一种同步实现铝和镁异种材料搅拌摩擦点焊-钎焊-扩散焊的方法

摘要

一种同步实现铝和镁异种材料搅拌摩擦点焊‑钎焊‑扩散焊的方法，其操作过程如下：将清理干净的铝板和镁板搭接固定，在两板之间添加钎料片，钎料片两侧分别于铝板和镁板接触。对固定的搭接结构进行搅拌摩擦点焊焊接，焊接过程中，一方面通过搅拌头上的搅拌针与下方板材的作用，实现铝板和镁板的搅拌摩擦点焊；另一方面，在搅拌头轴肩摩擦产热和锻压力的作用下，贴近搅拌针周围区域温度较高、钎料片融化，铝板和镁板之间形成钎焊连接；而离搅拌针稍远的区域，在搅拌摩擦的热力作用下，铝板/钎料片、镁板/钎料片之间发生原子扩散，形成扩散焊接。本发明能够在搅拌摩擦点焊的同时形成钎焊和扩散焊接头，增大焊点的有效承载面积，提高接头的抗拉剪力。

说明书

技术领域

本发明涉及铝/镁异种材料的焊接，具体涉及一种同步实现铝和镁异种材料搅拌摩擦点焊-钎焊-扩散焊的方法。

背景技术

目前，国内外常用的铝/镁异种材料点焊的焊接方法主要有电阻点焊、激光焊、搅拌摩擦点焊等。由于，铝/镁都是较为活泼的金属，采用电阻点焊或者激光焊等熔焊方法焊接时，接头中容易产生气孔、夹杂以及裂纹等缺陷；同时，两种材料焊接时极易形成脆性金属间化合物Al₃Mg₂和Al₁₂Mg₁₇，金属间化合物大量生成会使得焊缝脆化，难以获得剪切性能理想的点焊接头。

搅拌摩擦点焊是由搅拌摩擦焊发展而来的点焊方法，在焊接过程中由于被焊材料不被熔化，焊缝热输入较低，焊缝中金属间化合物的量较少，对于铝/镁异种材料的焊接具有一定的优势。但是，采用搅拌摩擦点焊焊接铝/镁异种材料时，搅拌针退出后会在焊点表面留下匙孔，匙孔的存在减小了点焊接头的有效承载面积，导致焊点的承载能力较低。

针对铝/镁异种材料搅拌摩擦点焊接头力学性能较低的问题，有学者提出了各种解决方法。

德国GKSS研究中心1999年发明了无匙孔搅拌摩擦点焊技术，该技术采用特殊设计的搅拌头，通过精确控制搅拌头各部分的相对运动，在搅拌针回撤时，通过轴肩的向下挤压将焊点金属回填到匙孔中，从而达到消除匙孔，提高接头承载力的目的。无匙孔搅拌摩擦点焊方法对焊接设备的要求较高，需要采用专门设计的专机设备，焊接成本较高。

专利CN101837513A采用补焊方式来消除搅拌摩擦点焊接头表面的匙孔，从而增大点焊接头的承载面积，提高接头承载能力。回填式搅拌摩擦点焊需要在焊后采用消耗式搅拌针对匙孔进行补焊，增加了焊后处理工序。

有学者提出了搅拌摩擦胶接点焊方法，通过在焊前或者焊后对焊点进行化学胶接，从而增大接头的承载面积，提高承载能力。该方法能够增加接头的承载面积，在一定程度上提高接头的承载力。但是，化学胶与金属基材之间并没有发生冶金反应，相互之间的结合是通过物理吸附的方式进行的，因此，强度较低，难以满足需求。

基于以上分析，本发明提供一种同步实现铝/镁异种材料搅拌摩擦点焊-钎焊-扩散焊的方法。该方法能够增大铝/镁异种材料点焊接头的有效承载面积，显著提高接头的承载能力。并且，该方法与传统搅拌摩擦点焊操作过程相同，在搅拌摩擦点焊的过程中同时实现钎焊和扩散焊，没有后续工序，操作简便。

发明内容

本发明是这样来实现的，一种同步实现铝和镁异种材料搅拌摩擦点焊-钎焊-扩散焊的方法，其特征步骤如下：

步骤1、将铝板和镁板的接触表面及周围清理干净，去除试件表面的氧化膜；并采用酒精或丙酮擦拭铝板与镁板的表面，去除油污与杂物；

步骤2、将铝板和镁板搭接固定在一起，在两板之间添加一厚度范围为0.1mm-0.5mm的钎料片，薄片两侧分别于铝板和镁板接触；

步骤3、对固定的搭接结构进行搅拌摩擦点焊焊接，焊接过程中，一方面通过搅拌头上的搅拌针与下方板材的作用，实现铝板和镁板的搅拌摩擦点焊；另一方面，在搅拌头轴肩摩擦产热和锻压力的作用下，贴近搅拌针周围区域温度较高、钎料片融化，铝板和镁板之间形成钎焊连接；而离搅拌针稍远的区域，在搅拌摩擦的热力作用下，铝板/钎料片、镁板/钎料片之间发生原子扩散，形成扩散焊接。

所述上层金属板为铝合金板或者镁合金板，厚度为1-10mm。

所述下层金属为镁合金板或者铝合金板，厚度为1-10 mm。

所述搅拌头的搅拌针长度大于上层金属板厚度。

本发明的工作原理是：在旋转的搅拌头的轴肩与上板摩擦产热，和锻压力作用下，使接触界面发生钎焊和原子扩散连接。焊后的点焊接头包括三部分：第一部分是搅拌针作用区域形成的搅拌摩擦点焊区域；第二部分是轴肩压力作用下离搅拌针较近的区域，钎料片熔化，铝/镁之间形成钎焊连接；第三部分是轴肩压力作用下离搅拌针稍远的区域，钎料片作为中间层金属其主要组分在固态下向铝板、镁板扩散，形成扩散焊连接。

本发明的效果是：与传统的搅拌摩擦焊相比，本发明的优势在于，在搅拌摩擦点焊的过程中同时实现了钎焊和扩散焊，显著增大了点焊接头的有效承载面积，提高了点焊接头的抗拉剪力，免去了复杂的机械设备和后续补焊程序。与传统的扩散焊相比，采用的摩擦热源是绿色、清洁热源，焊前不需要严格的界面清理准备，焊接耗时、耗能较少。

附图说明

图1为本发明中搅拌头的尺寸图。

图2为本发明焊接过程示意图。

图3为本发明焊缝的宏观形貌图。

图4为采用本发明获得的焊点拉伸曲线与普通搅拌摩擦点焊获得的焊点拉伸曲线图。

图中，1为搅拌头、2为上层金属、3为钎料片、4为下层金属。

具体实施方式

如图1-4示，本发明是这样来实施的，一种同步实现铝/镁异种材料“搅拌摩擦点焊-钎焊-扩散焊”复合焊接接头的方法，它包括搅拌头1、上层金属2、钎料片3和下层金属4，其特征是：搅拌头1的轴肩在保持高速旋转的同时压紧上层金属2、搅拌针穿透上层金属2并且直接与下层金属4接触，搅拌头1与上层金属2相互摩擦产生的热量经过上层金属2的传导至钎料片3；钎料片3在界面处与上层金属2和下层金属4压紧贴合，实现元素扩散、形成扩散焊焊缝，离搅拌针近的区域温度高、钎料片熔化形成钎焊接头。同时，下层金属4在搅拌头的作用进入上层金属2中，形成搅拌摩擦焊焊缝。

所述的钎料片厚度小于0.5mm、熔点低于450℃。所述搅拌头为传统搅拌摩擦焊用搅拌头，搅拌针长度大于上层金属板厚度，材料为镍基合金或者H13钢。

现结合焊接实例对本发明进一步进行阐述。

厚度为3 mm的2A14铝合金和4 mm的AZ31镁合金异种金属搅拌摩擦点焊。焊接试板尺寸均为长150 mm、宽40 mm，搭接宽度40mm，所采用钎料片为0.2 mm锌基钎料片，尺寸为80 mm×40 mm。用经改装过的X53K型摇臂铣床进行焊接，焊接用搅拌头的尺寸为，轴肩直径20 mm、搅拌针长度3.5 mm。

具体焊接工艺如下：

焊前用乙醇将铝合金板和镁合金板表面的油污清洗干净，用1000目砂纸打磨Zn片表面，然后用乙醇擦拭，吹干，待用。

将镁合金板、锌基钎料片、铝合金板从下往上的顺序依次放好，镁合金和铝合金的搭接宽度为40 mm。

焊接时的参数为：旋转速度950 r/min、焊接时间10s、下压量2 mm，焊接完成后松开夹具，取出焊接试样。

以锌箔作为中间合金的搅拌摩擦点焊－扩散焊复合焊接方法获得的焊接接头的拉剪力为8kN，远高于同样条件下搅拌摩擦点焊焊接接头的抗拉剪力（4.2kN）。