[发明专利]一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接领域，涉及一种缝焊与复合板制备的方法，尤其是涉及一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法。

技术背景

铝与异种高强金属的焊接(如Fe，Cu，Ti，不锈钢等)因彼此冶金相容性差(极易形成脆性金属间化合物)是一项已存在多年的技术难题。特别在运输机械及双金属复合板等行业，这种异种金属间的焊接极为普遍。例如，在以汽车、轻轨电车为代表的运输设备制造行业，为节约燃油、减少排放，密度轻的铝材正被逐渐引入来代替钢材。另一方面，在Al/Steel双金属复合板的制备领域(常用野外爆炸焊、真空热轧焊)，低能耗、安全性高、清洁绿色的低成本制备方法也是人们所期盼的。因此，铝/钢接头的可靠焊接是一必然要遇到的工艺难题。然而，众所周知，铝/钢接头无法用传统的电弧焊工艺施焊，其原因有二：一是在组织方面，电弧焊工艺会引起脆性金属间化合物的出现而使接头脆化；二是在可达性、效率及成形方面，电弧焊也不适宜于薄板间的大面积搭接接头。另一方面，传统的电阻缝焊也因在界面形成液相而导致出现脆性金属间化合物。因此，多年来，可避免母材熔化的钎焊、摩擦焊一直是铝/钢焊接研究的热点。

在钎焊方面，传统炉中钎焊存在以下明显缺点：(1)因加热/冷却速率缓慢，不仅使生产效率低，而且使金属间化合物过度增厚，接头脆化。(2)需保护气体或真空环境，增大了生产成本或设备投资。(3)当使用钎剂(氯化物)去膜时，焊后必须及时清洗钎剂以防止钎剂腐蚀铝材。近年来，法国、德国、日本(尤其是法国)均在开发面向铝/钢接头的激光钎焊技术，但激光钎焊技术存在设备贵、铝材对激光吸收率低、能量利用效率低、润湿性差、需要氩气保护等问题。

基于高温形变金属再结晶的变形式固相焊通常具有免用焊材、免用保护气、效率高等优势。在固相焊接方面，搅拌摩擦焊(FSW：frictionstir welding)虽然有报道用于铝合金车圈、轻轨电车车厢、铝制容器的制造，但当母材之一为较硬的钢材时，因钢材与搅拌针的直接接触摩擦使搅拌针的磨损极为强烈，导致工具的使用寿命显著缩短，焊接难以为继。

为避免针的磨损，虽然可以采用无针搅拌头，但由此而产生的新的矛盾是针的取消将导致两种母材界面间的机械搅拌混合效果丧失掉。为此，申请者提出了“异种金属嵌入式搅拌摩擦缝焊”方法，其最为关键的技术要点在于预先在较硬母材上加工燕尾槽；其后，采用“无针式”柱状工具；活用搅拌头产生的摩擦热与锻压力，使上板温度上升、屈服强度急剧降低而发生软化，同时在工具的下压过程中，将高温、塑化的上板材料嵌入硬板上预先加工好的燕尾槽内，以此实现上下两板间的机械“咬合”，从而在无针的磨损的情况下，实现上下两板间的牢固连接。

发明内容

本发明公开了一种嵌入式搅拌摩擦缝焊方法，尤为适于铝(镁)与高熔点、较硬的异种金属材料(如碳钢、不锈钢、铜、钛等)的搭接连接。本发明的目的是主要是为了解决异种金属(如Al/steel、Al/stainless steel等)在传统搅拌摩擦焊中存在的两项技术难题：一是当第二母材为较硬(如钢材)时，如何避免钢材对搅拌工具“针”部的剧烈磨损。为此，提出采用无针工具的技术方案；同时，限制搅拌头的压入深度约在0.1mm～2mm之间(视板厚而定)，并全在较软第一母材1之内，无须穿透焊接界面。这样，避免了摩擦工具端部与钢材的直接接触，从而避免了钢材对搅拌工具的剧烈磨损。二是当采用无针工具的情况时，随之而来的问题是上下板材间的机械混合效果因针的取消而丧失掉。为此，为可靠地实现上下板材界面间的相互混合或咬合，提出在第二母材上预先加工燕尾槽(可利用电火花切割或铣床加工)的技术方案，这种结构设计能使接头承受较大的拉剪载荷。基于上述技术方案，便可活用搅拌头的摩擦热与锻压力将上板挤入下板，在免除工具磨损情况下，可成功实现焊接或包覆工艺；同时，消除了焊道表面的匙孔。

综上所述，本发明提出的“嵌入式搅拌摩擦缝焊方法”通过在“搅拌工具设计”、“压入深度”、“第二母材2预加工”三个方面采用新的技术方案，并活用申请者前期研究与知识积累，即肩的锻压效应与扭转效应的强化(相关论文分别发表于英国期刊Science and Technologyof Welding and Joining与中国有色金属学报英文版)来综合解决工具磨损、界面混合、表面成形(光滑且无匙孔)、强化高温软化金属的流动嵌入等问题，并获得优质、节能、美观的嵌入式接头。

基于上述分析与技术方案，本发明确立了嵌入式搅拌摩擦缝焊方法。其工序为：