[發明專利]一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法

有效

• 申請號: 201010591773.3
• 申請日: 2010-12-16
• 公開（公告）號: CN102120287A
• 公開（公告）日: 2011-07-13
• 發明（設計）人: 張貴鋒;張凱;趙繼鵬;蘇偉;張建勛
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K20/22;B23K20/24
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明屬于焊接領域，涉及一種縫焊與復合板制備的方法，尤其是涉及一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法。

技術背景

鋁與異種高強金屬的焊接(如Fe，Cu，Ti，不銹鋼等)因彼此冶金相容性差(極易形成脆性金屬間化合物)是一項已存在多年的技術難題。特別在運輸機械及雙金屬復合板等行業，這種異種金屬間的焊接極為普遍。例如，在以汽車、輕軌電車為代表的運輸設備制造行業，為節約燃油、減少排放，密度輕的鋁材正被逐漸引入來代替鋼材。另一方面，在Al/Steel雙金屬復合板的制備領域(常用野外爆炸焊、真空熱軋焊)，低能耗、安全性高、清潔綠色的低成本制備方法也是人們所期盼的。因此，鋁/鋼接頭的可靠焊接是一必然要遇到的工藝難題。然而，眾所周知，鋁/鋼接頭無法用傳統的電弧焊工藝施焊，其原因有二：一是在組織方面，電弧焊工藝會引起脆性金屬間化合物的出現而使接頭脆化；二是在可達性、效率及成形方面，電弧焊也不適宜于薄板間的大面積搭接接頭。另一方面，傳統的電阻縫焊也因在界面形成液相而導致出現脆性金屬間化合物。因此，多年來，可避免母材熔化的釬焊、摩擦焊一直是鋁/鋼焊接研究的熱點。

在釬焊方面，傳統爐中釬焊存在以下明顯缺點：(1)因加熱/冷卻速率緩慢，不僅使生產效率低，而且使金屬間化合物過度增厚，接頭脆化。(2)需保護氣體或真空環境，增大了生產成本或設備投資。(3)當使用釬劑(氯化物)去膜時，焊后必須及時清洗釬劑以防止釬劑腐蝕鋁材。近年來，法國、德國、日本(尤其是法國)均在開發面向鋁/鋼接頭的激光釬焊技術，但激光釬焊技術存在設備貴、鋁材對激光吸收率低、能量利用效率低、潤濕性差、需要氬氣保護等問題。

基于高溫形變金屬再結晶的變形式固相焊通常具有免用焊材、免用保護氣、效率高等優勢。在固相焊接方面，攪拌摩擦焊(FSW：frictionstir?welding)雖然有報道用于鋁合金車圈、輕軌電車車廂、鋁制容器的制造，但當母材之一為較硬的鋼材時，因鋼材與攪拌針的直接接觸摩擦使攪拌針的磨損極為強烈，導致工具的使用壽命顯著縮短，焊接難以為繼。

為避免針的磨損，雖然可以采用無針攪拌頭，但由此而產生的新的矛盾是針的取消將導致兩種母材界面間的機械攪拌混合效果喪失掉。為此，申請者提出了“異種金屬嵌入式攪拌摩擦縫焊”方法，其最為關鍵的技術要點在于預先在較硬母材上加工燕尾槽；其后，采用“無針式”柱狀工具；活用攪拌頭產生的摩擦熱與鍛壓力，使上板溫度上升、屈服強度急劇降低而發生軟化，同時在工具的下壓過程中，將高溫、塑化的上板材料嵌入硬板上預先加工好的燕尾槽內，以此實現上下兩板間的機械“咬合”，從而在無針的磨損的情況下，實現上下兩板間的牢固連接。

發明內容

本發明公開了一種嵌入式攪拌摩擦縫焊方法，尤為適于鋁(鎂)與高熔點、較硬的異種金屬材料(如碳鋼、不銹鋼、銅、鈦等)的搭接連接。本發明的目的是主要是為了解決異種金屬(如Al/steel、Al/stainless?steel等)在傳統攪拌摩擦焊中存在的兩項技術難題：一是當第二母材為較硬(如鋼材)時，如何避免鋼材對攪拌工具“針”部的劇烈磨損。為此，提出采用無針工具的技術方案；同時，限制攪拌頭的壓入深度約在0.1mm～2mm之間(視板厚而定)，并全在較軟第一母材1之內，無須穿透焊接界面。這樣，避免了摩擦工具端部與鋼材的直接接觸，從而避免了鋼材對攪拌工具的劇烈磨損。二是當采用無針工具的情況時，隨之而來的問題是上下板材間的機械混合效果因針的取消而喪失掉。為此，為可靠地實現上下板材界面間的相互混合或咬合，提出在第二母材上預先加工燕尾槽(可利用電火花切割或銑床加工)的技術方案，這種結構設計能使接頭承受較大的拉剪載荷?；谏鲜黾夹g方案，便可活用攪拌頭的摩擦熱與鍛壓力將上板擠入下板，在免除工具磨損情況下，可成功實現焊接或包覆工藝；同時，消除了焊道表面的匙孔。

綜上所述，本發明提出的“嵌入式攪拌摩擦縫焊方法”通過在“攪拌工具設計”、“壓入深度”、“第二母材2預加工”三個方面采用新的技術方案，并活用申請者前期研究與知識積累，即肩的鍛壓效應與扭轉效應的強化(相關論文分別發表于英國期刊Science?and?Technologyof?Welding?and?Joining與中國有色金屬學報英文版)來綜合解決工具磨損、界面混合、表面成形(光滑且無匙孔)、強化高溫軟化金屬的流動嵌入等問題，并獲得優質、節能、美觀的嵌入式接頭。

基于上述分析與技術方案，本發明確立了嵌入式攪拌摩擦縫焊方法。其工序為：