一种应用于软螺柱-硬基板的摩擦焊方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于软螺柱-硬基板的摩擦焊方法。其步骤为：在硬基板的待焊端面开燕尾孔，燕尾孔的上、下端面均采用圆弧过渡，将软螺柱与硬基板安装在工作台上；先通保护气，后对硬基板进行预热；设置焊接参数，在保护气氛围下完成焊接。本发明专利技术增加了预热，加热熔点较高的金属，促进焊接界面的元素扩散，同时，采用特殊的接头结构使得接头焊后结构锁死，大大提高了结合强度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种摩擦焊方法，特别是一种应用于软螺柱-硬基板之间的复合热源摩擦焊方法，属于焊接领域。
技术介绍
生产生活许多方面需要进行螺柱-板材的连接。常用的焊接方法有电弧螺柱焊、钎焊、摩擦焊等。有相关研究通过电弧螺柱焊来实现螺柱-板材的连接，焊接过程中先在板材上产生毛刺引燃电弧，在螺柱与板材之间产生熔池后施加一定压力，熔池冷却凝固，形成连接。但是这种方法在焊接过程中极易产生金属间夹杂物，未融合等缺陷大大降低接头强度。另有相关研究采用钎焊实现钢-铝异种材料的焊接，这种方法效率低，且铝合金、钎料、钢之间多以金属间化合物的形式结合接头塑性低。摩擦螺柱焊是一种新型的焊接方法，高效，高精度，使用范围广，但是难以焊接物理性能(如熔点、导热系数等)差异较大的金属。在焊接过程中极易出现这种现象：熔点低或热塑性好的金属受挤压发生变形，形成飞边，但是熔点高的金属基本不发生变化，如图1所示，即在界面处基本无元素扩散，最终导致接头强度低。焊接异种金属螺柱-板材时，这种现象更为显著，因为板材散热快，摩擦产生的热很快会被分散，界面更难达到热塑性变形温度，也就不能得到高强的异种金属螺柱-板材接头。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种应用于软螺柱-硬基板的摩擦焊方法。实现本专利技术目的的技术方案是：一种应用于软螺柱-硬基板的摩擦焊方法，所述的软螺柱-硬基板中硬基板与软螺柱之间的硬度值差HBS硬基板-HBS软螺柱≥20，所述的方法包括如下步骤：步骤一，在硬基板的待焊端面开燕尾孔，燕尾孔的上、下端面均采用圆弧过渡，将软螺柱与硬基板安装在工作台上；步骤二：先通保护气，后对硬基板进行预热；步骤三：设置焊接参数，转速为1000～3000r/min，摩擦压力为60～150MPa，摩擦时间为1～10s，顶锻压力为90～250MPa，顶锻时间为1～10s，给进速度为0.5～2.5mm/min，在保护气氛围下完成焊接。进一步的，步骤一中，当软螺柱的直径d小于10mm时，燕尾孔上端面直径为1.1d～1.5d，下端面直径为1.4d～3d；当软螺柱直径为10～30mm时，燕尾孔上端面直径为1.1d～1.3d，下端面直径为1.2d～2d；当软螺柱直径在30mm以上时，燕尾孔上端面直径为1.05d～1.2d，下端面直径为1.05d～1.4d。进一步的，步骤一中，当硬基板的板材厚度δ小于5mm时，燕尾孔的孔深为0.5～0.85δ，硬基板的板材厚度δ为5～30mm时，燕尾孔的孔深为0.3～0.7δ，硬基板的板材厚度δ为30mm以上时，燕尾孔的孔深为0.1～0.4δ。进一步的，步骤一中，燕尾孔的下端面圆弧过渡处曲率半径大于进一步的，步骤二中，保护气选用氩气或氦气，或氩气和二氧化碳的混合气体。进一步的，步骤二中，对硬基板进行加热采用的热源为加热板、感应热源、电弧或激光中的任意一种。本专利技术与现有技术相比，具有以下特点：(1)与传统摩擦焊接头相比，本专利技术一方面增加了预热，加热熔点较高的金属，促进焊接界面的元素扩散，另一方面采用特殊的接头结构使得接头焊后结构锁死，大大提高了结合强度；(2)与熔化焊接头相比，本发明避免了如凝固裂纹、气孔、金属间夹杂物等缺陷，且热影响区小，焊接效率高，焊接接头质量好；(3)与钎焊接头相比，本专利技术不需要钎料、钎剂，直接使较软螺柱与较硬板材达到原子间结合，工艺简单，提高了焊接效率。附图说明图1是现有技术的摩擦焊焊接过程示意图。图2是本专利技术所述的摩擦焊焊接过程示意图。图3是本专利技术采用实心螺柱的焊接效果图。图4是本专利技术采用空心螺柱的焊接效果图。具体实施方式本专利技术所述的焊接方法可适用于所有软螺柱-硬基板的焊接，如铝螺柱-钢基板、镁螺柱-钢基板、铝螺柱-钛基板、铜螺柱-钢基板等。如图2，本专利技术的具体焊接方法如下步骤：步骤一：在硬基板3待焊端面设计燕尾孔2，燕尾孔2上、下端面均采用圆弧过渡，避免应力集中。步骤二：将准备好的软螺柱1、硬基板3、加热板4分别装夹在工作台5预定位置；步骤三：先开启保护气，再启动加热板4，此时加热管6对硬基板3进行预热，后设置焊接参数，最后启动焊机焊接，焊接过程中软螺柱1旋转，向下进给，软螺柱1与燕尾孔2的下端面接触后施加摩擦压力，软螺柱1与燕尾孔2的下端面摩擦产热；步骤四：塑性变形的软螺柱1金属填充燕尾孔2，软螺柱1急停、顶锻，完成焊接。步骤五：关闭焊机电源，待焊件温度降至室温后关掉保护气开关，取出焊件，完成焊接。实施例1，以焊接的7052铝合金实心螺柱，50mm*50mm*20mm的45#钢的焊接接头成品为例：步骤一：在钢板上设计燕尾孔，孔深8mm，孔的上端面直径13mm，下端面直径16mm，下端面圆弧过渡曲率半径为避免应力集中。步骤二：将设计好的铝螺柱、钢板、加热板分别装夹在预定位置；步骤三：开启保护气，使得接头处在保护气氛围下，后开启加热板对板材预热。步骤四：设置焊接参数，启动铝螺柱旋转，转速为2000r/min，向下进给速度为1mm/s，螺柱与板材接触后施加摩擦压力70MPa，螺柱与板材摩擦产热，摩擦时间为3s；塑性变形的铝合金螺柱填充燕尾孔。步骤五：螺柱急停、顶锻，顶锻压力为120MPa，顶锻压力维持5s。步骤六：关闭焊机电源，等焊件温度降至室温关掉保护气开关，取出焊件，完成焊接。焊接效果如图3所示。其中塑性变形的金属恰好填充燕尾孔与螺柱和燕尾孔之间的孔隙时为最佳孔径与孔深。而合适的孔径与孔深是保证形成机械连接接头的关键。若选用的燕尾孔孔径或孔深过小会造成：多余的塑性变形的金属堆积于燕尾孔下端面阻碍软螺柱与硬基板的摩擦冶金过程，降低接头强度。反之若选用的燕尾孔孔径或孔深过大会造成焊接结束时塑性变形的金属不足以充满燕尾孔，导致不能形成机械锁死结构，无法在接头冶金结合失效时保证接头的强度。实施例2，这种软螺柱-硬基板摩擦焊方法也可用于焊接空心螺柱-板材。以焊接80mm长的外径16mm，内径10mm的3003铝合金空心螺柱，50mm*50mm*20mm的45#钢的焊接接头成品为例：在45#钢板上设计燕尾孔孔深8mm，孔的上端面直径18mm，下端面直径22mm，下端面圆弧过渡曲率半径为避免应力集中。焊接参数为转速1600r/min，向下进给速度为1mm/s，螺柱与板材接触后施加摩擦压力80MPa，螺柱与板材摩擦产热，摩擦时间为5s，顶锻压力为150MPa，顶锻压力维持5s。焊接效果如图4所示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于软螺柱‑硬基板的摩擦焊方法，所述的软螺柱‑硬基板中硬基板与软螺柱之间的硬度值差HBS硬基板‑HBS软螺柱≥20，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，在硬基板的待焊端面开燕尾孔，燕尾孔的上、下端面均采用圆弧过渡，将软螺柱与硬基板安装在工作台上；步骤二：先通保护气，后对硬基板进行预热；步骤三：设置焊接参数，在保护气氛围下完成焊接。

【技术特征摘要】
1.一种应用于软螺柱-硬基板的摩擦焊方法，所述的软螺柱-硬基板中硬基板与软螺柱之
间的硬度值差HBS硬基板-HBS软螺柱≥20，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，在硬基板的待焊端面开燕尾孔，燕尾孔的上、下端面均采用圆弧过渡，将
软螺柱与硬基板安装在工作台上；
步骤二：先通保护气，后对硬基板进行预热；
步骤三：设置焊接参数，在保护气氛围下完成焊接。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，当软螺柱的直径d小于10mm
时，燕尾孔上端面直径为1.1d～1.5d，下端面直径为1.4d～3d；当软螺柱直径为10～30mm
时，燕尾孔上端面直径为1.1d～1.3d，下端面直径为1.2d～2d；当软螺柱直径在30mm以
上时，燕尾孔上端面直径为1.05d～1.2d，下端面直径为1.05d～1.4d。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，当硬基板的板材厚...

【专利技术属性】
技术研发人员：周琦，刘玲丹，姚峰，彭勇，王克鸿，周传昆，陶娟，黄俊，郭鸿鹏，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32