采用宽肩带粗针工具的免磨损厚覆板搅拌摩擦钎焊方法

摘要

本发明提供一种采用宽肩带粗针工具的免磨损厚覆板搅拌摩擦钎焊方法，采用带针工具以强化对覆板底部、基板表面的热—力作用效果；并使针端接近焊接界面但无需穿过焊接界面以消除高强度基板对针端的磨损，主要利用粗针底部产生的变形热与摩擦热辅之以肩产生的摩擦热，以及针对焊接界面的挤压与扭转效果，加之钎料的冶金作用，在免除针端磨损的情况下，亦可实现厚覆板与基板之间的一次性焊接，焊合尺寸可达针端直径，提高了效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用宽肩带粗针工具的免磨损厚覆板搅拌摩擦钎焊方法。

背景技术

目前，双金属复合板主要采用爆炸焊方法与热轧法制备。热轧法有耗能、费时之弊。爆炸焊方法虽适于大厚度、大面积双金属复合板的制备，但不适于薄、窄、小件复合板的制备。申请者前期开发的无针工具式搅拌摩擦钎焊方法【1-4】恰好适于薄、窄、小件复合板的制备，成为爆炸焊的重要补充工艺。无针工具式搅拌摩擦钎焊方法主要利用旋转“轴肩”对焊接界面的热—力联合作用与钎料的冶金作用实现界面去膜、挤出几乎全部的低熔低强钎料与最终的扩散焊接，从而降低了对界面处竖向塑性流动与混合的苛求，在无针情况下也能实现牢固焊接。采用无针式工具的优点有：(1)单道焊所能焊合的宽度(取决于肩的直径)远大于传统搭接搅拌摩擦焊的焊合宽度(取决于针的直径)，效率大幅提高；(2)免除了高强度基板对针的恶性磨损；(3)焊后焊道末端无匙孔残留；(4)工具简单易于制作。在没有针的情况下，一切热—力作用的效果都来源于轴肩：(1)利用肩/覆板表面的摩擦热熔化钎料；(2)利用肩的扭转与锻压作用破除氧化膜，并使氧化膜随液相一并挤出，最终获得无钎料残留的扩散焊接头。

采用申请者前期研发的无针工具式搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板或进行单道搭接焊接时，虽然免除了匙孔，但若覆板较厚，由于焊接界面距离摩擦加热表面(即轴肩/覆板界面)较远，温度场与塑性变形场的分布自摩擦表面至焊接界面渐趋弱化，影响了待焊界面处工具的热—力作用效果。实验中发现，对于厚的覆板，尽管钎料也可以熔化，但去膜效果变差，界面难以润湿焊合，焊后接头自行分离。可见，尽管热的作用还可以弥补，但力学作用效果显著变差，且难以通过增大直径或转速得到有效改观。

针对这一问题，申请者前期提出了分步搅拌摩擦钎焊的方法，即先用无针式工具在较硬的基板上钎压一层薄铝板；再利用无针式工具在已钎压的薄铝板上再钎压厚铝板【5】。该方法的成功得益于先压的铝板较薄，焊接界面距离摩擦界面近，则由摩擦界面传递至焊接界面的热—力联合作用效果易于保证。但分步法工序多、工艺参数多，效率有待进一步提高。本发明通过进一步优化工具设计与安装，开发了一种一次性实现厚覆板(软材质)与异种基板(硬材质)的免磨损搅拌摩擦钎焊方法。

参考文献：

【1】张贵锋，苏伟，张建勋，张军，郭文亮.一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法：中国专利号：ZL 200910021918.3.2012年7月2日授权

【2】Guifeng Zhang,Wei Su,Jianxun Zhang andZhongxin Wei.Friction stirbrazing:a novel process for fabricating Al/Steel layered composite and for dissimilarjoining of Al to Steel.Metallurgical and Materials Transactions A,2011,42(9):2850-2861

【3】G.F.Zhang,K.Zhang,L.J.Zhang,J.X.Zhang.Approach to disruptingthick intermetallic compound interfacial layer in friction stir brazing(FSB)of Al/Cuplates.Science and Technology of Welding and Joining.Science and Technology ofWelding and Joining,2014,19(7):554-559.

【4】Gui-Feng Zhang,Kai Zhang,Yang Guo,Jian-Xun Zhang.A ComparativeStudy of Friction Stir Brazing and Furnace Brazing of Dissimilar Metal Aland Cu Plates.Metallography,Microstructure and Analysis–ASMInternational.Accepted(DOI:10.1007/s13632-014-0146-4)

【5】张贵锋，郝海，张建勋.厚铝板与坚硬异种材料的分步搅拌摩擦钎焊方法。中国专利，申请号201110389355.0

发明内容

为解决采用无针工具式搅拌摩擦钎焊方法钎焊厚覆板时焊接界面热—力作用效果随板厚衰减而不足(特别是力学作用效果不足)，导致氧化膜破除效果差这一问题，本发明通过进一步优化工具设计与安装，开发了一种一次性实现厚覆板(软材质)与异种基板(硬材质)的免磨损搅拌摩擦钎焊方法——采用宽肩带粗针工具的免磨损厚覆板搅拌摩擦钎焊方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

在上板(软质厚覆板)与下板(坚硬异种基板)的搭接界面预置钎料后，利用带针工具并在不出现回填不良的前提下，尽量增大针的直径，使带针工具旋转并压入上板内，并使针端接近焊接界面而不穿过焊接界面，这样既能保证强化针端对焊接界面的热—力作用效果，又消除了高强度基板对针端的的磨损，主要利用粗针底部产生的变形热与摩擦热，辅之以肩产生的摩擦热；以及粗针端部对焊接界面的挤压与扭转效果；加之预置钎料的冶金作用，在免除针端磨损的情况下，主要通过强化针对焊接界面的扭转作用效果来去膜，从而实现上板(厚覆板)与下板(基板)之间的一次性焊接；且焊合尺寸可达较粗的针端直径，提高了效率。

所述针的形状为台锥状，与肩相连的针尾部直径较大，以防断针，针端直径略细于针尾部，以防回填不良出现的空洞缺陷。由于针的直径整体较粗，以强化针端自身的热—力作用效果与面积。

所述上板的厚度为10～20mm。

所述针尾部直径为10～12mm，针端直径为8～10mm。

所述带针工具肩的直径≥30mm，该大直径肩产生的摩擦热有利于降低高温金属塑性流动抗力，主要用于防止断针，并防止在厚覆板底部(常出现在前进侧)粗针尾部空腔回填不良而出现空洞缺陷(厚板与粗针都容易导致产生底部空洞缺陷)；粗针端部的热—力作用主要用于焊接界面加热与去膜，实现焊接。

本发明采用宽肩带粗针工具通过强化“针”对焊接界面(即覆板(指上板)底部/基板(指下板)表面)的热—力作用效果(特别是工具力学作用的氧化膜破碎与分散效果)实现一次焊接；并使针端接近焊接界面但无需穿过焊接界面以消除高强度基板对针端的磨损。其中，宽肩是为保证粗针能按上述要求正常工作而特设的保障条件。这样，即能保证对焊接界面热—力作用的强化效果，又不造成对针的磨损。该方法的主要特征在于，主要利用“针”产生的变形热与摩擦热，辅之以肩产生的摩擦热，以及针对焊接界面的挤压与扭转效果，加之钎料的冶金作用，在免除针端磨损的情况下，亦可良好去膜，实现厚覆板与基板之间的一次性焊接；焊合尺寸可达粗针端部直径，提高了效率。

附图说明

图1为带针工具搅拌摩擦钎焊原理示意图；图中：1为上板，材料为铝，2为下板，材料为强度高于铝的母材(钢、不锈钢、铜、钛，等)，3为锌基钎料。

图2为带针工具的整体结构示意图(a)以及搅拌针结构示意图(b)；图中：4为台锥状粗针，5为宽肩，6为搅拌针螺纹。

图3为焊接试样外观(a)以及剪切试样截取位置(b)。

图4为金相试样外观。

图5为钎缝针下区域的低倍背散射照片(反映了致密焊合区较宽)。

图6为钎缝针下区域的高倍背散射照片，其中：(a)与(b)为不同区域放大500倍后的界面致密性观察结果；(c)与(d)为不同区域放大2000倍后的界面致密性观察结果，界面接合依然为致密状；(e)放大8000倍后的界面致密性观察结果，界面出现的富铝型Al-Fe-Zn金属间化合物(成分见表1)，表明氧化膜被破除，Zn被挤出，界面得以实现合金化且金属间化合物厚度很小(不足1微米)。

图7为剪切载荷-位移曲线。

图8为不锈钢侧剪切断口针下区域背散射照片，其中：(a)为不锈钢表面断口形貌；(b)为不锈钢表面断口上能谱分析位置(+1～+4)，表2确认了不锈钢表面的粘附层为铝或金属间化合物。

图9为不锈钢侧剪切断口针下区域边缘(a)以及肩下区域(b)背散射照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

采用现有无针工具式搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板或进行单道搭接焊接时，虽然免除了匙孔，但若覆板较厚，由于焊接界面距离摩擦加热面(即轴肩/覆板表面)较远，温度场与塑性变形场的分布自摩擦面至焊接界面渐趋弱化，影响了待焊界面处工具的热—力作用效果。为此，本发明采用带针工具，并加粗针的直径，使之相当于一个埋入厚覆板内部的一个“特殊肩”，而这一“特殊肩”距离焊接界面很近，从而为强化工具对焊接界面的热—力作用效果(特别是通过强化针的力学作用效果来去膜)提供了可能。为强化这一特殊肩的热—力作用效果，在不出现回填不良的前提下，尽量增大针的直径，这既有利于增大单道焊焊合的宽度，又有利于防止断针。

这一思路实际上是将埋入厚覆板内的针当肩对待，可看作是将肩下沉至焊接界面附近的一种特殊工艺。因此，该方法所用针的直径较普通搅拌摩擦焊所用针的直径粗。工件——工具间的逻辑关系可简单概括为:因覆板较厚而采用粗针(主要为强化工具端部对焊接界面的扭转破膜效果)，因粗针而采用宽肩。

本发明采用带针工具的厚板搅拌摩擦钎焊方法：在搭接界面预置钎料后，使带针工具旋转、压入上板内，但针端接近焊接界面而不穿过焊接界面，主要利用“粗针”底部产生的变形热与摩擦热，辅之以肩产生的摩擦热；以及粗针端部对焊接界面的挤压与扭转效果；加之预置钎料的冶金作用，在免除针端磨损的情况下，主要通过强化针对焊接界面的扭转作用效果来去膜，实现厚覆板与基板之间的一次性焊接，焊合尺寸可达针端直径，提高了效率。

1.采用带针工具的厚板搅拌摩擦钎焊技术，主要利用粗针产生的变形热与摩擦热，辅之以肩产生的摩擦热；以及针对焊接界面的挤压与扭转效果；加之钎料的冶金作用，在免除针端磨损的情况下，实现厚覆板与基板之间的一次性焊接，焊合尺寸可达针端直径，提高了效率。

2.使针端接近焊接界面但无需穿过焊接界面以消除高强度基板对针端的磨损。这样，即能保证对焊接界面热—力作用的强化效果，又不造成对针的磨损。

3.针的直径整体较粗，以强化针自身的热—力作用效果。针的形状为台锥状，与肩相连的针尾处直径较大，以防断针(如10mm)；针端直径略细于针尾部(如8mm)，以防回填不良出现的空洞缺陷。

4.肩的直径适当加大，该大直径肩产生的摩擦热主要用于防止断针；粗针端部的热—力作用主要用于焊接界面加热与去膜，实现焊接。

该工艺的特点可概括为：大肩、台锥状粗针(工具尺寸设计特点)；主要利用粗针端部对距离其较近的焊接界面的热—力作用(特别是粗针端部的扭转作用)实现去膜与致密化焊接(并非以肩部的热—力作用为主)。

该方法与现有无针工具式搅拌摩擦钎焊方法的主要区别在于：该方法对焊接界面的热—力作用效果主要靠粗针端部(埋在厚的覆板内并十分接近焊接界面)的压扭；无针工具式搅拌摩擦钎焊方法对焊接界面的热—力作用效果主要靠宽大的肩部的压扭。

实施例：

1.母材与焊接方法

参见图1，焊接母材为14mm厚度的纯铝板(上板)及2mm厚度的304不锈钢板(下板)，钎料为0.1mm厚度纯锌箔。焊前将纯铝板、不锈钢板待焊表面以及锌箔双面用240号砂纸打磨，去除表面氧化膜，然后用无水乙醇擦拭。将锌箔预置于两板之间，实施焊接。焊接时带针工具压入纯铝板，压入深度控制在搅拌针与下部不锈钢母材距离1mm左右，不与不锈钢板接触，搅拌头倾角2o。搅拌头完全压入铝母材后预热10秒左右，然后以恒定焊接速度进行焊接。焊接速度为150mm/min，搅拌头转速1500r/min。

2.焊接工具

带针工具厚板搅拌摩擦钎焊所采用的工具参见图2，制造工具所用材料采用马氏体不锈钢，内凹轴肩直径为40mm，搅拌针带锥度(根部(尾部)直径10mm，端部直径8mm)及螺纹，长度为12mm。

3.焊接接头外观与显微组织

参见图3，焊接后焊道表面成型良好，两侧略有飞边，Zn钎料在焊道末端被挤出。截取焊道中部横截面作为金相试样，观察接头显微组织。剪切试样在焊道中央取25mm×65mm长条。参见图4，铝母材中有较小的孔洞缺陷(与焊速过快有关，但不影响界面观察)。

参见图5、图6，从钎缝的显微组织可以看出，针下区域两侧母材结合致密无缝隙，焊缝中亦无Zn钎料残余。通过搅拌针对焊接界面施加的较强的扭转机械破膜作用，氧化膜能够得以破除。而破碎的氧化膜又能够分散在熔融的Zn钎料中被挤出，获得洁净致密的焊接界面。即使在8000倍下观察(见图6e)，界面组织仍优良(未发现缺陷)，主要表现在：(1)界面致密而无空洞；(2)界面金属间化合物很薄：可以看到连续的小于1μm厚度的金属间化合物层(金属间化合物层的能谱点分析结果见表1)；(3)分布均匀性良好。连续且极薄的金属间化合物的形成一方面表明了氧化膜被破除，Zn被挤出，从而使两母材间得以发生相互扩散；另一方面表明最后所得接头实际是扩散焊接头。从能谱分析可知，形成的金属间化合物层主要是Al-Fe-Zn金属间化合物(含少量Zn，不到10％；并非焊前的纯Zn)，说明界面氧化膜得到破除；低熔点低强度的Zn被挤出；两侧母材发生冶金结合。同时，产生的Al-Fe-Zn金属间化合物层厚度极小，仅不到1μm(约0.5μm)，这样又避免了因产生过厚的脆性Al-Fe-Zn金属间化合物而影响接头强度。

表1 Al-Fe-Zn金属间化合物层能谱点分析结果(图6中白色十字处)

4.焊接接头剪切性能与断口

根据GB/T 6396—2008复合钢板力学及工艺性能试验方法，剪切试样按照标准中规定的尺寸规格要求加工(剪切面积：宽度为25mm；搭接长度为板厚1.5倍，对于2mm不锈钢板则留3mm搭接长度)。将剪切试样装入夹具，在力学性能试验机上进行剪切试验。

参见图7，接头最大剪切载荷为2.1kN。接头剪切强度按针下焊合区域宽度为8mm，则承载面积为3mm×8mm＝24mm²，剪切强度为87.5MPa。

参见图8、图9，剪切断口照片中可见，不锈钢母材表面在针下区域粘附了大量的Al母材，说明界面结合牢固。断口表面粗糙，并非沿界面断裂。在针下区域边缘，以及针下区域以外的位置，则Al母材粘附变少，开始出现不锈钢母材表面。这说明针下区域的热—力作用最为明显，针直径宽度以外的区域钎缝两侧母材的冶金作用变弱。因此剪切承载面积大部分来自于针下区域，这也是计算载荷时选用搅拌针下端直径计算承载面积的依据。

表2 剪切断口照片图8中对应点(图中黑色十字处)的能谱分析(原子百分比)