[发明专利]一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头及焊接方法

说明书

本发明提出了一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头及焊接方法，属于新材料连接领域，该搅拌头的特征在于其内凹的轴肩与带有多级阻流圆台结构的倒塔形搅拌针，焊接方法是采用电阻式辅助加热条在焊缝上表面两侧加热的方式完成搅拌摩擦搭接焊，其特点是辅助热源可对焊接板材提供焊前预热和焊后缓降温的作用。根据本发明，搅拌头的阻流外形设计可以抑制热塑性聚合物材料的上溢，提高焊缝表面质量；而针对金属与热塑性聚合物材料的焊接辅助加热工艺则是基于“等温峰降转速”和“降应力防拉脱”的思想，在保证相同焊接温度下降低搅拌头转速，从而改善接头表面成形、消除内部缺陷并且优化界面结构，以综合提升异质接头质量。

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，涉及一种用于金属与热塑性聚合物焊接的搅拌头及焊接方法。

背景技术

热塑性聚合物材料具有较高的比强度、高比模量以及优异的耐腐蚀特性，因此在航天航空、风力发电、交通运输等领域有着广阔的应用前景。在一些工业制造领域，热塑性聚合物材料的广泛应用不可避免地产生其与钢、铝、镁合金等传统金属材料的连接问题。目前针对热塑性聚合物材料与金属的连接多以胶接、机械连接(铆接和螺栓连接)为主，但其所带来的接头老化或应力集中等问题难以避免。

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)作为一种新型固相连接技术，它采用旋转搅拌头与被焊工件通过摩擦生热，并挤压软化材料以形成焊缝。FSW技术具有焊接温度低、材料混合剧烈的优点，在异种材料的连接领域有着明显的优势。FSW技术应用于金属与热塑性聚合物材料的连接已经引起了众多研究者的关注。但是，在搅拌摩擦焊技术中，金属与热塑性聚合物材料的异材焊接所产生的焊缝成形质量差、接头内部缺陷多、力学性能低的问题仍未得到有效的解决。

特别地，在依靠材料在搭接界面处迁移形成有效连接的搅拌摩擦搭接焊(Friction Stir Lap Welding，FSLW)的过程中,以锥形针特征为代表的促流搅拌头带动周围材料做轴向与径向的三维流动，导致热塑性聚合物材料上溢致焊缝表面成形质量差。然而，金属与热塑性聚合物材料的连接中工艺参数窗口较窄，而搅拌头转速对热输入与材料流动的影响较为直接，对接头成形影响较大。转速过高易使热输入过大，导致如下问题：因两种材料的相容性较差以及熔点相差较大，粘弹性的聚合物材料受热溢出焊缝表面，影响接头的成形；因材料热膨胀系数的不同，接头中易出现孔洞缺陷；界面中存在的较大应力所导致的材料“拉脱分离”缺陷又会进一步恶化接头力学性能。

中国发明专利一种用于搭接接头的搅拌摩擦焊工具(申请号：CN201310469629.6)中提到的特殊形状(截锥形)的搅拌针可以有效改善搅拌针周围材料的流动路径，从而抑制界面材料上抬，减小搭接钩状缺陷的产生，提升搭接强度，但其主要针对的是同异种金属材料之间的FSLW过程，无法解决金属与聚合物材料中存在的上述问题。中国发明专利利用搅拌摩擦焊连接金属材料与树脂基复合材料的方法(申请号：CN201610808910.1)中控制高速旋转的搅拌头插入金属材料且不接触树脂基复合材料的表面，借助搅拌头产生的摩擦热和工具轴肩下压压力共同作用完成连接，工艺操作要求高，且搅拌头不扎入树脂基复合材料，易产生弱连接的问题且无法形成承载能力较强的金属与聚合物间的宏观机械咬合。中国发明专利一种适用于金属与聚合物之间的搅拌摩擦焊接方法(申请号：CN201910225037.7)中利用随动轴肩作为辅助热源以提高FSLW的接头质量，对金属与热塑性聚合物材料的FSLW有参考意义。但是该技术方案仅适用于聚合物材料上置、金属材料下置的搭接形式，以对聚合物的辅热来改善因聚合物热导率低而导致的孔洞缺陷问题。而对于金属上置、聚合物下置的搭接形式，静止轴肩加热对聚合物侧温度梯度大的问题起不到改善作用，反而因对于上板金属的焊缝区位置加热还会带来因金属软化无法密封下板聚合物材料的上溢的问题，加剧接头成形困难与力学性能低的现状。因此，对于金属上置、聚合物材料下置的搭接接头，该方案不再适用。

因此，寻找一种适用于提高金属与热塑性聚合物材料的FSLW接头质量的搅拌头及连接方法是十分必要的，对于热塑性聚合物材料在行业中的应用具有重要意义。

发明内容