一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接方法，本發(fā)明包括固相焊接工藝及焊接工具，其特征在于，焊接工具采用了雙動控制的攪拌針和軸肩分離式工具，所述攪拌針軸向運動采用恒壓力控制；所述軸肩采用位移控制。所述攪拌針端部與母材具有大面積接觸摩擦特征，所述軸肩端面設(shè)計三漸開線凹槽使材料具有內(nèi)聚趨勢；所述的鋁材與高熔點金屬固相焊接工藝，通過采用上述焊接工具配合合適的焊接參數(shù)對界面金屬間化合物層進行控制，進行無傾角攪拌摩擦焊連接。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)鋁及鋁材與高熔點金屬的高強度、高穩(wěn)定性連接，解決了異種金屬焊接界面金屬間化合物控制難題。
【專利說明】一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接方法及裝置
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于焊接領(lǐng)域，具體涉及一種固相焊接技術(shù)，尤其涉及一種鋁材與高熔點金屬或鋁基復(fù)合材料搭接固相焊接方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]在工業(yè)領(lǐng)域，異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)由于集成了兩種材料各自的優(yōu)點而獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，特別是鋁及鋁材與其它高熔點金屬如碳鋼、不銹鋼、鈦合金、銅合金等。鋁及鋁材具有輕質(zhì)、高導(dǎo)熱性、高導(dǎo)電性等特點，而高熔點金屬具有高強度、塑韌性好等特點，它們組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以有效減重或是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化。如汽車領(lǐng)域鋁材板材與鍍鋅鋼材的復(fù)合連接結(jié)構(gòu)、醫(yī)療器械領(lǐng)域鋁材與不銹鋼的連接、熱控領(lǐng)域鋁材與銅合金的連接、電子領(lǐng)域鋁材與鋁基復(fù)合材料的連接等。
[0004]采用傳統(tǒng)的焊接方法，如熔化焊、熔釬焊等連接鋁合金與異種金屬或金屬基復(fù)合材料面臨了巨大挑戰(zhàn)。其根本原因在于，鋁與上述材料將形成脆性的金屬間化合物，金屬間化合物界面層的控制成為焊接技術(shù)難題。因而，對于上述異種材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)而言，傳統(tǒng)的焊接手段難以實現(xiàn)高質(zhì)量與高穩(wěn)定性的連接。
[0005]目前，攪拌摩擦焊是一種固相連接方法，其主要的連接機制是通過攪拌工具的旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)熱，使材料進入塑性狀態(tài)，再通過工具的攪拌與局部鍛造、被連接材料的動態(tài)再結(jié)晶形成致密的焊縫。這種 連接方式材料不發(fā)生熔化，從而避免了很多冶金缺陷的產(chǎn)生，非常適合于鋁及鋁合金、鎂合金、銅及銅合金等材料的焊接。同樣，由于被焊材料并不熔化，可以有效避免異種材料焊接時形成過厚的界面金屬間化合物導(dǎo)致的接頭脆性但是，在鋁材與高熔點材料的攪拌摩擦焊過程中，仍有尚需解決的幾個問題:
一是焊接工具的位置控制問題:由于一般情況下焊接工具采用工具鋼，如果直接插入高熔點金屬進行攪拌焊接，焊接工具將會很快磨損，并且由于焊接工具與高熔點金屬的劇烈摩擦，將會產(chǎn)生局部高溫，導(dǎo)致附近的鋁材熔化，與鋼進行冶金反應(yīng)形成脆性的金屬間化合物。因此，如何控制焊接工具的位置，讓其與高熔點金屬產(chǎn)生緊密接觸、適度摩擦，而不會出現(xiàn)過摩擦或摩擦不足，這是焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵。
[0006]二是焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性與可靠性問題:由于鋁合金與高熔點金屬的連接質(zhì)量主要取決于兩者之間的界面，當(dāng)焊接工具緊貼高熔點金屬表面適度摩擦，去除表面氧化膜的同時，還需提供適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)溫度、適當(dāng)?shù)捻斿懥ΓＷC連接界面反應(yīng)的有效性和適度性。所謂有效性，是指界面反應(yīng)需要達到一定程度才能形成良好連接，所謂適度，即界面反應(yīng)不能過度，否則過厚的金屬間化合物將損害接頭力學(xué)性能。因此，接頭界面溫度、焊接頂鍛力的控制也是焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵，如果通過提高旋轉(zhuǎn)速度或降低焊接速度來增加焊接熱輸入，提高界面反應(yīng)所需溫度，此時鋁合金板位于搭接接頭上部，主要的熱量由軸肩產(chǎn)生，上部鋁合金將會明顯過熱，過熱的軟化狀態(tài)鋁合金不能有效地將軸肩的頂鍛力傳遞到搭接界面，從而也難以獲得良好的界面連接質(zhì)量。因此，需要解決界面局部高溫而同時避免接頭整體過熱的矛盾。
[0007]三是界面材料的有效傳質(zhì)問題:一方面是指搭接界面氧化膜的破除、彌散，另一方面是指材料的有效流動帶來的摩擦熱會給界面反應(yīng)提供足夠的溫度。傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊工具，攪拌針端部為圓錐狀，在與搭接接頭下板高熔點的接觸時，面積較小，一般可簡化為點接觸。另外攪拌工具由軸肩往下，與母材的接觸面積是逐漸減小的。因而傳統(tǒng)攪拌摩擦焊過程，工件表面溫度最高，材料流動最劇烈，由表面往下則傳質(zhì)越困難、溫度越低。對于鋁合金與高熔點金屬的搭接接頭，其所需要的最好狀態(tài)是在界面具有最佳的材料流動與足夠的溫度，這樣有助于獲得良好的界面連接效果。
[0008]上述問題的存在，使得攪拌摩擦焊焊接鋁材與高熔點金屬具有特殊性，必須采用新型的焊接方法與焊接工具，才能保證這種異種金屬材料的高質(zhì)量、高穩(wěn)定性焊接。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接方法及裝置。
[0011]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接方法，包括鋁材與高熔點金屬及焊接工具，所述焊接工具主要包括攪拌針和軸肩，所述攪拌針的軸向運動采用恒壓力控制，所述攪拌針在恒定的軸向頂鍛力作用下緊貼高熔點金屬的搭接界面摩擦；所述軸肩采用位移控制，可根據(jù)被焊工件平整情況及焊接質(zhì)量調(diào)節(jié)軸肩下壓量。這種控制方式可以根據(jù)工件的裝配實際情況和焊接情況進行實時調(diào)整，保證焊接區(qū)域材料能夠獲得軸肩的緊密壓實。攪拌針則采用恒壓力控制方式，即不限定攪拌針的軸向位移，可以根據(jù)高熔點金屬實際的表面凹凸情況、攪拌針的磨損情況進行小范圍位移移動。但是給攪拌針施加恒定的頂鍛力，這個頂鍛力保證攪拌針時刻緊貼高熔點金屬進行摩擦。摩擦的程度可以通過改變頂鍛力的大小來進行調(diào)整。
[0012]一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接方法及裝置，其另一個顯著特征是攪拌針端部采用了大接觸面積設(shè)計，典型的是端部為分叉三棱柱或雙棱柱形狀，端部中心是內(nèi)凹形狀，可容納一定體積的鋁合金材料。這種設(shè)計方式一方面可以增加界面附近的攪拌工具與母材的接觸面積，獲得界面反應(yīng)所需的足夠溫度的同時，而不會造成鋁合金材料全面過熱；另一方面，材料在界面處將獲得足夠的攪拌作用而得到充分流動，鋁合金與高熔點金屬搭接界面的氧化膜將會有效彌散到接頭內(nèi)部。
[0013]一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接方法，采用了無傾角焊接方式。采用無傾角焊接手段，材料的內(nèi)聚和壓實通過在軸肩端部設(shè)計漸開線凹槽(6)來實現(xiàn)，軸肩旋轉(zhuǎn)時，材料由凹槽(6)導(dǎo)向內(nèi)聚，再經(jīng)由攪拌針的螺紋槽向下流動，對材料形成頂鍛。這樣可以有效避免飛邊的產(chǎn)生，焊縫表面無需明顯下凹即可獲得致密的焊縫。無傾角焊接的另一個關(guān)鍵的考慮是攪拌針(I)端部為分叉的雙棱柱或三棱柱形狀，如果采用傾角焊接，連接界面上任何時候都僅有一處位置與攪拌針端部接觸摩擦；若采用無傾角焊接，搭接界面將具有兩處以上的位置與攪拌針進行摩擦，并且這種摩擦前后可重疊，這大大增加了搭接界面氧化膜破除的可靠性和完整性。此外，由于前后摩擦相距有一段距離，這也為界面反應(yīng)提供了更多的時間。
[0014]本發(fā)明為解決鋁及鋁合金與其它高熔點金屬，如碳鋼、不銹鋼、銅合金、鈦合金等材料焊接時的焊接質(zhì)量控制問題，采取的技術(shù)方案為:一種雙動控制攪拌摩擦焊工具配合無傾角焊接工藝，進行異種材料的高質(zhì)量與高穩(wěn)定性焊接，綜上，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明存在以下技術(shù)效果:
(1)采用攪拌針與軸肩分離設(shè)計的雙動控制，結(jié)合恒壓力控制與位移控制來保證對連接界面的適度摩擦，克服傳統(tǒng)攪拌摩擦焊連接界面摩擦與軸肩摩擦不可分離控制的困難；
(2)采用了中空分叉式攪拌針形狀的工具，提高了對連接界面及附近母材的摩擦面積，為界面反應(yīng)提供足夠溫度；
(3)采用了無傾角焊接方法，設(shè)計的軸肩形狀具有材料內(nèi)聚效應(yīng)，可以獲得攪拌工具對連接界面的面摩擦效果，提高界面連接強度。
[0015]本發(fā)明的關(guān)鍵創(chuàng)新在于采用了分離式雙動控制的攪拌摩擦焊工具及相應(yīng)的無傾角焊接工藝，設(shè)置了可位移控制的軸肩、恒壓力控制的攪拌針，并且采用了無傾角焊接手段，實現(xiàn)了對鋁及鋁合金與異種金屬(高熔點金屬、金屬基基復(fù)合材料材料等)的連接界面反應(yīng)控制難題，使上述異種金屬的高質(zhì)量、高可靠焊接成為可能，該焊接方法容易實現(xiàn)，具有重要的工程應(yīng)用價值。
[0016]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接方法示意圖；
圖中:1為攪拌針，2為軸肩，3為焊縫，4為鋁材；5為高熔點金屬，7和8為接觸摩擦點。
[0018]圖2為本發(fā)明一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接裝置的軸肩端面形狀示意圖； 圖中:2為軸肩，6為漸開線凹槽。
【具體實施方式】
[0019]以下通過較佳實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行說明，但下述實施例并不能限制本發(fā)明的保護范圍。
[0020]如圖1和圖2所示，一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接方法，包括鋁材(4)與高熔點金屬(5)及焊接工具，所述焊接工具主要包括攪拌針(I)和軸肩(2)，所述攪拌針(I)的軸向運動采用恒壓力控制，所述攪拌針(I)在恒定的軸向頂鍛力作用下緊貼高熔點金屬
(5)的搭接界面摩擦；所述軸肩(2)采用位移控制，可根據(jù)被焊工件平整情況及焊接質(zhì)量調(diào)節(jié)軸肩下壓量。
[0021] 本實施例中，所述焊接工具采用軸肩(2 )與攪拌針(I)分離式設(shè)計，旋轉(zhuǎn)運動采用同一電機進行驅(qū)動，兩者具有相同的旋轉(zhuǎn)速度，典型的選擇速度為100(T3000rpm ；
在軸向運動上，攪拌針(I)與軸肩(2)采用了不同的控制方式，軸肩(2)采用位移控制方式，即采用電機驅(qū)動軸向運動，來獲得不同的軸肩(2)壓入量。這種控制方式可以根據(jù)工件的裝配實際情況和焊接情況進行實時調(diào)整，保證焊接區(qū)域材料能夠獲得軸肩(2)的緊密壓實，典型的軸肩下壓量為0.1~0.2mm ；攪拌針(I)則采用恒壓力控制方式，即不限定攪拌針(I)的軸向位移，可以根據(jù)高熔點金屬(5)實際的表面凹凸情況、攪拌針(I)的磨損情況進行小范圍位移，典型的位移范圍為
0.5?2_，給攪拌針(I)施加恒定的頂鍛力，對于2?5_鋁合金壁厚，典型的頂鍛力為f2t，這個頂鍛力保證攪拌針(I)時刻緊貼高熔點金屬(5)進行摩擦，摩擦的程度可以通過改變頂鍛力的大小、焊接速度來進行調(diào)整。
[0022]本實施例中，焊接過程采用無傾角焊接手段，軸肩(2)的摩擦端面由外向內(nèi)分別為平面和內(nèi)凹面，軸肩平面段上采用了具有材料內(nèi)聚功能的漸開線凹槽(6)實現(xiàn)無傾角焊接，凹槽(6)向外沿軸肩(2)外倒角相接而逐漸變淺消失，向內(nèi)與軸肩(2)內(nèi)凹面相交而逐漸變淺。典型的凹槽深度為0.5mm;攪拌針(I)端部采用了大接觸面積設(shè)計，典型地，端部形狀為分叉三棱柱或雙棱柱形狀，端部中心具有容納鋁材材料的容置空間；這樣攪拌針(I)在與搭接界面摩擦?xí)r至少具有接觸摩擦點(7 )和摩擦點(8 )，通過攪拌針(I)旋轉(zhuǎn)可由傳統(tǒng)焊接工具的點摩擦變?yōu)榫€摩擦，并且摩擦點(7)和(8)的摩擦效果可實現(xiàn)疊加，當(dāng)焊接工具移動時，可實現(xiàn)對搭接界面的面摩擦。
[0023]以上公開的僅為本申請的典型實施例，但本申請并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化，都應(yīng)落在本申請的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接方法，包括鋁材與高熔點金屬的焊接工藝及焊接工具，其特征在于，焊接工具主要包括攪拌針(I)和軸肩(2)，所述攪拌針(I)的軸向運動采用恒壓力控制，所述攪拌針(I)在恒定的軸向頂鍛力作用下緊貼高熔點金屬的搭接界面摩擦；所述軸肩(2)采用位移控制，可根據(jù)被焊工件平整情況及焊接質(zhì)量調(diào)節(jié)軸肩下壓量；焊接時焊接工具垂直與被焊工件表面，傾角為0°。
2.一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接工具，其特征在于:攪拌針(I)端部形狀為分叉三棱柱或雙棱柱形狀，端部中心具有一定容納鋁合金材料的空間；軸肩(2)的摩擦端面由外向內(nèi)分別為平面和內(nèi)凹面，典型地，平面段占軸肩摩擦端面直徑>50%，內(nèi)凹面的內(nèi)凹度為6。~7。。
3.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的焊接工具，其特征在于，軸肩(2)采用了三漸開線凹槽，該凹槽典型深度為0.5^1mm,向外沿軸肩外倒角相接而逐漸變淺消失，向內(nèi)與軸肩內(nèi)凹面相交而逐漸變淺；攪拌針(I)表面具有反向螺旋凹槽，旋轉(zhuǎn)時將帶到材料向板厚深度方向流動。
4.如權(quán)利要求1所述的一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接方法，其特征在于，所述軸肩(2)的軸向運動通過電機驅(qū)動控制實現(xiàn)；所述攪拌針(I)的恒壓力控制通過液壓方式或可壓縮強力彈簧實現(xiàn)；所述攪拌針(I)的旋轉(zhuǎn)運動通過電機驅(qū)動軸肩，所述軸肩與攪拌針之間通過可軸向滑動的鍵槽連接傳動扭矩。
5.如權(quán)利要求1所述的一種鋁材與高熔點金屬搭接固相焊接方法，其特征在于，所述鋁材為搭接接頭上板，所述高熔點金屬為搭接接頭下板；所述高熔點金屬也包括金屬基復(fù)合材料和有金屬涂鍍層的 高熔點金屬，如鋁基復(fù)合材料、銅基復(fù)合材料、鍍鋅鋼板等。
【文檔編號】B23K20/12GK103846542SQ201210498534
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月29日
【發(fā)明者】封小松, 郭立杰, 張成聰, 徐萌 申請人:上海航天設(shè)備制造總廠