本发明专利技术涉及一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法，本发明专利技术包括固相焊接工艺及焊接工具，其特征在于，焊接工具采用了双动控制的搅拌针和轴肩分离式工具，所述搅拌针轴向运动采用恒压力控制；所述轴肩采用位移控制。所述搅拌针端部与母材具有大面积接触摩擦特征，所述轴肩端面设计三渐开线凹槽使材料具有内聚趋势；所述的铝材与高熔点金属固相焊接工艺，通过采用上述焊接工具配合合适的焊接参数对界面金属间化合物层进行控制，进行无倾角搅拌摩擦焊连接。该方法能够实现铝及铝材与高熔点金属的高强度、高稳定性连接，解决了异种金属焊接界面金属间化合物控制难题。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法，本专利技术包括固相焊接工艺及焊接工具，其特征在于，焊接工具采用了双动控制的搅拌针和轴肩分离式工具，所述搅拌针轴向运动采用恒压力控制；所述轴肩采用位移控制。所述搅拌针端部与母材具有大面积接触摩擦特征，所述轴肩端面设计三渐开线凹槽使材料具有内聚趋势；所述的铝材与高熔点金属固相焊接工艺，通过采用上述焊接工具配合合适的焊接参数对界面金属间化合物层进行控制，进行无倾角搅拌摩擦焊连接。该方法能够实现铝及铝材与高熔点金属的高强度、高稳定性连接，解决了异种金属焊接界面金属间化合物控制难题。【专利说明】一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法及装置
本专利技术属于焊接领域，具体涉及一种固相焊接技术，尤其涉及一种铝材与高熔点金属或铝基复合材料搭接固相焊接方法及装置。
技术介绍
在工业领域，异种金属复合结构由于集成了两种材料各自的优点而获得了越来越广泛的应用，特别是铝及铝材与其它高熔点金属如碳钢、不锈钢、钛合金、铜合金等。铝及铝材具有轻质、高导热性、高导电性等特点，而高熔点金属具有高强度、塑韧性好等特点，它们组成的复合结构可以有效减重或是实现结构功能一体化。如汽车领域铝材板材与镀锌钢材的复合连接结构、医疗器械领域铝材与不锈钢的连接、热控领域铝材与铜合金的连接、电子领域铝材与铝基复合材料的连接等。采用传统的焊接方法，如熔化焊、熔钎焊等连接铝合金与异种金属或金属基复合材料面临了巨大挑战。其根本原因在于，铝与上述材料将形成脆性的金属间化合物，金属间化合物界面层的控制成为焊接技术难题。因而，对于上述异种材料的复合结构而言，传统的焊接手段难以实现高质量与高稳定性的连接。目前，搅拌摩擦焊是一种固相连接方法，其主要的连接机制是通过搅拌工具的旋转摩擦产热，使材料进入塑性状态，再通过工具的搅拌与局部锻造、被连接材料的动态再结晶形成致密的焊缝。这种 连接方式材料不发生熔化，从而避免了很多冶金缺陷的产生，非常适合于铝及铝合金、镁合金、铜及铜合金等材料的焊接。同样，由于被焊材料并不熔化，可以有效避免异种材料焊接时形成过厚的界面金属间化合物导致的接头脆性但是，在铝材与高熔点材料的搅拌摩擦焊过程中，仍有尚需解决的几个问题: 一是焊接工具的位置控制问题:由于一般情况下焊接工具采用工具钢，如果直接插入高熔点金属进行搅拌焊接，焊接工具将会很快磨损，并且由于焊接工具与高熔点金属的剧烈摩擦，将会产生局部高温，导致附近的铝材熔化，与钢进行冶金反应形成脆性的金属间化合物。因此，如何控制焊接工具的位置，让其与高熔点金属产生紧密接触、适度摩擦，而不会出现过摩擦或摩擦不足，这是焊接质量控制的关键。二是焊接质量的稳定性与可靠性问题:由于铝合金与高熔点金属的连接质量主要取决于两者之间的界面，当焊接工具紧贴高熔点金属表面适度摩擦，去除表面氧化膜的同时，还需提供适当的界面反应温度、适当的顶锻力，保证连接界面反应的有效性和适度性。所谓有效性，是指界面反应需要达到一定程度才能形成良好连接，所谓适度，即界面反应不能过度，否则过厚的金属间化合物将损害接头力学性能。因此，接头界面温度、焊接顶锻力的控制也是焊接质量控制的关键，如果通过提高旋转速度或降低焊接速度来增加焊接热输入，提高界面反应所需温度，此时铝合金板位于搭接接头上部，主要的热量由轴肩产生，上部铝合金将会明显过热，过热的软化状态铝合金不能有效地将轴肩的顶锻力传递到搭接界面，从而也难以获得良好的界面连接质量。因此，需要解决界面局部高温而同时避免接头整体过热的矛盾。三是界面材料的有效传质问题:一方面是指搭接界面氧化膜的破除、弥散，另一方面是指材料的有效流动带来的摩擦热会给界面反应提供足够的温度。传统的搅拌摩擦焊工具，搅拌针端部为圆锥状，在与搭接接头下板高熔点的接触时，面积较小，一般可简化为点接触。另外搅拌工具由轴肩往下，与母材的接触面积是逐渐减小的。因而传统搅拌摩擦焊过程，工件表面温度最高，材料流动最剧烈，由表面往下则传质越困难、温度越低。对于铝合金与高熔点金属的搭接接头，其所需要的最好状态是在界面具有最佳的材料流动与足够的温度，这样有助于获得良好的界面连接效果。上述问题的存在，使得搅拌摩擦焊焊接铝材与高熔点金属具有特殊性，必须采用新型的焊接方法与焊接工具，才能保证这种异种金属材料的高质量、高稳定性焊接。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法及装置。本专利技术是通过以下技术方案实现的: 一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法，包括铝材与高熔点金属及焊接工具，所述焊接工具主要包括搅拌针和轴肩，所述搅拌针的轴向运动采用恒压力控制，所述搅拌针在恒定的轴向顶锻力作用下紧贴高熔点金属的搭接界面摩擦；所述轴肩采用位移控制，可根据被焊工件平整情况及焊接质量调节轴肩下压量。这种控制方式可以根据工件的装配实际情况和焊接情况进行实时调整，保证焊接区域材料能够获得轴肩的紧密压实。搅拌针则采用恒压力控制方式，即不限定搅拌针的轴向位移，可以根据高熔点金属实际的表面凹凸情况、搅拌针的磨损情况进行小范围位移移动。但是给搅拌针施加恒定的顶锻力，这个顶锻力保证搅拌针时刻紧贴高熔点金属进行摩擦。摩擦的程度可以通过改变顶锻力的大小来进行调整。一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法及装置，其另一个显著特征是搅拌针端部采用了大接触面积设计，典型的是端部为分叉三棱柱或双棱柱形状，端部中心是内凹形状，可容纳一定体积的铝合金材料。这种设计方式一方面可以增加界面附近的搅拌工具与母材的接触面积，获得界面反应所需的足够温度的同时，而不会造成铝合金材料全面过热；另一方面，材料在界面处将获得足够的搅拌作用而得到充分流动，铝合金与高熔点金属搭接界面的氧化膜将会有效弥散到接头内部。一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法，采用了无倾角焊接方式。采用无倾角焊接手段，材料的内聚和压实通过在轴肩端部设计渐开线凹槽(6)来实现，轴肩旋转时，材料由凹槽(6)导向内聚，再经由搅拌针的螺纹槽向下流动，对材料形成顶锻。这样可以有效避免飞边的产生，焊缝表面无需明显下凹即可获得致密的焊缝。无倾角焊接的另一个关键的考虑是搅拌针(I)端部为分叉的双棱柱或三棱柱形状，如果采用倾角焊接，连接界面上任何时候都仅有一处位置与搅拌针端部接触摩擦；若采用无倾角焊接，搭接界面将具有两处以上的位置与搅拌针进行摩擦，并且这种摩擦前后可重叠，这大大增加了搭接界面氧化膜破除的可靠性和完整性。此外，由于前后摩擦相距有一段距离，这也为界面反应提供了更多的时间。本专利技术为解决铝及铝合金与其它高熔点金属，如碳钢、不锈钢、铜合金、钛合金等材料焊接时的焊接质量控制问题，采取的技术方案为:一种双动控制搅拌摩擦焊工具配合无倾角焊接工艺，进行异种材料的高质量与高稳定性焊接，综上，与现有技术相比，本专利技术存在以下技术效果: (1)采用搅拌针与轴肩分离设计的双动控制，结合恒压力控制与位移控制来保证对连接界面的适度摩擦，克服传统搅拌摩擦焊连接界面摩擦与轴肩摩擦不可分离控制的困难； (2)采用了中空分叉式搅拌针形状的工具，提高了对连接界面及附近母材的摩擦面积，为界面反应提供足够温度； (3)采用了无倾角焊接方法，设计的轴肩形状具有材料内聚效应，可以获得搅拌工具本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种铝材与高熔点金属搭接固相焊接方法，包括铝材与高熔点金属的焊接工艺及焊接工具，其特征在于，焊接工具主要包括搅拌针（1）和轴肩（2），所述搅拌针（1）的轴向运动采用恒压力控制，所述搅拌针（1）在恒定的轴向顶锻力作用下紧贴高熔点金属的搭接界面摩擦；所述轴肩（2）采用位移控制，可根据被焊工件平整情况及焊接质量调节轴肩下压量；焊接时焊接工具垂直与被焊工件表面，倾角为0°。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：封小松，郭立杰，张成聪，徐萌，
申请(专利权)人：上海航天设备制造总厂，
类型：发明
国别省市：上海;31
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