好，大大提高了焊接头的力学性能。三、将搅拌针、超声变幅杆及超声换能器做成一个整体，搅拌针的锥角较小且成锯齿状，可增加与待焊材间的接触面积，都有利于超声波有效地放大并传递到焊接部分的内部，利用超声波的特性来细化晶粒以及减少焊材对搅拌针的磨损作用，提高接头性能，推动焊接技术在颗粒增强铝基复合材料中的应用。
图I是搅拌工具的结构示意图。图2是适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接过程示意图。图3是搅拌摩擦焊接过程搅拌工具与两块待焊板材的位置关系示意图。
具体实施例方式如图I所示搅拌针I、超声变幅杆3及超声换能器4被做成一个整体，有效的将超声波放大并传递到待焊部分；搅拌工具5由搅拌针I、固定轴肩2、超声变幅杆3及超声换能器4组成，固定轴肩2套装在搅拌针I上，其中搅拌针I的锥角较小且成锯齿状，可增加与焊材间的接触面积，进而提高了超声波的影响效能和提高待焊接部分的温度。如图2所示将焊件A6和焊件B7对接放置且位于同一水平面上(即将焊件A6与焊件B7组对)，所述焊件A6和焊件B7均为板材。如图3所示固定轴肩2的下端面与待焊件的上表面保持紧密贴合但不扎入，搅拌针I的扎入深度为H，焊接件A6与焊接件B7的厚度均为T。实施例一本实施方式所述的一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊工艺方法是按照以下步骤实现的步骤一、将焊件A6和焊件B7对接放置且位于同一水平面上(即将焊件A6与焊件 B7组对))，并用夹具装夹在工作台上；所述焊件A6和焊件B7均为板材。步骤二、组成搅拌工具5的搅拌针I呈锯齿状，最大直径大于I. 5倍工件厚度，且锥角小于5°，以1000 5000rpm的转速扎入待焊部位(即焊件A6与焊件B7的对接面); 组成搅拌工具5的轴肩2固定(即不旋转)且轴肩直径大于2倍的工件厚度；超声换能器 4的超声波通过与超声变幅杆3相联的搅拌针I直接传递到待焊接区内部，超声波的参数如下频率为16 60K以及振幅为20 50 μ m ;搅拌工具5扎入速度为I 4mm/min，搅拌针 I扎入工件深度比工件厚度小O. I O. 3mm，轴肩2不扎入工件，保持轴肩端面与工件上表面紧密贴合，以便于改善焊缝表面的质量并减少接头的强度损失。步骤三、当搅拌工具5达到设定的下扎深度时，搅拌针I停止下扎且继续旋转I 5分钟；然后，搅拌工具4以50 2500mm/min的速度沿着焊件A6与焊件B7的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。
实施例二本实施方式在步骤二中，所述的搅拌针的旋转速度为3000 5000rpm。可根据焊件A6与焊件B7以及焊接过程中的温度的具体情况来选择搅拌针的旋转速度，使工件达到半固态。其它步骤与实施例一方案相同。实施例三本实施方式在步骤二中，所述的超声波频率为40K 60K。可根据焊件A6与焊件 B7的具体情况以及搅拌针I的磨损情况来选择超声波的频率，使焊核及其附近区域的晶粒得到充分细化，提高接头性能。其它步骤与实施例一方案相同。实施例四本实施方式在步骤三中，所述的搅拌工具5以50 200mm/min的速度沿着水平方向移动。可根据焊件A6与焊件B7以及焊接过程中的温度具体情况来选择搅拌工具的移动速度，使工件达到半固态。其它步骤与实施例一方案相同。实施例五本实施方式在步骤三中，所述的当搅拌工具5达到设定的下扎深度时，搅拌针I停止下扎且继续旋转4 5分钟。可根据焊件A6与焊件B7以及焊接过程中的温度的具体情况来选择搅拌针的继续旋转时间，使工件得到充分的预热，使工件更容易达到半固态。其它步骤与实施例四方案相同。
权利要求
1.一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，具体采用以下步骤步骤一、将焊件A和焊件B对接放置且位于同一水平面上，并用夹具装夹在工作台上；步骤二、组成搅拌工具的搅拌针呈锯齿状，其最大直径大于I. 5倍工件厚度且锥角小于5°，搅拌针以1000 5000rpm的转速扎入待焊部位；组成搅拌工具的轴肩固定，且轴肩直径大于2倍的工件厚度；超声换能器的超声波通过与超声变幅杆相联的搅拌针直接传递到待焊接区内部，超声波的参数如下频率为16 60K以及振幅为20 50 μ m ;搅拌工具扎入速度为I 4mm/min，搅拌针扎入工件深度比工件厚度小O. I O. 3mm，轴肩不扎入工件，保持轴肩端面与工件上表面紧密贴合；步骤三、当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转I 5分钟； 然后，搅拌工具以50 1000mm/min的速度沿着焊件A与焊件B的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。
2.如权利要求I所述的一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征在于所述的焊件A和焊件B均为板材。
3.如权利要求I所述的一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征在于所述的搅拌工具由搅拌针、固定轴肩、超声变幅杆及超声换能器组成，固定轴肩套装在搅拌针上，搅拌针、超声变幅杆及超声换能器为一个整体。
4.如权利要求I所述的一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征在于在步骤二中，搅拌针的旋转速度为3000 5000rpm。
5.如权利要求I所述的一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征在于在步骤二中，所述的超声波频率为40K 60K。
6.如权利要求I所述的一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征在于在步骤三中，所述的搅拌工具以50 200mm/min的速度沿着水平方向移动。
7.如权利要求6所述的一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征在于在步骤三中，所述的当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转4 5分钟。
全文摘要
一种基于搅拌工具旋转且振动的适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊工艺法，解决了现有常规搅拌摩擦焊技术在连接颗粒增强铝基复合材料时存在搅拌工具磨损严重且搅拌工具的制造成本高等问题。将焊件A和焊件B对接装夹在工作台上；搅拌工具的搅拌针以1000～5000rpm的转速扎入待焊部位，搅拌工具的固定轴肩不旋转且不扎入工件，保持固定轴肩的下端面与工件上边面紧密贴合；超声换能器的超声波通过与超声变幅杆相联的搅拌针直接传递到待焊接区内部；当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌工具以50～1000mm/min的速度沿着焊缝方向移动。本发明有效的将超声波传递到待焊接部分，不仅细化了搅拌区的晶粒还可大大降低搅拌针的磨损。
文档编号B23K20/12GK102581473SQ20121006001
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者吕赞, 姬书得, 岳玉梅, 张利国, 李亮, 许志武 申请人:沈阳航空航天大学