一種同步實現(xiàn)鋁和鎂異種材料攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊的方法
【專利摘要】一種同步實現(xiàn)鋁和鎂異種材料攪拌摩擦點焊?釬焊?擴散焊的方法，其操作過程如下：將清理干凈的鋁板和鎂板搭接固定，在兩板之間添加釬料片，釬料片兩側(cè)分別于鋁板和鎂板接觸。對固定的搭接結(jié)構(gòu)進行攪拌摩擦點焊焊接，焊接過程中，一方面通過攪拌頭上的攪拌針與下方板材的作用，實現(xiàn)鋁板和鎂板的攪拌摩擦點焊；另一方面，在攪拌頭軸肩摩擦產(chǎn)熱和鍛壓力的作用下，貼近攪拌針周圍區(qū)域溫度較高、釬料片融化，鋁板和鎂板之間形成釬焊連接；而離攪拌針稍遠的區(qū)域，在攪拌摩擦的熱力作用下，鋁板/釬料片、鎂板/釬料片之間發(fā)生原子擴散，形成擴散焊接。本發(fā)明能夠在攪拌摩擦點焊的同時形成釬焊和擴散焊接頭，增大焊點的有效承載面積，提高接頭的抗拉剪力。
【專利說明】
一種同步實現(xiàn)鋁和鎂異種材料攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及鋁/鎂異種材料的焊接，具體涉及一種同步實現(xiàn)鋁和鎂異種材料攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，國內(nèi)外常用的鋁/鎂異種材料點焊的焊接方法主要有電阻點焊、激光焊、攪拌摩擦點焊等。由于，鋁/鎂都是較為活潑的金屬，采用電阻點焊或者激光焊等熔焊方法焊接時，接頭中容易產(chǎn)生氣孔、夾雜以及裂紋等缺陷；同時，兩種材料焊接時極易形成脆性金屬間化合物Al3Mg2和Al12Mg17,金屬間化合物大量生成會使得焊縫脆化，難以獲得剪切性能理想的點焊接頭。
[0003]攪拌摩擦點焊是由攪拌摩擦焊發(fā)展而來的點焊方法，在焊接過程中由于被焊材料不被熔化，焊縫熱輸入較低，焊縫中金屬間化合物的量較少，對于鋁/鎂異種材料的焊接具有一定的優(yōu)勢。但是，采用攪拌摩擦點焊焊接鋁/鎂異種材料時，攪拌針退出后會在焊點表面留下匙孔，匙孔的存在減小了點焊接頭的有效承載面積，導(dǎo)致焊點的承載能力較低。
[0004]針對鋁/鎂異種材料攪拌摩擦點焊接頭力學(xué)性能較低的問題，有學(xué)者提出了各種解決方法。
[0005]德國GKSS研究中心1999年發(fā)明了無匙孔攪拌摩擦點焊技術(shù)，該技術(shù)采用特殊設(shè)計的攪拌頭，通過精確控制攪拌頭各部分的相對運動，在攪拌針回撤時，通過軸肩的向下擠壓將焊點金屬回填到匙孔中，從而達到消除匙孔，提高接頭承載力的目的。無匙孔攪拌摩擦點焊方法對焊接設(shè)備的要求較高，需要采用專門設(shè)計的專機設(shè)備，焊接成本較高。
[0006]專利CN101837513A采用補焊方式來消除攪拌摩擦點焊接頭表面的匙孔，從而增大點焊接頭的承載面積，提高接頭承載能力?；靥钍綌嚢枘Σ咙c焊需要在焊后采用消耗式攪拌針對匙孔進行補焊，增加了焊后處理工序。
[0007]有學(xué)者提出了攪拌摩擦膠接點焊方法，通過在焊前或者焊后對焊點進行化學(xué)膠接，從而增大接頭的承載面積，提高承載能力。該方法能夠增加接頭的承載面積，在一定程度上提高接頭的承載力。但是，化學(xué)膠與金屬基材之間并沒有發(fā)生冶金反應(yīng)，相互之間的結(jié)合是通過物理吸附的方式進行的，因此，強度較低，難以滿足需求。
[0008]基于以上分析，本發(fā)明提供一種同步實現(xiàn)鋁/鎂異種材料攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊的方法。該方法能夠增大鋁/鎂異種材料點焊接頭的有效承載面積，顯著提高接頭的承載能力。并且，該方法與傳統(tǒng)攪拌摩擦點焊操作過程相同，在攪拌摩擦點焊的過程中同時實現(xiàn)釬焊和擴散焊，沒有后續(xù)工序，操作簡便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，一種同步實現(xiàn)鋁和鎂異種材料攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊的方法，其特征步驟如下: 步驟1、將鋁板和鎂板的接觸表面及周圍清理干凈，去除試件表面的氧化膜;并采用酒精或丙酮擦拭鋁板與鎂板的表面，去除油污與雜物；
步驟2、將招板和鎂板搭接固定在一起，在兩板之間添加一厚度范圍為0.lmm-0.5mm的釬料片，薄片兩側(cè)分別于鋁板和鎂板接觸；
步驟3、對固定的搭接結(jié)構(gòu)進行攪拌摩擦點焊焊接，焊接過程中，一方面通過攪拌頭上的攪拌針與下方板材的作用，實現(xiàn)鋁板和鎂板的攪拌摩擦點焊;另一方面，在攪拌頭軸肩摩擦產(chǎn)熱和鍛壓力的作用下，貼近攪拌針周圍區(qū)域溫度較高、釬料片融化，鋁板和鎂板之間形成釬焊連接;而離攪拌針稍遠的區(qū)域，在攪拌摩擦的熱力作用下，鋁板/釬料片、鎂板/釬料片之間發(fā)生原子擴散，形成擴散焊接。
[0010]所述上層金屬板為鋁合金板或者鎂合金板，厚度為l-10mm。
[0011]所述下層金屬為鎂合金板或者鋁合金板，厚度為1-10mm。
[0012]所述攪拌頭的攪拌針長度大于上層金屬板厚度。
[0013]本發(fā)明的工作原理是:在旋轉(zhuǎn)的攪拌頭的軸肩與上板摩擦產(chǎn)熱，和鍛壓力作用下，使接觸界面發(fā)生釬焊和原子擴散連接。焊后的點焊接頭包括三部分:第一部分是攪拌針作用區(qū)域形成的攪拌摩擦點焊區(qū)域;第二部分是軸肩壓力作用下離攪拌針較近的區(qū)域，釬料片熔化，鋁/鎂之間形成釬焊連接;第三部分是軸肩壓力作用下離攪拌針稍遠的區(qū)域，釬料片作為中間層金屬其主要組分在固態(tài)下向鋁板、鎂板擴散，形成擴散焊連接。
[0014]本發(fā)明的效果是:與傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于，在攪拌摩擦點焊的過程中同時實現(xiàn)了釬焊和擴散焊，顯著增大了點焊接頭的有效承載面積，提高了點焊接頭的抗拉剪力，免去了復(fù)雜的機械設(shè)備和后續(xù)補焊程序。與傳統(tǒng)的擴散焊相比，采用的摩擦熱源是綠色、清潔熱源，焊前不需要嚴(yán)格的界面清理準(zhǔn)備，焊接耗時、耗能較少。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明中攪拌頭的尺寸圖。
[0016]圖2為本發(fā)明焊接過程示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明焊縫的宏觀形貌圖。
[0018]圖4為采用本發(fā)明獲得的焊點拉伸曲線與普通攪拌摩擦點焊獲得的焊點拉伸曲線圖。
[0019]圖中，I為攪拌頭、2為上層金屬、3為釬料片、4為下層金屬。
【具體實施方式】
[0020]如圖1-4示，本發(fā)明是這樣來實施的，一種同步實現(xiàn)鋁/鎂異種材料“攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊”復(fù)合焊接接頭的方法，它包括攪拌頭1、上層金屬2、釬料片3和下層金屬4，其特征是:攪拌頭I的軸肩在保持高速旋轉(zhuǎn)的同時壓緊上層金屬2、攪拌針穿透上層金屬2并且直接與下層金屬4接觸，攪拌頭I與上層金屬2相互摩擦產(chǎn)生的熱量經(jīng)過上層金屬2的傳導(dǎo)至釬料片3;釬料片3在界面處與上層金屬2和下層金屬4壓緊貼合，實現(xiàn)元素擴散、形成擴散焊焊縫，離攪拌針近的區(qū)域溫度高、釬料片熔化形成釬焊接頭。同時，下層金屬4在攪拌頭的作用進入上層金屬2中，形成攪拌摩擦焊焊縫。
[0021]所述的釬料片厚度小于0.5mm、熔點低于450°C。所述攪拌頭為傳統(tǒng)攪拌摩擦焊用攪拌頭，攪拌針長度大于上層金屬板厚度，材料為鎳基合金或者Hl 3鋼。
[0022]現(xiàn)結(jié)合焊接實例對本發(fā)明進一步進行闡述。
[0023]厚度為3mm的2A14鋁合金和4 mm的AZ31鎂合金異種金屬攪拌摩擦點焊。焊接試板尺寸均為長150 mm、寬40 mm，搭接寬度40 mm，所采用釬料片為0.2 mm鋅基釬料片，尺寸為80 mmX40 mm。用經(jīng)改裝過的X53K型搖臂銑床進行焊接，焊接用攪拌頭的尺寸為，軸肩直徑20 mm、攪拌針長度3.5 mm。
[0024]具體焊接工藝如下:
焊前用乙醇將鋁合金板和鎂合金板表面的油污清洗干凈，用1000目砂紙打磨Zn片表面，然后用乙醇擦拭，吹干，待用。
[0025]將鎂合金板、鋅基釬料片、鋁合金板從下往上的順序依次放好，鎂合金和鋁合金的搭接寬度為40 mm。
[0026]焊接時的參數(shù)為:旋轉(zhuǎn)速度950r/min、焊接時間10s、下壓量2 mm，焊接完成后松開夾具，取出焊接試樣。
[0027]以鋅箔作為中間合金的攪拌摩擦點焊一擴散焊復(fù)合焊接方法獲得的焊接接頭的拉剪力為8 kN，遠高于同樣條件下攪拌摩擦點焊焊接接頭的抗拉剪力(4.2 kN)0
【主權(quán)項】
1.一種同步實現(xiàn)鋁和鎂異種材料攪拌摩擦點焊-釬焊-擴散焊的方法，其特征步驟如下: 步驟1、將鋁板和鎂板的接觸表面及周圍清理干凈，去除試件表面的氧化膜;并采用酒精或丙酮擦拭鋁板與鎂板的表面，去除油污與雜物； 步驟2、將招板和鎂板搭接固定在一起，在兩板之間添加一厚度范圍為0.1mm-0.5mm的釬料片，薄片兩側(cè)分別于鋁板和鎂板接觸； 步驟3、對固定的搭接結(jié)構(gòu)進行攪拌摩擦點焊焊接，焊接過程中，一方面通過攪拌頭上的攪拌針與下方板材的作用，實現(xiàn)鋁板和鎂板的攪拌摩擦點焊;另一方面，在攪拌頭軸肩摩擦產(chǎn)熱和鍛壓力的作用下，貼近攪拌針周圍區(qū)域溫度較高、釬料片融化，鋁板和鎂板之間形成釬焊連接;而離攪拌針稍遠的區(qū)域，在攪拌摩擦的熱力作用下，鋁板/釬料片、鎂板/釬料片之間發(fā)生原子擴散，形成擴散焊接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步實現(xiàn)鋁/鎂異種材料攪拌摩擦點焊-擴散焊的方法，其特征在于:所述上層金屬板為鋁合金板或者鎂合金板，厚度為l-10mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步實現(xiàn)鋁/鎂異種材料攪拌摩擦點焊-擴散焊的方法，其特征在于:所述下層金屬為鎂合金板或者鋁合金板，厚度為1-10 mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步實現(xiàn)鋁/鎂異種材料攪拌摩擦點焊-擴散焊的方法，其特征在于:所述攪拌頭的攪拌針長度大于上層金屬板厚度。
【文檔編號】B23K20/24GK105834608SQ201610342740
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】陳玉華, 謝吉林, 曹文明, 劉東亞
【申請人】南昌航空大學(xué)