[發明專利]一種立式摩擦螺柱焊方法

無效

• 申請號: 201210590509.7
• 申請日: 2012-12-29
• 公開（公告）號: CN103071912A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 張貴鋒;焦偉民;趙繼鵬;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
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 汪人和

技術領域

本發明屬于金屬焊接技術領域，涉及一種立式摩擦螺柱焊方法。

背景技術

螺柱焊是將金屬螺柱或類似的棒狀緊固件焊至大面積的板材或管材工件表面的焊接方法（黃旺福,黃金剛主編.鋁及鋁合金焊接指南[M].長沙:湖南科學技術出版社,2004）。現有螺柱焊工藝為電弧螺柱焊，只能用于同種金屬焊接。目前，螺柱焊技術主要用于焊接鋼鐵接頭，在鋁合金焊接應用方面研究較少。吳旭敏等（吳旭敏,余小華,南一.鋁合金電容放電螺柱焊的研究[J].機械工程材料,2003,27(1):44-46.）研究了用電容放電螺柱焊實現防銹鋁螺柱和鋁合金板材的焊接；Ramasamy?Siva（Ramasamy?Siva.Drawn?arc?aluminum?studwelding?for?automotive?applications[J].Aluminum,2002,54(8):44-46.）研究了用拉弧式電弧螺柱焊實現鋁螺柱的焊接，并已成功地應用于汽車制造、建筑、鋼結構等行業中。不論是電容放電螺柱焊還是拉弧式電弧螺柱焊實現的都是鋁螺柱和鋁合金板材焊接，是同種材料的螺柱和板材之間的焊接。對于鋼螺柱和鋁板之間異種金屬的螺柱焊接至今沒有文獻報道。

常見電弧螺柱焊并不適于異種金屬螺柱焊，主要原因在于電弧熔化所產生的液相難以被全部擠出，一旦有液相殘留，則冷凝后必有脆性金屬間化合物形成，致使接頭脆化。以鋁/鋼組合為例，由于鋁和鋼的性能存在較大的差異，焊接時容易出現以下問題：熔點、密度相差大，難用熔化焊直接焊接；鋁材表面氧化膜難破除；焊后接頭容易產生硬而脆的金屬間化合物，惡化接頭強度。從焊接冶金理論上講，摩擦螺柱焊是固相焊接方法，具有抑制金屬間化合物過度增厚的優勢，有望用于異種金屬組合。

然而，國內外幾乎看不到摩擦螺柱焊工藝報道，特別是異種金屬摩擦螺柱焊。池強（池強,張建勛,付繼飛.電弧螺柱焊技術的發展與應用[J].焊接技術,2003.32(6):18-21.）、陳家慶（陳家慶,焦向東,周燦豐,邱宗義,欒國紅.新型材料成形加工技術——摩擦疊焊[J].焊接學報,2007,28(9):108-113.）等人在文中提及過摩擦螺柱焊，但均未詳細論述。具體工藝及工藝要點無從知曉。

近年來，在鋁材焊接方法方面，1991年英國焊接研究所（TWI）提出了適合Al材的劃時代固相焊接方法——攪拌摩擦焊（FSW）。FSW利用旋轉攪拌頭與靜止工件之間產生摩擦熱，使材料達到塑性流動狀態，實現待焊界面間的破膜、混合、轉移，最后經擠壓、動態再結晶形成致密焊縫。在攪拌摩擦焊的基礎上，日本Mazda汽車公司于1993年發明了點摩擦焊接（SpotFriction?Welding），德國GKSS研究中心也于1999年發明了攪拌摩擦點焊（FSSW）。攪拌摩擦點焊基本原理是利用非消耗性攪拌工具的軸肩加熱上板使其軟化，并利用針嵌入下板使下板向上返流而嵌入高溫上板，從而實現上/下界面間的嵌合與連接，但焊后當針拔出時會殘留匙孔。

發明內容

本發明解決的問題在于提供一種立式摩擦螺柱焊方法，可解決電弧螺柱焊難以勝任的異種金屬螺柱焊與大直徑螺柱的焊接，也可用于同種金屬螺柱焊。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種立式摩擦螺柱焊方法，包括以下操作：

1）將高速旋轉的螺柱壓入異種或同種板材，以高速旋轉的螺柱端面與板材表層間相互摩擦產生的摩擦熱為熱源，壓入深度為0.1～1mm；

2）在螺柱壓入板材后，當螺柱四周均形成均勻的飛邊時，利用材料熱膨脹產生的低幅高溫膨脹壓力，原位摩擦1～5s；

3）停車時，向板材施加頂鍛力并維持頂鍛力至少到螺柱停止旋轉時為止。

所述采用以下方式施加頂鍛力：

延續頂鍛，頂鍛壓力在螺柱完全停轉后繼續保持；

或者分級頂鍛，頂鍛壓力在螺柱完全停轉后的瞬時加大頂鍛壓力，并保持。

所述在螺柱完全停轉后繼續保持1～10s。

所述異種金屬螺柱焊時，當真實瞬時摩擦界面逐漸向較弱母材內轉移而在較弱母材內形成二次摩擦界面，施加頂鍛壓力在線重新鍛合二次摩擦界面出現的扭轉裂紋。

所施加的頂鍛壓力根據母材的高溫屈服強度與壓入板材的深度選取，兼顧重新鍛合二次摩擦界面處的扭裂裂紋，并避免板材減薄量過大。

所述的螺柱、板材為同種材質，該材質為焊劑保護電弧螺柱焊難以焊接的活潑金屬。

所述的螺柱以700～1500轉/分的轉速壓入板材。

所施加的頂鍛壓力為10～30MPa。