[发明专利]一种用于异种金属搭接结构的搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接方法

说明书

技术领域

本发明属于金属焊接领域、涉及一种异种金属搭接结构同时实现搅拌摩擦焊连接和钎焊连接的复合焊接方法。

背景技术

异种金属焊接接头由于兼具两种金属的性能，具有优势互补、扬长避短的效果,因而在许多领域得到广泛的应用。如，在汽车工业领域中，采用铝/钢双金属接头能够在保证接头承载能力的前提下，大幅度的降低结构的自身重量，为减轻车身重量，降低油耗奠定基础，研究表明，当汽车自重每减轻25%，能够节省50%的燃油损耗；在航空工业领域中，“减轻重量，提高推重比”成为降低飞行成本的重要设计措施，为此，在飞机座椅导轨中，采用铝/钛复合结构代替了全钛合金结构，能够在保证结构强度的条件下，大幅度地降低结构的自身重量。在异种金属搭接结构的焊接过程中，存在的主要问题是由于两种金属的理化性质存在差异，导致无法形成焊缝；焊后接头存在焊接残余应力导致开裂和变形；接头中的脆性金属间化合物导致接头脆化等问题。目前，国内外常用的异种金属搭接结构的焊接方法主要有熔化焊、钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊等。采用熔化焊对异种金属搭接结构进行焊接时，由于材料的熔点相差较大，低熔点材料熔化时高熔点材料尚未达到熔点，难以形成焊缝；或者两种材料热膨胀系数相差较大，导致焊缝区域变形不协调，容易产生焊接变形和应力集中，焊缝容易开裂；两种材料相互溶解易形成脆性金属间化合物，化合物在焊缝中大量存在会使得焊缝脆化，承载力低。熔化焊的焊缝宽度要小于接头的搭接宽度，这导致搭接结构中存在未焊合的搭接界面，界面容易产生应力集中以及在腐蚀介质中容易聚集腐蚀液而成为整个结构的薄弱区域。钎焊的优点是焊接效率高，能够实现批量生产。缺点是由于钎料的存在，导致接头耐腐蚀性及承载能力较低，无法在高于钎料熔点的温度下使用，降低了母材的使用范围。扩散焊能够获得质量较高的焊接接头，但是由于扩散的速度较慢、焊前清理要求较高，导致了扩散焊的效率低，成本较高，不适合大批量的生产。搅拌摩擦焊在焊接异种金属时由于被焊材料不发生熔化，焊缝中金属间化合物的量较少；焊缝热输入较低，焊后焊缝的残余应力小，焊接变形较小，对于异种金属的焊接具有一定的优势。但是，采用搅拌摩擦焊焊接搭接结构时，由于搭接界面存在界面迁移，会减小界面的有效承载厚度。同时，搭接界面处未焊合区的存在类似于焊缝中的裂纹尖端，承载过程中容易在该处产生应力集中，导致开裂；在腐蚀介质中服役的结构，容易被腐蚀液浸入，并且由于表面吸附作用，腐蚀液聚集，难以清除，导致局部腐蚀，使结构失效。

基于以上分析，针对传统熔化焊和搅拌摩擦焊在焊接搭接结构的缺点（存在搭接界面、有效承载厚度减小、搭接界面尖端容易萌生裂纹、聚集腐蚀液）。本发明提供一种“搅拌摩擦焊-钎焊”复合焊接方法，该方法在消除搭接界面以及弱化界面处尖端效应，防止腐蚀液聚集等方面具有极大的优势。同时，该方法能够对焊缝中的金属间化合物进行干扰和调控有利于接头异种金属间的连接。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的在于提供一种用于焊接异种金属搭接结构的“搅拌摩擦焊-钎焊”复合焊接方法，它适用于Al/（Fe、Mg、Cu、Ti）以及Mg/（Fe、Al、Cu、Ti）等有色金属的焊接，能够获得复合焊缝，可增大搭接结构的有效搭接宽度，减小搭接界面的应力集中和界面效应，提高接头的服役性能。

本发明是这样来实现的，一种用于焊接异种金属搭接结构的“搅拌摩擦焊-钎焊”复合焊接方法，其特征步骤如下：

（1）焊接前，将两种金属搭接固定在一起，硬度较大的金属材料（如Fe、Ti）置于下层、硬度较小的材料（如Al、Mg）置于上层，在两层金属之间添加一层熔点低于上层金属熔点80％、能与上下两板之一发生共晶反应的钎料或者自钎剂钎料，如纯Zn或者Zn基钎料；

（2）将搅拌针长度略大于或者等于上层金属板厚度的高速旋转的搅拌头对结构进行搅拌摩擦焊接，焊接过程中搅拌针要穿透上层金属板，进入下层金属中，用搅拌头轴肩与上板摩擦产生的热量在两种金属之间的钎料熔化；

 （3）最后熔化的钎料将上下两层金属的表面氧化膜溶解，在轴肩的压力作用下挤出多余的熔化钎料，实现接触界面的净化，界面处发生元素扩散，获得钎焊焊缝，形成扩散连接达到焊接的目的。同时，搅拌针作用区域的下层金属被塑化，而进入到上层金属中，实现搅拌摩擦焊接。

本发明在上述过程中，熔化的钎料也会随着搅拌针的作用而进入到上层金属中，对焊缝的形成及组织产生影响，搅拌头停止旋转后，焊件冷却，获得钎焊和搅拌摩擦焊复合焊缝，形成工件的连接。