一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法
【專利摘要】一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法，包括以下步驟：1）、確定兩種金屬板的相對厚度：2）、在兩種金屬板的焊接端加工接頭結(jié)構(gòu)：在低熔點金屬板的焊接端加工一個矩形凹槽，在高熔點金屬板的焊接端加工一個矩形凸臺，矩形凸臺的高度與厚度分別與矩形凹槽的深度和寬度相匹配；3）、確定是否需要添加能夠避免或減少金屬間化合物產(chǎn)生的過渡層，如果兩種金屬板之間的金屬間化合物的延伸率不大于2%，則在矩形凸臺的表面設(shè)置過渡層；否則，直接進入下一個步驟；4）、將兩種金屬板用夾具固定；5）、設(shè)定焊接工藝參數(shù)；6）、使攪拌頭在設(shè)定的焊接工藝參數(shù)下完成對兩種金屬板的焊接。焊接質(zhì)量高，并且可改善接頭的受力情況。
【專利說明】
一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及異種金屬板材的連接技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)生產(chǎn)中，由于不同的金屬具有不同的優(yōu)點，因此將不同的金屬連接在一起得到的異種金屬連接件通常會具有更大的實用價值。比如，在當今工業(yè)中目前應(yīng)用最廣的有色金屬鋁及鋁合金，其質(zhì)量輕、比強度大、耐腐蝕，導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好;另一種工程中最常用的結(jié)構(gòu)材料鋼，強度比較高;還有一種在海洋船舶領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用的鈦及鈦合金，不僅比強度高，而且耐蝕性好，因此，將上述三種金屬任意兩種之間進行連接得到的異種金屬連接件都將會具有很大的實用價值，其更適用于汽車、高速列車、航空航天、核動力和潛艇等迫切需要輕量化技術(shù)的領(lǐng)域。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，異種金屬之間通常采用爆炸焊、激光焊、熔釬焊或者采用固相連接的摩擦焊這些焊接方法進行連接。這些焊接方法由于受到各種因素的影響，難以保證焊接的質(zhì)量，從而限制了其在異種金屬焊接中的大規(guī)模應(yīng)用。
[0004]攪拌摩擦焊是一種新型的固相連接方法，具有高效、環(huán)保、熱變形和殘余應(yīng)力小等綜合優(yōu)點。攪拌摩擦焊是通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入待焊接的兩個工件，并沿焊接方向運動，利用攪拌頭探針和軸肩與工件之間的摩擦熱使工件焊接區(qū)域的金屬發(fā)生軟化，軟化后的金屬發(fā)生塑性流動，使得兩個工件焊接區(qū)域的金屬攪拌混合，依靠攪拌、重結(jié)晶作用，使之融為一體實現(xiàn)材料連接的固相焊接方法。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中采用攪拌摩擦焊接方法來進行兩種不同金屬板的焊接時，是采用直板式的對接結(jié)構(gòu)或者單側(cè)搭接結(jié)構(gòu)，前者不僅容易發(fā)生兩種金屬板側(cè)分現(xiàn)象，同時由于金屬間化合物的產(chǎn)生，結(jié)合強度降低，不能滿足實際使用的強度要求;后者由于結(jié)合面較少降低了連接強度，同時后者的單側(cè)搭接結(jié)構(gòu)也使得得到的異種金屬連接件受力情況受到限制，總之，現(xiàn)有的焊接方法無法滿足異種金屬材料尤其是異種金屬板材之間焊接質(zhì)量要求的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法，可以實現(xiàn)兩種不同材料金屬板之間的高質(zhì)量可靠連接。
[0007]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括以下步驟:
1)、確定待焊接的兩種金屬板的相對厚度:
如果兩種金屬板的熔點相差在600°C以下，則待焊接的兩種金屬板的厚度相同；否則，低熔點的金屬板的厚度要大于高熔點的金屬板的厚度；
2)、在待焊接的兩種金屬板的焊接端加工出接頭結(jié)構(gòu): 在低熔點金屬板的焊接端加工一個矩形凹槽，矩形凹槽的開口方向與其所在的低熔點金屬板的板面相平行，且矩形凹槽的中心對稱平面與其所在的低熔點金屬板的中心對稱平面相重合;在高熔點金屬板的焊接端加工一個矩形凸臺，矩形凸臺的高度與厚度分別與矩形凹槽的深度和寬度相匹配，且矩形凸臺的中心對稱平面與其所在的高熔點金屬板的中心對稱平面相重合；
3)、根據(jù)兩種金屬板會產(chǎn)生的金屬間化合物的塑韌性確定是否需要添加能夠避免或減少金屬間化合物產(chǎn)生的過渡層，所述過渡層為異于兩種待焊金屬板并與兩種待焊金屬板不生成金屬間化合物的金屬材料，該過渡層設(shè)置在矩形凸臺與矩形凹槽的接觸面之間；
金屬間化合物的塑韌性用延伸率來表現(xiàn)，如果兩種金屬板之間的金屬間化合物的延伸率不大于2%，則在所述的矩形凸臺與矩形凹槽的接觸面之間設(shè)置過渡層；否則，直接進入下一個步驟；
4)、將待焊接的兩種金屬板置于攪拌摩擦焊機的工作臺面上，將矩形凹槽與矩形凸臺相配合安裝后，用夾具固定；
5)、設(shè)定焊接工藝參數(shù)，所述的焊接工藝參數(shù)包括攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和壓入量；
6)、使攪拌摩擦焊機的攪拌頭在步驟5)設(shè)定的焊接工藝參數(shù)下壓入矩形凹槽與矩形凸臺配合形成的待焊接區(qū)域完成對兩種金屬板的焊接。
[0008]進一步地，所述步驟I)中，兩種金屬板的熔點相差在600°C以上時，低熔點的金屬板的厚度大于高恪點的金屬板的厚度0.5-1 mm。
[0009]進一步地，所述步驟3)中，過渡層的厚度為20_50μπι。
[0010]進一步地，所述步驟3)中，過渡層通過涂覆或者電鍍的方式設(shè)置在矩形凹槽的內(nèi)表面或/和矩形凸臺的外表面，或者過渡層以箔片或粉末的形式設(shè)置在矩形凸臺與矩形凹槽的接觸面之間。
[0011 ] 進一步地，所述步驟5)中，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為300-1500r/min，焊接速度為30-800mm/min，焊接時壓入量為0.5_2mm。
[0012]進一步地，所述步驟6)中，攪拌頭壓入焊接區(qū)域時保證
攪拌頭的軸肩壓在高熔點金屬板上的寬度最大處Wmax不大于攪拌頭的軸肩直徑的四分之一。
[0013]有益效果:
本發(fā)明采用一種在低熔點金屬板上設(shè)置矩形凹槽，在高熔點金屬上設(shè)置矩形凸起然后使兩者相配合的接頭形式，不僅在焊接過程中可減少熱輸入避免金屬間化合物的產(chǎn)生，而且通過低熔點材料充分的塑性攪拌，可改善焊縫的成形，從而提高焊縫的連接性能。而且可以改善接頭處的受力狀況，擴大接頭的應(yīng)用范圍。
[0014]對于熔點相差比較大(相差600°C以上)的兩種金屬，使低熔點的金屬板的厚度略大于(0.5-lmm)高恪點金屬板的厚度，從而在焊接時低恪點的金屬在壓力作用下塑性流動到高熔點金屬表面，可以獲得表面質(zhì)量良好的焊縫，避免攪拌頭的軸肩壓入高熔點金屬時溫度升高過快，導(dǎo)致低熔點金屬過早達到熔點，降低攪拌摩擦性能，使得焊接區(qū)域出現(xiàn)未填充或焊縫出現(xiàn)表面孔洞等焊接缺陷。
[0015]本發(fā)明中對于極易形成脆性極高的金屬間化合物的兩種金屬材料，提出了一種減少異種金屬攪拌摩擦焊金屬間化合物的產(chǎn)生的方法，即在結(jié)合界面預(yù)先設(shè)置具有減少或避免金屬間化合物產(chǎn)生的過渡層金屬，進一步可提高焊接接頭結(jié)構(gòu)的塑性和韌性，最終提高焊接質(zhì)量。
[0016]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步具體詳細的說明。
【附圖說明】
[0017]圖1為兩種金屬板的接頭結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖2為兩種金屬板接頭配合安裝后兩面焊接示意圖。
[0019]圖3為兩種金屬板接頭配合安裝后單面全厚度焊接示意圖。
[0020]圖中，1、低熔點金屬板，2、矩形凹槽，3、矩形凸起，4、高熔點金屬板，5、焊接區(qū)域，6、軸肩。
【具體實施方式】
[0021]實施例一:
一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法，包括以下步驟:
I)、確定待焊接的兩種金屬板的相對厚度:
本實施例選用5052鋁合金板與316L不銹鋼板進行焊接，因為兩者之間的熔點相差在600°C以上，故可確定使用不同厚度的兩種金屬板，本實施例使用4.5mm厚度的5052鋁合金板與4mm厚度的316L不銹鋼板進行焊接(因為5052鋁合金的熔點比316L不銹鋼的熔點低)。
[0022 ] 2 )、在待焊接的兩種金屬板的焊接端加工出接頭結(jié)構(gòu):
本實施例中，在低熔點的5052鋁合金板的焊接端加工出矩形凹槽，矩形凹槽的深度為3mm，矩形凹槽的寬度為2 mm，矩形凹槽的開口方向與5052鋁合金板的板面相平行，且矩形凹槽的中心對稱平面與其所在的5052鋁合金板的中心對稱平面相重合，即構(gòu)成矩形凹槽的上壁和下壁的厚度均為1.25 mm。
[0023]在316L不銹鋼板的焊接端加工一個矩形凸臺，矩形凸臺的高度為3mm，與矩形凹槽的深度(3mm)相匹配，矩形凸臺的寬度為2mm，與5052鋁合金板上矩形凹槽的寬度(2mm)相匹配，且矩形凸臺的中心對稱平面與316L不銹鋼板的中心對稱平面相重合，即在形成矩形凸臺的316L不銹鋼板厚度方向的兩側(cè)分別去除Imm厚且3mm寬度的材料得到矩形凸臺；
3)、根據(jù)兩種金屬板會產(chǎn)生的金屬間化合物的塑韌性確定是否需要添加能夠避免或減少金屬間化合物產(chǎn)生的過渡層。
[0024]金屬間化合物的塑韌性用延伸率來表現(xiàn)，因為5052鋁合金與316L不銹鋼板的金屬間化合物的延伸率小于2%，因此本實施例需要設(shè)置過渡層。
[0025]本實施例選用鋅作為過渡層，過渡層的厚度為20μπι，采用涂覆的方法設(shè)置在5052鋁合金板的矩形凹槽內(nèi)表面或316L不銹鋼板的矩形凸臺外表面。對于本實施例，也可使用銅或鎳作為過渡層。
[0026]4)、將待焊接的5052鋁合金板和316L不銹鋼板置于攪拌摩擦焊機的工作臺面上，將矩形凹槽與矩形凸臺相配合安裝后，用夾具固定；
5)、設(shè)定焊接工藝參數(shù)，所述的焊接工藝參數(shù)包括攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和壓入量，本實施例中，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為300r/min，焊接速度為30mm/min，焊接時的壓入量為0.5mm ο
[0027]6)、使攪拌摩擦焊機的攪拌頭在步驟5)設(shè)定的焊接工藝參數(shù)下壓入矩形凹槽與矩形凸臺配合形成的焊接區(qū)域完成對5052鋁合金板與316L不銹鋼板之間的焊接連接。
[0028]實施例二:
一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法，包括以下步驟:
I)、確定待焊接的兩種金屬板的相對厚度:
本實施例選用TC4鈦合金板與316L不銹鋼板進行焊接，因為兩者之間的熔點相差在600°C以下，故可確定使用相同厚度的兩種金屬板，本實施例使用8mm厚度的TC4鈦合金板和316L不銹鋼板進行焊接。
[0029]2)、在待焊接的兩種金屬板的焊接端加工出接頭結(jié)構(gòu):
本實施例中，在低熔點的TC4鈦合金板的焊接端加工出矩形凹槽，矩形凹槽的深度為5mm，矩形凹槽的寬度為4mm，矩形凹槽的開口方向與TC4鈦合金板的板面相平行，且矩形凹槽的中心對稱平面與所述的TC4鈦合金板的中心對稱平面相重合，即構(gòu)成矩形凹槽的上壁和下壁的厚度均為2mm。
[0030]在316L不銹鋼板的焊接端加工一個矩形凸臺，矩形凸臺的高度為5mm，與矩形凹槽的深度(5mm)相匹配，矩形凸臺的寬度為4mm，與TC4鈦合金板上矩形凹槽的寬度(4mm)相匹配，且矩形凸臺的中心對稱平面與316L不銹鋼板的中心對稱平面相重合，即在形成矩形凸臺的316L不銹鋼板厚度方向的兩側(cè)分別去除2mm厚且5mm寬度的材料得到矩形凸臺；
3)、根據(jù)兩種金屬板會產(chǎn)生的金屬間化合物的塑韌性確定是否需要添加能夠避免或減少金屬間化合物產(chǎn)生的過渡層。
[0031]金屬間化合物的塑韌性用延伸率來表現(xiàn)，因為TC4鈦合金與316L不銹鋼的金屬間化合物的延伸率小于2%，因此本具體實施例需要設(shè)置過渡層。
[0032]本實施例選用銅作為過渡層，過渡層的厚度為35μπι，采用銅箔片的方式設(shè)置在TC4鈦合金板的矩形凹槽內(nèi)表面與316L不銹鋼板的矩形凸臺外表面之間。對于本實施例，也可使用釩或其余合適的金屬作為過渡層。
[0033]4)、將待焊接的TC4鈦合金板和316L不銹鋼板置于攪拌摩擦焊機的工作臺面上，將矩形凹槽與矩形凸臺相配合安裝后，用夾具固定；
5)、設(shè)定焊接工藝參數(shù)，所述的焊接工藝參數(shù)包括攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和壓入量，本實施例中，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為900r/min，焊接速度為415mm/min，焊接時的壓入量為1.25mm0
[0034]6)、使攪拌摩擦焊機的攪拌頭在步驟5)設(shè)定的焊接工藝參數(shù)下壓入矩形凹槽與矩形凸臺配合形成的焊接區(qū)域完成對TC4鈦合金板與316L不銹鋼板之間的焊接。
[0035]實施例三:
一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法，包括以下步驟:
I)、確定待焊接的兩種金屬板的相對厚度:
本實施例選用5052鋁合金板與TA2純鈦板進行焊接，因為兩者之間的熔點相差在600°C以上(5052鋁合金板的熔點低，TA2純鈦板的熔點高)，故可確定使用不同厚度的兩種金屬板，本實施例使用1mm厚度的5052鋁合金板與9mm厚度的TA2純鈦板進行焊接。
[0036]2)、在待焊接的兩種金屬板的焊接端加工出接頭結(jié)構(gòu): 本實施例中，在低熔點的5052鋁合金板的焊接端加工出矩形凹槽，矩形凹槽的深度為6mm，矩形凹槽的寬度為4mm，矩形凹槽的開口方向與5052鋁合金板的板面相平行，且矩形凹槽的中心對稱平面與所述的5052鋁合金板的中心對稱平面相重合，即構(gòu)成矩形凹槽的上壁和下壁的厚度均為3mm。
[0037]在TA2純鈦板的焊接端加工一個矩形凸臺，矩形凸臺的高度為6mm，與矩形凹槽的深度(6mm)相匹配，矩形凸臺的寬度為4mm，與5052鋁合金板上矩形凹槽的寬度(4mm)相匹配，且矩形凸臺的中心對稱平面與TA2純鈦板的中心對稱平面相重合，即在形成矩形凸臺的TA2純鈦板厚度方向的兩側(cè)分別去除2mm厚且6mm高度的材料得到矩形凸臺；
3)、根據(jù)兩種金屬板會產(chǎn)生的金屬間化合物的塑韌性確定是否需要添加能夠避免或減少金屬間化合物產(chǎn)生的過渡層。
[0038]金屬間化合物的塑韌性用延伸率來表現(xiàn)，因為5052鋁合金板與TA2純鈦板的金屬間化合物的延伸率大于2%因此本實施例不需要設(shè)置過渡層。
[0039]4)、將待焊接的5052鋁合金板與TA2純鈦板置于攪拌摩擦焊機的工作臺面上，將5052鋁合金板上的矩形凹槽與TA2純鈦板上的矩形凸臺相配合安裝后，用夾具固定；
5)、設(shè)定焊接工藝參數(shù)，所述的焊接工藝參數(shù)包括攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和壓入量，本實施例中，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1500r/min，焊接速度為800mm/min，焊接時的壓入量為2mm ο
[0040]6)、使攪拌摩擦焊機的攪拌頭在步驟5)設(shè)定的焊接工藝參數(shù)下壓入矩形凹槽與矩形凸臺配合形成的焊接區(qū)域完成對5052鋁合金板與TA2純鈦板之間的焊接。
[0041 ] 實施例四:
本實施例中，過渡層的厚度為50μηι，選用釩采用電鍍的方式設(shè)置在TC4鈦合金板的矩形凹槽內(nèi)表面或316L不銹鋼板的矩形凸臺外表面之間，其余步驟均與實施例二相同。
[0042]實施例五:
本實施例中使用9.75mm厚度的5052鋁合金板與9mm厚度的TA2純鈦板進行焊接;在低熔點的5052鋁合金板的焊接端加工出矩形凹槽，矩形凹槽的深度為6mm，矩形凹槽的寬度為4mm，矩形凹槽的開口方向與5052鋁合金板的板面相平行，且矩形凹槽的中心對稱平面與所述的5052鋁合金板的中心對稱平面相重合，即構(gòu)成矩形凹槽的上壁和下壁的厚度均為2.875mm；其余步驟均與實施例三相同。
[0043]在上述每個實施例中，步驟6)中，攪拌頭壓入焊接區(qū)域時保證攪拌頭的軸肩壓在高恪點金屬板上的寬度最大處Wmax不大于攪拌頭的軸肩直徑的四分之一，可獲得良好的表面成形，也可進一步提高焊縫強度。
[0044]另外，在上述每個實施例中，不僅可采用較長攪拌針在焊接區(qū)域的一面進行單面全厚度一次性焊接，如圖3所示;也可采用較短攪拌針在焊接區(qū)域5的兩面分別焊接一次，進行兩面焊接，實現(xiàn)兩種金屬的焊接連接，如圖2所示。圖中僅顯示出了攪拌頭的軸肩6，未顯示出攪拌針。
[0045]關(guān)于過渡層的設(shè)置，也可采用粉末的方式直接設(shè)置在矩形凹槽與矩形凸臺的上表面之間或矩形凹槽與矩形凸臺的下表面之間。
[0046]以上實施例僅僅是為了說明本發(fā)明，其并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
【主權(quán)項】
1.一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括以下步驟: I)、確定待焊接的兩種金屬板的相對厚度: 如果兩種金屬板的熔點相差在600°C以下，則待焊接的兩種金屬板的厚度相同；否則，低熔點的金屬板的厚度要大于高熔點的金屬板的厚度； 2 )、在待焊接的兩種金屬板的焊接端加工出接頭結(jié)構(gòu): 在低熔點金屬板的焊接端加工一個矩形凹槽，矩形凹槽的開口方向與其所在的低熔點金屬板的板面相平行，且矩形凹槽的中心對稱平面與其所在的低熔點金屬板的中心對稱平面相重合;在高熔點金屬板的焊接端加工一個矩形凸臺，矩形凸臺的高度與厚度分別與矩形凹槽的深度和寬度相匹配，且矩形凸臺的中心對稱平面與其所在的高熔點金屬板的中心對稱平面相重合； 3)、根據(jù)兩種金屬板會產(chǎn)生的金屬間化合物的塑韌性確定是否需要添加能夠避免或減少金屬間化合物產(chǎn)生的過渡層，所述過渡層為異于兩種待焊金屬板并與兩種待焊金屬板不生成金屬間化合物的金屬材料，該過渡層設(shè)置在矩形凸臺與矩形凹槽的接觸面之間； 金屬間化合物的塑韌性用延伸率來表現(xiàn)，如果兩種金屬板之間的金屬間化合物的延伸率不大于2%，則在所述的矩形凸臺與矩形凹槽的接觸面之間設(shè)置過渡層；否則，直接進入下一個步驟； 4)、將待焊接的兩種金屬板置于攪拌摩擦焊機的工作臺面上，將矩形凹槽與矩形凸臺相配合安裝后，用夾具固定； 5)、設(shè)定焊接工藝參數(shù)，所述的焊接工藝參數(shù)包括攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和壓入量； 6)、使攪拌摩擦焊機的攪拌頭在步驟5)設(shè)定的焊接工藝參數(shù)下壓入矩形凹槽與矩形凸臺配合形成的焊接區(qū)域完成對兩種金屬板的焊接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于:所述步驟I)中，兩種金屬板的熔點相差在600°C以上時，低熔點的金屬板的厚度大于高熔點的金屬板的厚度0.5-1 mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于:所述步驟3)中，過渡層的厚度為20-50μπι。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于:所述步驟3)中，過渡層通過涂覆或者電鍍的方式設(shè)置在矩形凹槽的內(nèi)表面或/和矩形凸臺的外表面，或者過渡層以箔片或粉末的形式設(shè)置在矩形凸臺與矩形凹槽的接觸面之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于:所述步驟5)中，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為300-1500r/min，焊接速度為30-800mm/min，焊接時壓入量為0.5_2mm06.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異種金屬板之間的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于:所述步驟6)中，攪拌頭壓入焊接區(qū)域時保證攪拌頭的軸肩壓在高熔點金屬板上的寬度最大處Wmax不大于攪拌頭的軸肩直徑的四分之一。
【文檔編號】B23K20/22GK105965150SQ201610396288
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】高福洋, 郁炎, 蔣鵬
【申請人】中國船舶重工集團公司第七二五研究所