一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法，即在待焊位置处预置钎料后，启动无针工具旋转，通过肩部与上板表面的摩擦热熔化钎料，经原位摩擦数秒后，停车并施加顶锻，在免磨损、无匙孔情况下，完成大面积点焊过程。本发明通过摩擦阶段工具对界面的扭转作用、原位摩擦阶段钎料对母材的溶解作用、停车阶段工具对界面的顶锻压作用，使氧化膜易于破碎，且氧化膜碎片易于随合金化后的液态钎料挤出，同时改善了界面润湿性与最终致密性，消除了含有脆性相的结晶组织，改善了钎缝韧性，可用于电力金具、电触头、炊具、混合动力汽车电极串联焊接、汽车与飞机制造中薄铝板的搭接焊接等场合。
【专利说明】一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接领域，涉及铜、铝、银等组合搭接接头的局部搭接方法，具体涉及 一种用于铜、铝、银等金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法。
【背景技术】
[0002] 传统电阻点焊具有效率高、免保护的显著优点，但存在以下不足：（1)能耗高： 要求电源瞬间提供大功率，对供电能力有苛求；（2)不适于母材为铜、铝、银类电阻率很 低的母材。近年来，受英国焊接研究所1991年发明的搅拌摩擦焊方法的启示，日本与德 国相继报道了两种通过摩擦实现点焊的新工艺：（1)采用传统带针工具的搅拌摩擦点焊 (Friction Stir Spot Welding，FSSW)技术；（2)采用设计复杂的专利工具的回填式搅拌摩 擦点焊技术（Refilling friction stir spot welding)。与传统电阻点焊相比，它们均具有 节能的明显优势。
[0003] 第一种方法是日本Mazda汽车公司与川崎重工于1993年发明的搅拌摩擦点焊 (Friction Stir Spot Welding, FSSW)方法。该技术采用的工具仍是普通搅拌摩擦焊常 用的带针工具，只是取消了移动工序，因此可用于点焊工况，具体的焊接过程可分为3个阶 段：a.下压过程：高速旋转搅拌头压入工件中，在压力作用下工件与搅拌头之间摩擦产热， 软化周围材料，搅拌头进一步压入工件，直至肩与上板表面接触，针穿过焊接界面；b.焊接 过程：搅拌头插入下板上表面一定深度，使轴肩也压入上板上表面极小深度保证焊接过程 摩擦热的输入，保持搅拌头压力旋转一定时间；c.撤退过程：点焊结束后，搅拌头脱离工 件，在点焊缝中心留下典型的退出凹孔，即匙孔。这种"带有匙孔的搅拌摩擦点焊"方法的 优点是焊接速度很快，并且焊接设备和控制系统比较简单，容易集成到大批量的汽车组装 生产线中，目前Mazda公司已将该技术用于生产。该技术巧妙利用了搅拌摩擦焊特有的针 外围的热一力影响区实现了上/下界面的焊合。该技术因沿用了经典搅拌摩擦焊的工具， 由此带来的缺点主要有：（1)焊接面积有限，取决于针的直径；（2)焊后有匙孔残留；（3)若 其中一种母材较为坚硬，针的磨损严重；(4)匙孔使下板减薄。
[0004] 第二种方法是德国GKSS研究中心于1999年发明的回填式搅拌摩擦点焊 (Refilling friction stir spot welding)。该技术的核心是对工具进行了改进设计，其专 利工具设计复杂。特征主要在于：（1)其针是可回抽的；（2)在针外围设计有同样可回抽、 旋转的内套筒；（3)在内套筒之外另设计有外套筒。通过错开内套筒与针的压入时刻，一方 面实现上/下母材混合；一方面回填匙孔。该技术虽具有能回填匙孔的优点，但缺点在于： (1)工具设计与制备复杂、操作复杂；（2)焊接面积有限；（3)当有一种母材强度较高时，针 磨损严重。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊 (FSSB:Friction Stir Spot Brazing)方法，可以获得界面致密、无脆性结晶组织、无匙孔、 免磨损、大面积、高效、节能的焊接效果。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。
[0007] 1)将板材A及板材B的待焊面打磨清洗干净后以搭接接头形式装配（装配后板材 A及板材B即形成上板和下板的位置关系），将钎料预置在板材A与板材B的搭接界面处；
[0008] 2)将板材A、板材B以及钎料按上述原则装配后固定于工作台上，然后启动搅拌工 具旋转、下压，搅拌工具无需倾斜，待搅拌工具肩部与上板表面完全接触后压入上板表面一 定深度，保持原位摩擦一定时间，以便用摩擦热熔化钎料，使液态钎料被顺利挤出；
[0009] 3)原位摩擦结束后切断电机电源，同时通过升起工作台或下压搅拌工具对点焊接 头（焊接界面）施加顶锻作用力，以消除缺陷，改善致密性，并尽量挤出残留液相，保持顶锻 作用力直至搭接接头冷却，然后使搅拌工具撤退，从而实现板材A与板材B的点钎焊连接。 [0010] 所述板材A及板材B的材料为Cu、含Cu合金、Al、含Al合金、Ag或含Ag合金，所 述钎料为锌箔。
[0011] 当上板厚度小于5mm时，使用无针搅拌工具；当上板厚度大于等于5mm时，为加强 搅拌工具对界面的力学作用，使用带针搅拌工具，并使针的端部接近焊接界面但不穿透焊 接界面。
[0012] 选择板材A与板材B中屈服强度较低的板材作为上板，以减轻工具磨损，同时强化 工具对焊接界面的力学作用效果。
[0013] 当点焊接头（搭接接头）为Al/Cu或Ag/Cu组合时，为避免Al与搅拌工具发生粘 连及贵重金属Ag的损耗，选择Cu板作为上板。
[0014] 当上板材质只能是纯铝时，为防止铝材与钢质工具端部发生粘连，采用硬质合金 搅拌工具或其他不易与铝发生粘连的材料所制成的搅拌工具。
[0015] 当表面成形要求高而需要限制飞边高度时，所述搅拌工具包括主轴肩以及在主轴 肩外设置的用于压平飞边的二级轴肩。
[0016] 当要求有效摩擦直径< IOmm,应采用锥形结构的搅拌工具。
[0017] 当上板厚度<5mm时，搅拌工具压入上板表面的深度h的取值范围为 0. Imm < h < 0. 3mm。
[0018] 本发明的有益效果体现在：
[0019] 与现有搅拌摩擦点焊技术相比，本发明同时增大了焊接面积（焊接面积取决于肩 的直径，远大于针的直径），消除了针的磨损，简化了工具设计制造。与传统炉中钎焊相比， 活用了工具的力学作用，包括旋转工具对界面的扭转作用与顶锻作用，既改善了界面去膜 能力、润湿性，又消除了脆性结晶组织与裂纹等缺陷，兼具节能、高效（加热/冷却迅速）、免 保护等优势。优异的去膜能力与消除脆性结晶组织的能力使本发明搅拌摩擦点钎焊技术尤 为适于铝（镁）与异种金属的快速小面积焊接工况，可用于电力金具、电触头、炊具、混合动 力汽车电极串联焊接、汽车与飞机制造中薄铝板的搭接焊接等场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为本发明所述用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊（FSSB:Friction Stir Spot Brazing)方法示意图；其中：（a)工件夹紧后，无针搅拌头下压；(b)下压一定深 度后，无针搅拌头原位摩擦一定时间；（c)原位摩擦结束后，无针搅拌头迅速下压对焊接界 面施加一定顶锻力；（d)焊缝充分冷却后，无针搅拌头撤退，搅拌摩擦点钎焊过程完成；（e) 工件夹紧后，带针搅拌头下压；（f)下压一定深度后，带针搅拌头原位摩擦一定时间；(g)原 位摩擦结束后，带针搅拌头迅速下压对焊接界面施加一定顶锻力；(h)焊缝充分冷却后，带 针搅拌头撤退，搅拌摩擦点钎焊过程完成；图1中：1为钎料箔，2为挤出液态钎料，3为冷却 液态钎料；
[0021] 图2为带匙孔的搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding, FSSW)过程示意 图；其中：(a)下压过程；(b)焊接过程；（c)撤退过程；图2中：4为匙孔；
[0022] 图3为回填式搅拌摩擦点焊示意图；其中：(a)焊接开始-摩擦产热-材料塑化，5 为探针，6为夹套，7为袖筒；(b)第二阶段-探针上移，袖筒下移；（c)第三阶段-探针袖筒 反方向运动；（d)第四阶段-焊接完成-脱离工件；
[0023] 图4为本发明所述为提高工具刚性与稳定性的具有锥形结构的无针搅拌头（a)和 飞边自消除无针搅拌头（b)示意图；图4中：8为夹持端，9为挡板，10为锥形结构，11为主 轴肩，13为二级轴肩；
[0024] 图5为搅拌头材质对点钎焊接头表面成形和接头质量的影响，（a)为不锈钢搅拌 头与Al母材粘连，12为粘连的柱状体Al母材；(b)为硬质合金搅拌头与Al母材不粘连；
[0025] 图6为Cu/Al组合搅拌摩擦点钎焊原位摩擦时间和接头焊接温度关系曲线图；
[0026] 图7为Cu/Al组合搅拌摩擦点钎焊原位摩擦时间和接头拉剪载荷关系曲线图；(a) 未加顶锻；(b)添加顶锻；
[0027] 图8为Cu/Al组合搅拌摩擦点钎焊未加顶锻试样拉剪试样在拉伸测试后断裂宏观 形貌（a)和拉剪载荷-位移曲线（b)图；
[0028] 图9为Cu/Al组合搅拌摩擦点钎焊加顶锻试样拉剪试样在拉伸测试后断裂宏观形 貌（a)和拉剪载荷-位移曲线（b)图；
[0029] 图10为Cu/Al搅拌摩擦点钎焊接头与铝母材抗拉强度对比柱状图；其中：(a)轧 制态铝母材（1060)抗拉强度；(b)未加顶锻Cu/Al点钎焊接头抗拉强度；（c)加顶锻Cu/Al 点钎焊接头抗拉强度；
[0030] 图11为未加顶锻Cu/Al组合点钎焊接头典型区域显微组织图；其中：(a)未加顶 锻Cu/Al组合点钎焊接头低倍照片；(b)对应A区2000倍显微照片；（c)对应B区2000倍 显微照片；（d)对应C区3000倍显微照片；
[0031] 图12为施加顶锻作用力Cu/Al组合点钎焊接头典型区域显微组织图；其中：(a) 施加顶锻Cu/Al组合点钎焊接头低倍照片；(b)对应D区1000倍显微照片；（c)对应E区 3000倍显微照片；（d)对应F区1000倍显微照片；
[0032] 图13为未加顶锻作用力Cu/Ag组合点钎焊接头宏观形貌和典型区域显微组织照 片；其中：（a)点钎焊接头正面宏观形貌；(b)点钎焊接头背面宏观形貌；（c) Cu/Ag组合点 钎焊接头横截面低倍照片；（d)对应G区3000倍显微照片；（e)对应H区3000倍显微照片； (f)对应I区3000倍显微照片；（g)对应J区3000倍显微照片。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
[0034] 申请者针对现有搅拌摩擦点焊技术存在的共性问题（焊接面积有限；针的磨损）、 特殊问题（残留匙孔；工具设计制造复杂），通过采用无针工具、预置钎料并增加顶锻工序， 提出了一种采用无针工具的搅拌摩擦点钎焊技术（FSSB:Friction Stir Spot Brazing), 获得界面致密、无脆性结晶组织、无匙孔、免磨损、大面积、高效、节能的焊接效果。基本工 序（含工具与钎料）见图1(a)?（d)。但是，若点焊组合的上板为厚板时（厚度大于等于 5mm)，考虑到应力应变场传递到焊接界面的强度随上板厚度的增加而迅速减少，应选择带 针搅拌头，具体情况见图1(e)?（h)，针的长度根据上板厚度来选取，保证搅拌针压入上板 一定深度但不穿透，通过针的添加，来加强搅拌工具对界面的力学作用，然而搅拌头轴肩的 压入深度和无针搅拌头压入深度的选取原则保持一致。
[0035] -种用于金属板材搭接组合（例如铜、铝、银组合搭接接头）的搅拌摩擦点钎焊方 法：
[0036] (1)先将〇· Imm厚的商业纯Zn箔和上、下板（上板厚度2?4mm)的待焊面均用 600号的水砂纸去除表面氧化膜，用无水乙醇清洗干净吹干后，将Zn钎料预置在搭接界面 处，并将搭接接头夹紧在工作台上（装夹方式根据实际工作条件来调整）；
[0037] (2)制备圆柱状的无针搅拌头，搅拌头有效摩擦直径的大小根据实际工作条件需 要来选取，在搅拌头有效摩擦直径较小（小于等于1〇_)的情况下，为提高无针搅拌头的刚 性和稳定性，搅拌头的摩擦端选取锥形结构，见图4(a);
[0038] (3)启动无针搅拌头旋转并下压，待搅拌头压入上板上表面0. 1?0. 3mm深后，原 位摩擦1?30秒，首先利用旋转轴肩对焊接界面的扭转作用（摩擦产生的塑性变形场）预 先破碎界面氧化膜；同时利用肩与上板之间的摩擦热熔化钎料；因原位摩擦可以顺利挤出 液态钎料，故可利用原位摩擦阶段钎料对母材的溶解作用以及旋转工具的扭转效应对液态 合金的搅拌、驱动作用，强化膜下潜流与氧化膜的分散效果（特别对流动性差的液态合金 尤为有效）；即可通过"界面扭转机械作用、膜下潜流及其相互促进作用"多种机制有效去 除母材表面的氧化膜。
[0039] (4)原位摩擦阶段转入停车阶段并对界面施加顶锻压作用（升起工作台或将搅拌 头迅速下压一定深度，下压完成后以焊接界面温度仍处于焊缝组织再结晶温度之上为宜）， 通过搅拌头对焊接界面施加一定的顶锻作用，使氧化膜碎片随合金化后的液态钎料（流动 性变差；含有脆性相）一并挤出，改善了界面润湿性，并使焊缝中的裂纹和结晶缩孔重新焊 合，实现界面的致密结合；同时消除了含有脆性相的结晶组织，改善了钎缝韧性。
[0040] (5)撤退无针搅拌头，拆下搭接接头，去除飞边（若选用飞边自消除无针搅拌头可 省略此步，见图4 (b))，使焊接接头表面光滑美观。
[0041] 这样，通过摩擦阶段工具对界面的扭转作用、原位摩擦阶段钎料对母材的溶解作 用、停车阶段工具对界面的顶锻压作用，使氧化膜易于破碎，且氧化膜碎片易于随合金化后 的液态钎料挤出，同时改善了界面润湿性与最终致密性，消除了含有脆性相的结晶组织，改 善了钎缝韧性。
[0042] 所述Zn钎料和上、下板待焊面焊前均需去除表面氧化膜直至露出新鲜的金属母 材，用化学腐蚀或者机械打磨的方法均可，视实际工作条件而定。特别是焊接含铝的组合 时，更应该重视铝母材表面氧化膜的焊前去除情况对焊接接头质量的影响。焊接过程中，铝 母材表面难熔且致密的Al 2O3氧化膜既能形成焊缝夹渣，又直接阻碍焊缝金属的熔合。所以 焊前铝母材表面的Al 2O3氧化膜去除的越充分，焊后得到的接头焊接质量越好、焊接强度越 商。
[0043] 所述无针搅拌头不需倾斜，同时无针搅拌头为可反复使用、无需更换的圆柱状非 消耗性工具。搅拌头轴肩半径R 1 (即搅拌头有效摩擦半径）的大小根据实际工作条件需要 来选取，搅拌头轴肩半径R1、搅拌针半径R2与搅拌摩擦焊接过程的产热有如下的对应关系，
[0044]
【权利要求】
1. 一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法，其特征在于：包括以下步骤： 1) 将板材A及板材B的待焊面打磨清洗干净后以搭接接头形式装配，将钎料预置在板 材A与板材B的搭接界面处； 2) 将板材A、板材B以及钎料装配后固定于工作台上，然后启动搅拌工具旋转、下压，搅 拌工具无需倾斜，待搅拌工具肩部与上板表面完全接触后压入上板表面，保持原位摩擦，以 便用摩擦热熔化钎料，使液态钎料被顺利挤出； 3) 原位摩擦结束后，通过升起工作台或下压搅拌工具对焊接界面施加顶锻作用力，保 持顶锻作用力直至搭接接头冷却，然后使搅拌工具撤退，从而实现板材A与板材B的点钎焊 连接。
2. 根据权利要求1所述一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法，其特征在 于：所述板材A及板材B的材料为Cu、含Cu合金、A1、含A1合金、Ag或含Ag合金，所述钎 料为锌箔。
3. 根据权利要求1所述一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法，其特征在 于：当上板厚度小于5mm时，使用无针搅拌工具；当上板厚度大于等于5mm时，使用带针搅 拌工具，并使针的端部接近焊接界面但不穿透焊接界面。
4. 根据权利要求1所述一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法，其特征在 于：选择板材A与板材B中屈服强度较低的板材作为上板。
5. 根据权利要求1所述一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法，其特征在 于：当搭接接头为Al/Cu或Ag/Cu组合时，选择Cu板作为上板。
6. 根据权利要求1所述一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法，其特征在 于：当上板材质是纯铝时，采用硬质合金搅拌工具或其他不易与铝发生粘连的材料所制成 的搅拌工具。
7. 根据权利要求1所述一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法，其特征在 于：所述搅拌工具包括主轴肩以及在主轴肩外设置的用于压平飞边的二级轴肩。
8. 根据权利要求1所述一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法，其特征在 于：当要求有效摩擦直径< 1〇_，应采用锥形结构的搅拌工具。
9. 根据权利要求1所述一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法， 其特征在于：当上板厚度<5mm时，搅拌工具压入上板表面的深度h的取值范围为 0. 1mm < h < 0. 3mm。
【文档编号】B23K20/12GK104227225SQ201410440848
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】张贵锋, 康常威, 倪显清, 蔡杰 申请人:西安交通大学