[發明專利]一種用于異種金屬搭接結構的攪拌摩擦焊-釬焊復合焊接方法

在審

• 申請號: 201510301697.0
• 申請日: 2015-06-05
• 公開（公告）號: CN104923927A
• 公開（公告）日: 2015-09-23
• 發明（設計）人: 陳玉華;謝吉林;劉東亞;曹文明
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: B23K28/02
• 分類號: B23K28/02
• 代理公司: 南昌洪達專利事務所 36111
• 代理人: 劉凌峰

技術領域

本發明屬于金屬焊接領域、涉及一種異種金屬搭接結構同時實現攪拌摩擦焊連接和釬焊連接的復合焊接方法。

背景技術

異種金屬焊接接頭由于兼具兩種金屬的性能，具有優勢互補、揚長避短的效果,因而在許多領域得到廣泛的應用。如，在汽車工業領域中，采用鋁/鋼雙金屬接頭能夠在保證接頭承載能力的前提下，大幅度的降低結構的自身重量，為減輕車身重量，降低油耗奠定基礎，研究表明，當汽車自重每減輕25%，能夠節省50%的燃油損耗；在航空工業領域中，“減輕重量，提高推重比”成為降低飛行成本的重要設計措施，為此，在飛機座椅導軌中，采用鋁/鈦復合結構代替了全鈦合金結構，能夠在保證結構強度的條件下，大幅度地降低結構的自身重量。在異種金屬搭接結構的焊接過程中，存在的主要問題是由于兩種金屬的理化性質存在差異，導致無法形成焊縫；焊后接頭存在焊接殘余應力導致開裂和變形；接頭中的脆性金屬間化合物導致接頭脆化等問題。目前，國內外常用的異種金屬搭接結構的焊接方法主要有熔化焊、釬焊、擴散焊、攪拌摩擦焊等。采用熔化焊對異種金屬搭接結構進行焊接時，由于材料的熔點相差較大，低熔點材料熔化時高熔點材料尚未達到熔點，難以形成焊縫；或者兩種材料熱膨脹系數相差較大，導致焊縫區域變形不協調，容易產生焊接變形和應力集中，焊縫容易開裂；兩種材料相互溶解易形成脆性金屬間化合物，化合物在焊縫中大量存在會使得焊縫脆化，承載力低。熔化焊的焊縫寬度要小于接頭的搭接寬度，這導致搭接結構中存在未焊合的搭接界面，界面容易產生應力集中以及在腐蝕介質中容易聚集腐蝕液而成為整個結構的薄弱區域。釬焊的優點是焊接效率高，能夠實現批量生產。缺點是由于釬料的存在，導致接頭耐腐蝕性及承載能力較低，無法在高于釬料熔點的溫度下使用，降低了母材的使用范圍。擴散焊能夠獲得質量較高的焊接接頭，但是由于擴散的速度較慢、焊前清理要求較高，導致了擴散焊的效率低，成本較高，不適合大批量的生產。攪拌摩擦焊在焊接異種金屬時由于被焊材料不發生熔化，焊縫中金屬間化合物的量較少；焊縫熱輸入較低，焊后焊縫的殘余應力小，焊接變形較小，對于異種金屬的焊接具有一定的優勢。但是，采用攪拌摩擦焊焊接搭接結構時，由于搭接界面存在界面遷移，會減小界面的有效承載厚度。同時，搭接界面處未焊合區的存在類似于焊縫中的裂紋尖端，承載過程中容易在該處產生應力集中，導致開裂；在腐蝕介質中服役的結構，容易被腐蝕液浸入，并且由于表面吸附作用，腐蝕液聚集，難以清除，導致局部腐蝕，使結構失效。

基于以上分析，針對傳統熔化焊和攪拌摩擦焊在焊接搭接結構的缺點（存在搭接界面、有效承載厚度減小、搭接界面尖端容易萌生裂紋、聚集腐蝕液）。本發明提供一種“攪拌摩擦焊-釬焊”復合焊接方法，該方法在消除搭接界面以及弱化界面處尖端效應，防止腐蝕液聚集等方面具有極大的優勢。同時，該方法能夠對焊縫中的金屬間化合物進行干擾和調控有利于接頭異種金屬間的連接。

發明內容

為了解決以上問題，本發明的目的在于提供一種用于焊接異種金屬搭接結構的“攪拌摩擦焊-釬焊”復合焊接方法，它適用于Al/（Fe、Mg、Cu、Ti）以及Mg/（Fe、Al、Cu、Ti）等有色金屬的焊接，能夠獲得復合焊縫，可增大搭接結構的有效搭接寬度，減小搭接界面的應力集中和界面效應，提高接頭的服役性能。

本發明是這樣來實現的，一種用于焊接異種金屬搭接結構的“攪拌摩擦焊-釬焊”復合焊接方法，其特征步驟如下：

（1）焊接前，將兩種金屬搭接固定在一起，硬度較大的金屬材料（如Fe、Ti）置于下層、硬度較小的材料（如Al、Mg）置于上層，在兩層金屬之間添加一層熔點低于上層金屬熔點80％、能與上下兩板之一發生共晶反應的釬料或者自釬劑釬料，如純Zn或者Zn基釬料；

（2）將攪拌針長度略大于或者等于上層金屬板厚度的高速旋轉的攪拌頭對結構進行攪拌摩擦焊接，焊接過程中攪拌針要穿透上層金屬板，進入下層金屬中，用攪拌頭軸肩與上板摩擦產生的熱量在兩種金屬之間的釬料熔化；

?（3）最后熔化的釬料將上下兩層金屬的表面氧化膜溶解，在軸肩的壓力作用下擠出多余的熔化釬料，實現接觸界面的凈化，界面處發生元素擴散，獲得釬焊焊縫，形成擴散連接達到焊接的目的。同時，攪拌針作用區域的下層金屬被塑化，而進入到上層金屬中，實現攪拌摩擦焊接。

本發明在上述過程中，熔化的釬料也會隨著攪拌針的作用而進入到上層金屬中，對焊縫的形成及組織產生影響，攪拌頭停止旋轉后，焊件冷卻，獲得釬焊和攪拌摩擦焊復合焊縫，形成工件的連接。