一种铝/镁异种金属高效液相辅助固相扩散点焊的方法与流程

本发明涉及铝/镁异种材料焊接技术领域，具体涉及一种铝/镁异种金属高效液相辅助固相扩散点焊的方法。

背景技术：

扩散焊是将两个待焊工件紧压在一起，并置于真空或保护气氛炉内加热，使两焊接表面微小的不平处产生微观塑性变形，达到紧密接触，在随后的加热保温过程中，原子间相互扩散而成冶金连接的焊接方法。焊接过程中被焊工件不被熔化，对于极易形成金属间化合物的异种金属焊接具有较大的优势。但是，该技术对待焊表面质量要求高，焊接时间较长，接头质量不稳定。

随着扩散焊工艺的发展，出现了瞬间液相扩散焊，具体是在待焊的表面间加一层有利于扩散的中间材料，该材料在加热保温过程中熔化，并形成少量的液相，液相中的低熔点元素向母材扩散，液相逐渐消失，形成冶金连接。该技术可降低对待焊表面的质量要求，相对减少焊接时间，提高接头质量的稳定性。但是，该方法仍然需要对工件整体加热，焊接时间仍然较长，且低熔点元素向母材扩散会导致被焊区熔点降低。

摩擦焊是一种固相焊接方法，在焊接过程中由于被焊材料不被熔化，焊缝热输入较低，焊缝中金属间化合物的量较少，对于铝/镁异种材料的焊接具有一定的优势。搅拌摩擦焊是一种新型的摩擦焊接方法，其保留了摩擦焊在焊接过程中被焊金属不熔化的特点，但是，在焊接过程中会留下搅拌针退出产生的退出匙孔，降低焊点的有效承载面积。

德国gkss研究中心1999年发明了无匙孔搅拌摩擦点焊技术，该技术采用特殊设计的搅拌头，通过精确控制搅拌头各部分的相对运动，在搅拌针回撤时，通过轴肩的向下挤压将焊点金属回填到匙孔中，从而达到消除匙孔，提高接头承载力的目的。但是，无匙孔搅拌摩擦点焊方法对焊接设备的要求较高，需要采用专门设计的专机设备，焊接成本较高。

专利cn101837513a采用补焊方式来消除搅拌摩擦点焊接头表面的匙孔，从而增大点焊接头的承载面积，提高接头承载能力，但该方案需要在焊后采用消耗式搅拌针对匙孔进行补焊，增加了焊后处理工序。

有学者提出了搅拌摩擦胶接点焊方法，通过在焊前或者焊后对焊点进行化学胶接，从而在一定程度上增大接头的承载面积，提高承载能力。但是，化学胶与金属基材之间并没有发生冶金反应，相互之间的结合是通过物理吸附的方式进行的，因此，强度较低，难以满足实际需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铝/镁异种金属高效液相辅助固相扩散点焊的方法。采用本发明提供的方法能够抑制铝/镁异种金属焊接界面形成大量金属间化合物，获得无匙孔点焊接头，显著提高接头的承载能力；并且，本发明提供的方法与传统扩散焊相比更绿色环保，焊接效率高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种铝/镁异种金属高效液相辅助固相扩散点焊的方法，包括以下步骤：

将铝板和镁板搭接在一起，在搭接的铝板和镁板之间设置一金属箔片，得到搭接结构；

在所述搭接结构的两侧各设置一个摩擦头，采用摩擦头对所述搭接结构的两侧进行接触摩擦，使所述金属箔片熔化为液态金属；

将搭接结构两侧的摩擦头沿搭接结构的厚度方向相互挤压，推动铝板和镁板夹紧，挤出液态金属，并保持铝板和镁板紧密贴合，形成扩散点焊连接。

优选地，所述铝板和镁板的搭接长度为20～50mm。

优选地，所述铝板的厚度为2～5mm，所述镁板的厚度为2～5mm。

优选地，在将所述铝板和镁板搭接在一起之前，先将铝板和镁板分别经预处理去除表面的油污与杂物。

优选地，所述金属箔片的厚度为0.05～0.2mm。

优选地，所述金属箔片的熔点为100～400℃。

优选地，所述金属箔片的材质包括锡、锌或锡锌合金。

优选地，进行所述接触摩擦时，摩擦头的旋转速度为235～900r/min，旋转时间为2～10s。

优选地，进行所述相互挤压时，两个摩擦头的相对挤压量为0.1～1mm，保持时间为5～20s。

优选地，所述摩擦头的材质包括h13钢或镍基合金。

本发明提供了一种铝/镁异种金属高效液相辅助固相扩散点焊的方法，包括以下步骤：将铝板和镁板搭接在一起，在搭接的铝板和镁板之间设置一金属箔片，得到搭接结构；在所述搭接结构的两侧各设置一个摩擦头，采用摩擦头对所述搭接结构的两侧进行接触摩擦，使所述金属箔片熔化为液态金属；将搭接结构两侧的摩擦头沿搭接结构的厚度方向相互挤压，推动铝板和镁板夹紧，挤出液态金属，并保持铝板和镁板紧密贴合，形成扩散点焊连接。在本发明中，利用摩擦头对铝板和镁板摩擦产热，产生的热量将两板之间的金属箔片熔化，熔化后得到的液态金属对接触面的氧化膜进行清洗；后续的摩擦头挤压将液态金属挤出，在保持铝板和镁板的紧密贴合过程中，清洗后的接触面发生原子扩散，形成扩散点焊连接。与传统的扩散焊相比，本发明采用的摩擦热是绿色、清洁热源，焊前不需要去除界面的氧化膜，焊接耗时少、耗能少；另外，本发明采用摩擦热能够对大尺寸部件进行局部加热，实现点焊连接。采用本发明提供的方法得到的焊接接头是固态扩散焊接头，且消除了焊点表面匙孔，显著提高了接头有效承载面积，提高了点焊接头的抗拉剪力，免去了复杂的机械设备和后续补焊程序。

附图说明

图1为本发明扩散点焊过程的示意图；

其中，1为第一摩擦头，2为第二摩擦头，3为铝板，4为镁板，5为金属箔片。

具体实施方式

本发明提供了一种铝/镁异种金属高效液相辅助固相扩散点焊的方法，包括以下步骤：将铝板和镁板搭接在一起，在搭接的铝板和镁板之间设置一金属箔片，得到搭接结构；在所述搭接结构的两侧各设置一个摩擦头，采用摩擦头对所述搭接结构的两侧进行接触摩擦，使所述金属箔片熔化为液态金属；将搭接结构两侧的摩擦头沿搭接结构的厚度方向相互挤压，推动铝板和镁板夹紧，挤出液态金属，并保持铝板和镁板紧密贴合，形成扩散点焊连接。

本发明将铝板和镁板搭接在一起，在搭接的铝板和镁板之间设置一金属箔片，得到搭接结构。在本发明中，所述铝板和镁板的搭接长度优选为20～50mm，更优选为25～45mm。本发明限定上述搭接长度，有利于控制焊接扩散区域的面积，从而实现精确控制接头的承载性能的目标。在本发明中，所述铝板的厚度优选为2～5mm，更优选为2.5～3.5m；所述镁板的厚度优选为2～5mm，更优选为2.5～3.5m。

本发明在将铝板和镁板搭接在一起之前，优选先将所述铝板和镁板分别经预处理去除表面的油污与杂物。在本发明中，所述预处理的具体过程优选为：将铝板接触面，即铝板需要焊接的一面，清理干净，然后采用酒精或丙酮擦拭铝板接触面，去除油污与杂物；采用同样的方法处理镁板接触面，去除镁板接触面的油污与杂物。

在本发明中，所述金属箔片的厚度优选为0.05～0.2mm，更优选为0.1～0.15mm。在本发明中，所述金属箔片的尺寸优选大于铝板和镁板的搭接区域尺寸，更优选在铝板和镁板的搭接区域尺寸基础上加5mm。

在本发明中，所述金属箔片的熔点优选为100～400℃，更优选为150～350℃。本发明采用低熔点的金属箔片，能够借助摩擦头产生的热量被熔化为熔融态，将铝板接触面和镁板接触面的氧化膜溶解，露出洁净的金属表面，提高接头强度。在本发明中，所述金属箔片的材质优选包括锡、锌或锡锌合金，更优选为纯sn金属、sn90-zn10金属或sn85-zn15金属。

得到搭接结构后，本发明在所述搭接结构的两侧各设置一个摩擦头，采用摩擦头对所述搭接结构的两侧进行接触摩擦，使所述金属箔片熔化为液态金属。在本发明中，所述搭接结构的两侧具体指铝板外侧面(铝板不需要焊接的一面)和镁板外侧面(镁板不需要焊接的一面)。

在本发明中，所述摩擦头的材质优选包括h13钢或镍基合金。本发明在进行所述接触摩擦过程中，所述摩擦头的旋转速度优选为235～900r/min，更优选为375～800r/min；所述摩擦头的旋转时间优选为2～10s，更优选为5～9s，进一步优选为5～8s。

金属箔片熔化为液态金属后，本发明将搭接结构两侧的摩擦头沿搭接结构的厚度方向相互挤压，推动铝板和镁板夹紧，挤出液态金属，并保持铝板和镁板紧密贴合，形成扩散点焊连接。在本发明中，所述两个摩擦头的相对挤压量优选为0.1～1mm，更优选为0.2～0.8mm；保持时间优选为5～20s，更优选为10～18s，进一步优选为10～15s。在本发明中，所述两个摩擦头的相对挤压量具体指两个摩擦头移动的总距离，进一步优选为每个摩擦头移动距离的两倍。

本发明提供的铝/镁异种金属高效液相辅助固相扩散点焊过程的示意图如图1所示：其中铝板3与镁板4搭接在一起，在铝板接触面和镁板接触面之间放置一金属箔片5；铝板外侧面与第一摩擦头1接触，镁板外侧面与第二摩擦头2接触。具体扩散点焊连接过程包括：第一摩擦头1和第二摩擦头2高速旋转，产生的摩擦热使金属箔片5熔化为液态金属，然后第一摩擦头1和第二摩擦头2相互挤压，推动铝板3和镁板4夹紧，挤出液态金属，并保持铝板3和镁板4的紧密贴合，使界面原子相互扩散，形成扩散点焊连接。本发明消除了焊点表面匙孔，显著提高了接头有效承载面积，提高了点焊接头的剪切强度；另外，由于铝板和镁板在焊接过程中始终处于固态，不会形成明显突出的连接缝，焊接效果更好。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

扩散点焊过程的示意图如图1所示，包括h13钢制成的第一摩擦头1和第二摩擦头2，厚度为2mm的铝板3，厚度为2mm的镁板4，铝板3和镁板4中间放置厚度为0.1mm的纯sn金属箔片5；第一摩擦头1与铝板3接触并高速旋转、第二摩擦头2与镁板4接触并高速旋转，旋转速度都为375r/min，摩擦时间为9s，金属箔片5熔化为液态金属；第一摩擦头1和第二摩擦头2相互挤压夹紧，挤出液态金属，相对挤压量为0.8mm，挤压夹紧保持时间为18s；铝板3和镁板4在第一摩擦头1和第二摩擦头2的夹紧力作用下压紧贴合，实现元素扩散，形成扩散焊连接。对形成的接头进行拉剪试验，测试接头力学性能，接头的剪切强度为38mpa。

实施例2

扩散点焊过程的示意图如图1所示，包括镍基合金制成的第一摩擦头1和第二摩擦头2，厚度为2.5mm的铝板3，厚度为2.5mm的镁板4，铝板3和镁板4中间放置厚度为0.15mm的sn90-zn10金属箔片5；第一摩擦头1与铝板3接触并高速旋转、第二摩擦头2与镁板4接触并高速旋转，旋转速度都为800r/min，摩擦时间为5s，金属箔片5熔化为液态金属；第一摩擦头1和第二摩擦头2相互挤压夹紧，挤出液态金属，相对挤压量为0.6mm，挤压夹紧保持时间为15s；铝板3和镁板4在第一摩擦头1和第二摩擦头2的夹紧力作用下压紧贴合，实现元素扩散，形成扩散焊连接。对形成的接头进行拉剪试验，测试接头力学性能，接头的剪切强度为73mpa。

实施例3

扩散点焊过程的示意图如图1所示，包括h13钢制成的第一摩擦头1和第二摩擦头2，厚度为3.5mm的铝板3，厚度为3.5mm的镁板4，铝板3和镁板4中间放置厚度为0.05mm的sn85-zn15金属箔片5；第一摩擦头1与铝板3接触并高速旋转、第二摩擦头2与镁板4接触并高速旋转，旋转速度都为800r/min，摩擦时间为8s，金属箔片5熔化为液态金属；第一摩擦头1和第二摩擦头2相互挤压夹紧，挤出液态金属，相对挤压量为0.4mm，挤压夹紧保持时间为10s；铝板3和镁板4在第一摩擦头1和第二摩擦头2的夹紧力作用下压紧贴合，实现元素扩散，形成扩散焊连接。对形成的接头进行拉剪试验，测试接头力学性能，接头的剪切强度为42mpa。

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。