一種異種金屬攪拌摩擦焊接單面焊雙面成形的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種異種金屬間的攪拌摩擦焊工藝方法，特別是手工操作下的異種金屬間攪拌摩擦焊接單面焊雙面成形的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)生產(chǎn)和人類生活水平的不斷提高，利用異種金屬連接的結(jié)構(gòu)越來越多地使用，如，銅和鋁、鋁和鋼、鋁和鈦以及銅和鋼、銅和鈦等的連接使用，特別是銅鋁、鋁鋼之間的連接。由于上述連接金屬的性能相差很大，如密度、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、線脹系數(shù)等。此外，兩種金屬熔化混合后可能會(huì)產(chǎn)生脆性的金屬化合物，難以滿足接頭質(zhì)量的性能要求。因此采用熔化方法焊接異種金屬的工藝過程是非常復(fù)雜和難以控制的。實(shí)現(xiàn)異種金屬間的焊接最理想的工藝方法是采用固態(tài)焊接，其實(shí)現(xiàn)思路是在清除兩結(jié)合面上的氧化膜的基礎(chǔ)上，通過在兩結(jié)合面連接處施加足夠的壓力和溫度就能使新鮮的兩連接面得以結(jié)合連接。目前可以實(shí)現(xiàn)壓力連接的新方法有，爆炸焊、電磁脈沖焊以及攪拌摩擦焊接。攪拌摩擦焊接是由英國(guó)焊接研宄所于1991年發(fā)明的一種固相焊接技術(shù)，它解決了活性且較低熔點(diǎn)金屬的焊接技術(shù)難題。在此基礎(chǔ)上，中國(guó)專利200810230080.4提出了有關(guān)銅鋁異種金屬攪拌摩擦焊接的工藝方法。此外，南昌航空大學(xué)柯黎明等也發(fā)表了關(guān)于鋁合金LF6與工業(yè)純銅Tl的攪拌摩擦焊工藝研宄等相關(guān)技術(shù)文章。在上述技術(shù)文獻(xiàn)介紹的焊接過程中，都沒有提及到異種金屬間單面焊雙面成形的工藝技術(shù)。而目前僅由中國(guó)專利200810202856.1提供了關(guān)于攪拌摩擦焊接鋁及其合金的同種材質(zhì)的單面焊雙面成形技術(shù)。
[0003]截至目前，攪拌摩擦焊技術(shù)仍處于專利保護(hù)下，攪拌摩擦專用焊機(jī)設(shè)備龐大，國(guó)內(nèi)外一般都設(shè)計(jì)成自動(dòng)化水平相對(duì)較高的設(shè)備，因此其價(jià)格很高。據(jù)了解其國(guó)內(nèi)價(jià)格一般在百萬元以上，一些較小的科研、教學(xué)機(jī)構(gòu)和企事業(yè)單位就只能望塵莫及了。此外，從培養(yǎng)人才的角度看，手工操作是進(jìn)行自動(dòng)化操作的基礎(chǔ)，基本的手工操作能夠幫助理解和領(lǐng)悟焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響具有很深的意義。因此，可以說自動(dòng)化程度高的攪拌摩擦焊設(shè)備對(duì)于初學(xué)習(xí)攪拌摩擦焊技術(shù)的人員不一定適合。因此，對(duì)于一般非特殊要求的科研、教學(xué)宄機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)攪拌摩擦基本功能，滿足基本焊接質(zhì)量要求的質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的簡(jiǎn)單手動(dòng)焊機(jī)是更能滿足需求的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種異種金屬攪拌摩擦焊接單面焊雙面成形的方法及裝置，以解決鋁銅、鋁鋼等異種金屬間攪拌摩擦焊單面焊雙面成形問題。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種異種金屬攪拌摩擦焊接單面焊雙面成形的方法，是在剛性支撐平臺(tái)上固定高熔點(diǎn)金屬和低熔點(diǎn)金屬兩種工件，使用攪拌頭攪拌摩擦焊接，攪拌頭偏向于低熔點(diǎn)金屬一側(cè)，攪拌頭偏向于低熔點(diǎn)金屬一側(cè)的偏置量為0.1?0.5倍的攪拌針直徑。當(dāng)攪拌針在低熔點(diǎn)金屬側(cè)偏置量達(dá)到0.5倍時(shí)，攪拌針基本全部處于低熔點(diǎn)金屬一側(cè)，攪拌針與高熔點(diǎn)金屬側(cè)面僅僅是摩擦過程，攪拌針的旋轉(zhuǎn)方向與焊接行進(jìn)方向之間的關(guān)系為:當(dāng)高熔點(diǎn)金屬位于焊接行進(jìn)方向的左側(cè)，低熔點(diǎn)金屬位于焊接行進(jìn)方向的右側(cè)，則攪拌針為順時(shí)間方向旋轉(zhuǎn)；反之如果調(diào)換高熔點(diǎn)金屬與低熔點(diǎn)金屬位置或改變焊接行進(jìn)方向，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向都是相反的；在焊接過程中要始終使攪拌針穿透工件背面，實(shí)現(xiàn)穿孔焊接，以達(dá)到單面焊雙面成型。
[0006]異種金屬間的攪拌摩擦焊接相對(duì)同材質(zhì)的攪拌摩擦焊接而言技術(shù)難度要大一些。特別像鋁和銅、鋁和鋼、鋁和鈦等這些熔點(diǎn)相差較大的金屬間攪拌摩擦焊，不能簡(jiǎn)單地采用將塑性化的兩種金屬攪拌混合均勻的辦法來實(shí)現(xiàn)焊接。采用摩擦加熱低熔點(diǎn)金屬一側(cè)使其達(dá)到塑性化，而高熔點(diǎn)金屬側(cè)僅達(dá)到一定溫度并保持活化狀態(tài)實(shí)現(xiàn)焊接是相對(duì)比較容易的。在攪拌頭偏置到低熔點(diǎn)金屬一側(cè)后，通過高速旋轉(zhuǎn)摩擦低熔點(diǎn)金屬產(chǎn)生加熱過程。加熱塑性化的低熔點(diǎn)金屬在攪拌針旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下，塑性化的低熔點(diǎn)金屬流向高熔點(diǎn)金屬側(cè)的焊接活化面。通過給攪拌針施加一定的側(cè)向壓力將塑性化的低熔點(diǎn)金屬擠壓到高熔點(diǎn)金屬的活化面。在擠壓的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)的攪拌針與高熔點(diǎn)金屬活化面也進(jìn)行著摩擦接觸，在接觸的過程中及時(shí)消除表面所生成的氧化膜，產(chǎn)生新鮮的高熔點(diǎn)金屬面。這就滿足了異種金屬壓力焊接的基本要求。這一過程有點(diǎn)像水泥瓦工利用手中的壓板工具在現(xiàn)存墻面上壓抹水泥槳的過程，因此可以形象地稱之為“抹墻模型”。在這一模型過程，要實(shí)現(xiàn)異種金屬間的攪拌摩擦焊接必須要正確選擇焊接的行進(jìn)方向和攪拌針的旋轉(zhuǎn)方向。
[0007]本發(fā)明針對(duì)小型實(shí)驗(yàn)室對(duì)攪拌摩擦焊機(jī)的小型化、簡(jiǎn)單化的使用要求，利用普通臺(tái)式鉆床改裝成了手搖動(dòng)攪拌摩擦焊機(jī)，其主要組成有:擁有較大功率(2KW以上)電機(jī)的臺(tái)式鉆床系統(tǒng)、專用攪拌頭、攪拌頭行走導(dǎo)向槽板、具有3?5°傾角的剛性支撐平臺(tái)、支撐平臺(tái)移動(dòng)卡緊裝置及工件夾持機(jī)構(gòu)。
[0008]實(shí)現(xiàn)異種金屬間的攪拌摩擦焊接單面焊雙面成形，首先必須遵循上述“抹墻模型”。其次，要實(shí)現(xiàn)背面成形，就要保證攪拌針能夠?qū)⒑穸确较蛏系娜克苄曰牡腿埸c(diǎn)金屬擠壓到高熔點(diǎn)金屬側(cè)。為防止塑性化的低熔點(diǎn)金屬在攪拌針的擠壓下往下外溢，要求在接縫的底部添加襯墊，襯墊材質(zhì)可選用與低熔點(diǎn)金屬相近的材料。而要實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形還需要在攪拌摩擦焊接時(shí)要求墊板不能焊敷(或盡可能少量地)到低熔點(diǎn)金屬上。本發(fā)明在工件下面設(shè)有鋼制軟墊板，鋼制軟墊板上面有與焊縫相對(duì)應(yīng)的二級(jí)臺(tái)階凹槽，在二級(jí)臺(tái)階凹槽上槽口中放有與低恪點(diǎn)金屬材質(zhì)相近的襯墊，襯墊厚度為0.5?1mm。當(dāng)攪拌針穿過焊接工件下壓到襯墊上后，由于襯墊薄且下部預(yù)留間隙，使其有空間進(jìn)行變形，這樣就減少了焊連到工件背面的可能性。
[0009]本發(fā)明根據(jù)異種金屬的攪拌摩擦焊的“抹墻模型”設(shè)計(jì)了專用的攪拌頭及其攪拌針。攪拌頭的攪拌針3主體為等徑圓柱體，等徑圓柱體長(zhǎng)度與工件的厚度相等；在攪拌針底端中心有球形凸起，球形凸起的高度為0.5?I mm，其作用是在焊接過程穿透低熔點(diǎn)金屬形成小孔。再穿過低熔點(diǎn)金屬后給予背面襯墊板一定的壓力，使襯墊板與焊接低熔點(diǎn)金屬分離，降低兩者之間的焊敷連接可能性。
[0010]攪拌頭夾持端，攪拌頭軸肩以及攪拌針三部分可以是整體加工，也可以是三部分分別選材加工后組合。攪拌頭材料選用的多樣性。攪拌頭的夾持部分主要是傳遞扭矩和下壓力，可選用高強(qiáng)鋼，如中碳調(diào)質(zhì)鋼。軸肩和攪拌針部分考慮到焊接過程中的磨損和受力情況，由于焊接時(shí)攪拌頭存在偏置，攪拌頭軸肩在焊接過程中大部分過程與低熔點(diǎn)金屬接觸摩擦，少部分與高熔點(diǎn)金屬接觸摩擦。此外，在與低熔點(diǎn)金屬接觸摩擦過程中會(huì)在軸肩端面粘敷大量的低熔點(diǎn)金屬(特別是鋁焊接時(shí))，這些金屬的存在會(huì)在一定程度上保護(hù)軸肩的磨損。因此，軸肩所用材料可選用既耐磨又容易加工的材料，如高速鋼、鎢鋼等。在焊接過程中攪拌針既要與低熔點(diǎn)金屬進(jìn)行摩擦產(chǎn)熱，又與高熔點(diǎn)金屬進(jìn)行摩擦消除氧化膜。在旋轉(zhuǎn)前進(jìn)過程中，受到前進(jìn)方向和側(cè)向的擠壓反作用力。由此可見，攪拌針的受力過程相對(duì)復(fù)雜且承受強(qiáng)烈的磨損。因此在攪拌針的選材方面要既考慮高溫強(qiáng)度又要考慮高溫耐磨性?；诖?，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的攪拌針選用硬質(zhì)合金、立方氮化硼等高耐磨性材料等。攪拌頭組成各部分的連接方式多樣性。攪拌頭各部分的組合方式可采用兩種方式。第一種是永久鏈接，可采用摩擦焊接或過盈配合安裝。第二種是可拆卸調(diào)整連接。也就是三部分連接后可以拆下來進(jìn)行攪拌針的長(zhǎng)度調(diào)整。攪拌頭的安裝連接方法:(1)摩擦焊接方法。提前用線切割將硬質(zhì)合金材料或高速鋼材料按照所設(shè)計(jì)的攪拌針直徑尺寸加工長(zhǎng)度為數(shù)倍長(zhǎng)的攪拌針。同時(shí)通過機(jī)加工的方式將攪拌頭本體完畢。將攪拌針安裝到車床的卡盤上，將本體安裝到車床的頂尾端。利用摩擦焊接的方式，將兩者焊接在一起，最后將按照設(shè)計(jì)攪拌針長(zhǎng)度利用線切割機(jī)將攪拌針切斷并加工出頂端。(2)過盈配合熱套法，將攪拌針安裝在一欲加載設(shè)備上并與攪拌頭本體安裝孔對(duì)中，對(duì)攪拌針稍加一定預(yù)壓力，然后利用火焰或感應(yīng)加熱方式對(duì)攪拌頭本體進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到本體塑性化溫度后，啟動(dòng)加壓裝置，將攪拌針壓入攪拌頭本體中。(3)可拆卸調(diào)整就是采用反扣螺紋鏈接。反扣螺紋鏈接可以根據(jù)工件厚度進(jìn)行長(zhǎng)度調(diào)整，具有很好地焊接厚度適應(yīng)性。在反扣螺紋連接時(shí)，可將攪拌針全長(zhǎng)度都加工出反扣螺紋，通過向螺紋孔內(nèi)填加調(diào)節(jié)短節(jié)后，就可調(diào)節(jié)出攪拌針的長(zhǎng)度。同時(shí)，攪拌軸肩的連接螺紋也需要加工出反扣螺紋與攪拌針相配合。
[0011]本發(fā)明在攪拌頭