一种搅拌摩擦焊制备覆钢式铝软连接方法技术

本发明专利技术提供一种搅拌摩擦焊制备覆钢式铝软连接方法，通过直接式搅拌摩擦对焊并用间接式搅拌摩擦钎焊(FSB)所形成的两路口字型或U型完整冶金结合通路，既实现了铝片/大厚度铝端板同种金属的双保险焊接，也实现了不锈钢片/铝端板异种金属的双保险焊接。本发明专利技术解决了搅拌摩擦焊制作不锈钢片补强的覆钢式铝软连接时，尽管位于最外层的不锈钢片很薄，但不锈钢片的高强度与耐磨性仍能够把钢质搅拌针从根部直接切断的问题；同时解决了不锈钢的热导率远低于铝，使表面的轴肩的摩擦热难以传导至底部，导致下部铝材软化程度不够、塑性流动变差，进而在搅拌区容易形成隧道缺陷的问题；外观美观，开‑闭动作寿命长，双保险提高了焊合可靠性。

A Friction Stir Welding Method for Preparing Steel-clad Aluminum Soft Joint

The invention provides a method for preparing steel-clad aluminium soft connection by friction stir welding. By direct friction stir butt welding and indirect friction stir brazing (FSB), a two-junction zigzag or U-shaped complete metallurgical bonding path is formed, which realizes double-safe welding of aluminium sheet/large thickness aluminium end plate and stainless steel sheet/aluminium end plate dissimilar metal. The invention solves the problem that the high strength and wear resistance of the stainless steel sheet can cut the steel stirring needle directly from the root, even though the stainless steel sheet located at the outermost layer is very thin, when the stainless steel sheet is reinforced by friction stir welding, and solves the problem that the thermal conductivity of the stainless steel is much lower than that of the aluminium, which makes the friction heat of the axle shoulder on the surface difficult to conduct to the bottom, resulting in the lower part. It is easy to form tunnel defects in the mixing zone because of insufficient softening degree and poor plastic flow of aluminium material. It has beautiful appearance, long service life of opening and closing operation, and double insurance improves welding reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种搅拌摩擦焊制备覆钢式铝软连接方法
本专利技术属于电气装备焊接制造领域，具体涉及搅拌摩擦焊制备覆钢式铝软连接方法。
技术介绍
户外超高压大电流开关对开关动作空间限制小，因此，允许采用尺寸相对较大的铝软连接。相对于铜软连接，铝软连接具有以下优点：(1)重量轻，安装与固定容易；(2)耐腐蚀，长寿命：铝材表面的钝化膜使铝材对大气或近海潮湿盐雾气氛腐蚀的耐蚀性优于铜软连接，使用寿命长；(3)资源足、单价低。但对于既定的电流强度，采用铝软连接所对应的导电截面要大于铜软连接，所以铝软连接在户外大电流开关等空间不受限制的独特场合有用武之地。近年来，在铝软连接的设计制造方面，出现了两方面改进：一是在铝软连接外层加设不锈钢片作为补强片，以加强铝软连接在户外高空抗风吹导致扭转的能力；二是导电通路更趋合理，避免局部电流密度变大。但是，不锈钢补强片的加装使铝软连接的焊接制造工艺难度加大。一方面，铝/不锈钢(Al/SUS)异种金属组合的可焊性很差，这是由于两者不但氧化膜都难以破除，而且易于形成脆性金属间化合物(IMC)。传统氩弧焊工艺(TIG填丝)因脆性金属间化合物的形成，易于使不锈钢片在经历多次弯曲操作之后从根部固定端断裂，从而限制了铝软连接的动作寿命。另一方面，电弧焊本身不适于大面积搭接焊；若采用电弧焊进行对接焊，当软连接层数多时，必须开坡口、预热，工作环境差、工作强度大(参见参考文献1)。至于压力焊工艺，尽管热压焊工艺(即分子扩散焊)在铜软连接方面获得了广泛应用，但对于铝材而言，氧化铝膜难以通过压力与变形破除。较小的宏观变形难以破碎铝表面致密、稳定、难熔、与基体表面结合牢固的氧化铝膜，即使增大搭接焊接面积也难以实现有效的冶金结合，只有在大变形(>40％)，并依靠塑性流变的机械作用破坏界面上的氧化膜层的连接条件下才可获得优质接头(参见参考文献2)。但如此高的变形率已无法满足软连接对形状的要求。钎焊工艺则由于表面氧化膜恶化了润湿性，即使采用非腐蚀性的钎剂(Nocolokflux)，钎焊温度也需高达约600℃，耗能费时。当采用先进的搅拌摩擦焊(FSW)来制作不锈钢片补强覆钢式铝软连接时，尽管位于最外层的不锈钢片(不锈钢补强片)很薄(不足1mm)，但不锈钢片的高强度与耐磨性仍能够把钢质搅拌针从根部直接“切断”；同时不锈钢的热导率远低于铝，使表面的摩擦热难以传导至底部，导致下部铝材软化程度不够，塑性流动变差，进而在搅拌区容易形成“隧道”缺陷。以摩擦热为热源、用于金属大面积搭接焊接的搅拌摩擦钎焊(FSB：Frictionstirbrazing，参见参考文献3、4)主要采用无针工具(去膜困难时可采用带针工具)，只在搭接组合的上板表面旋转摩擦，对上/下板待焊界面足以形成扭转破膜与加热作用，同时预置能与母材(Al)发生共晶反应的钎料，通过挤出共晶液相而带出氧化膜碎屑；在挤出低熔低强共晶液相或液态钎料及氧化膜后，界面最终所得为洁净母材间的扩散组织。这样，尽管对焊接界面而言，搅拌摩擦钎焊技术是间接摩擦，但也能实现冶金结合。多道摩擦即可制作双金属复合板。虽然搅拌摩擦钎焊(FSB)技术用于两块板材搭接焊时，取得了较为理想的去膜与润湿效果，但在尝试将搅拌摩擦钎焊用于制备由数十层铝箔搭接而成的铝软连接时，遇到了诸多技术障碍，如：(1)逐片刷涂钎料费工费时；(2)由于每增加一层铝片意味着多出一个界面需要焊接，所以焊接质量对软连接层数、压入深度较为敏感，影响了接头重复性与可靠性；(3)当软连接的层数较多(如超过50层时)，远离表面的底部片间难以实现去膜、润湿与焊接，撕裂破坏时很容易从底部层间开裂；(4)后续焊道的界面易于在前道焊道的加热中氧化，加大了后续焊道实现去膜与润湿的困难性。这样，试验中虽也能偶尔获得层间撕裂测试过关的接头，但重复性较差(易受压入深度等规范参数的影响)；且钎料电阻率大，增大了软连接的等效电阻。另一方面，当采用带针工具进行多层薄铝片间的搅拌摩擦搭接焊(FSLW：frictionstirlapwelding)时，存在以下技术难点：(1)铝软连接最外层的不锈钢补强片(0.3mm厚304不锈钢)很难在轴肩摩擦作用下软化，会将材质为W18Cr4V高速钢搅拌针从根部切割断，而且不锈钢的高屈服强度、明显的隔热作用影响旋转工具对下部铝片的热—力联合作用效果；(2)因针的直径较细，很难实现片间的大面积冶金连接；(3)而多道FSLW则使盖板成形变差；(4)更为关键的是，由于FSLW存在工具旋转方向与待焊的水平界面平行的不足，每一焊道的搅拌区内原始界面被整体性向上或向下位移，但搅拌区的原始界面仍然难以消除，限制了搅拌区内每道焊道的冶金结合率。当改用板状端头而进行端头铝板与多层叠装铝片的搅拌摩擦对接焊(FSBW：Frictionstirbuttwelding)时，虽然FSBW具有可靠的消除对接面氧化膜的能力，但存在的问题有：(1)层数多时或人为调控压入深度有偏差或床身振动时，底部因针的搅拌不到位，底部铝片与端部板材间的搅拌混合难以可靠实现，中心区界面间焊合的可靠性变差；(2)铝片表面易被工具扭烂，表面成形差；铝片与不锈钢补强片的破膜困难性(铝与不锈钢均为难去膜材料)与异种金属形成金属间化合物的脆化问题；(3)铝片外部的不锈钢片对工具的磨损及对轴肩热—力作用削弱的不利影响等。本专利技术通过合理设计结构与工具、导入钎料、强化不锈钢表面的机械破膜，解决了上述技术难点，可制得高可靠性铝软连接接头，用于户外220KV的超高压开关。参考文献[1]惠媛媛，靳全胜，王凯等.6063硬连接与L6软连接铝母线接头TIG焊接工艺[J].电焊机，2015，45(5)：192-195.[2]许志武，吕世雄，闫久春，杨士勤.非连续增强铝基复合材料固相焊接研究现状.哈尔滨工业大学学报，2004,36(5):593-598.[3]张贵锋，苏伟，张建勋等.一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法：中国，200910021918.3[P].2009-04-08.[4]ZhangGF,SuW,ZhangJX,etal.Frictionstirbrazing:anovelprocessforfabricatingAl/SteellayeredcompositeandfordissimilarjoiningofAltosteel[J].Metall.Mater.Trans.A,2011,42(9):2850-2861.
技术实现思路
针对搅拌摩擦焊制备覆钢式铝软连接的难点：(1)较厚叠层铝导电片软体的中间部分(较厚时常采用双面焊)易出现焊接质量波动(如操作者目视误差或床身振动等)；(2)异质、高强、锋利不锈钢抗风片存在的切断针、阻碍表面摩擦热向底部传导(不锈钢热导率低)而影响底部铝材的塑性流动(导致隧道性缺陷)等问题；本专利技术通过“直接式搅拌摩擦对焊”与“间接式”搅拌摩擦钎焊(FSB)所形成的两个“口字型”(或U型)完整冶金结合闭合通路，既实现了“铝片/大厚度铝端板”同种金属的双保险焊接，也实现了“不锈钢片/铝端板”异种金属的双保险焊接。本专利技术提出的技术方案详述如下：一种具有硬板状端头的软连接(存在端板)，该软连接包括薄片叠层软体及导电端板(例如，铝端板)；所述薄片叠层软体包括多层导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有硬板状端头的软连接，其特征在于：该软连接包括薄片叠层软体及导电端板；所述薄片叠层软体包括多层导电金属片，薄片叠层软体的两端分别通过贯穿各层导电金属片的对应端的导电金属铆钉紧固，薄片叠层软体上设置有覆盖导电金属铆钉端部的导电盖板，导电盖板与导电金属铆钉及最外层导电金属片的对应端以冶金结合的方式相连，或者，所述薄片叠层软体包括多层导电金属片，薄片叠层软体上设置有分别覆盖最外层导电金属片的两端的导电盖板，导电盖板与最外层导电金属片的对应端以冶金结合的方式相连；导电端板与导电盖板及多层导电金属片以冶金结合的方式相对接。

【技术特征摘要】
1.一种具有硬板状端头的软连接，其特征在于：该软连接包括薄片叠层软体及导电端板；所述薄片叠层软体包括多层导电金属片，薄片叠层软体的两端分别通过贯穿各层导电金属片的对应端的导电金属铆钉紧固，薄片叠层软体上设置有覆盖导电金属铆钉端部的导电盖板，导电盖板与导电金属铆钉及最外层导电金属片的对应端以冶金结合的方式相连，或者，所述薄片叠层软体包括多层导电金属片，薄片叠层软体上设置有分别覆盖最外层导电金属片的两端的导电盖板，导电盖板与最外层导电金属片的对应端以冶金结合的方式相连；导电端板与导电盖板及多层导电金属片以冶金结合的方式相对接。2.一种具有硬板状端头的软连接，其特征在于：该软连接包括薄片叠层软体及导电端板；所述薄片叠层软体包括多层导电金属片以及设置在最外层导电金属片上的金属补强片，薄片叠层软体的两端分别通过贯穿各层导电金属片和金属补强片的对应端的导电金属铆钉紧固，薄片叠层软体上设置有覆盖导电金属铆钉端部的导电盖板，导电盖板与导电金属铆钉及金属补强片对应端以冶金结合的方式相连；导电端板与导电盖板及多层导电金属片以冶金结合的方式相对接；金属补强片为不锈钢片。3.根据权利要求1或2所述一种具有硬板状端头的软连接，其特征在于：所述导电端板采用铝、铜或合金制成。4.一种无硬板状端头的软连接，其特征在于：该软连接包括薄片叠层软体；所述薄片叠层软体包括多层导电金属片，薄片叠层软体的两端分别通过贯穿各层导电金属片的对应端的导电金属铆钉紧固，薄片叠层软体上设置有覆盖导电金属铆钉端部的导电盖板，导电盖板与导电金属铆钉及各层导电金属片对应端以冶金结合的方式相连，或者，所述薄片叠层软体包括多层导电金属片，薄片叠层软体上设置有分别覆盖最外层导电金属片的两端的导电盖板，导电盖板与各层导电金属片对应端以冶金结合的方式相连。5.根据权利要求4所述一种具有硬板状端头的软连接，其特征在于：所述薄片叠层软体还包括设置于最外层导电金属片与导电盖板之间的金属补强片；金属补强片的两端通过所述导电金属铆钉紧固，导电盖板与导电金属铆钉及金属补强片和各层导电金属片对应端以冶金结合的方式相连。6.根据权利要求1、2、4或5所述一种具有硬板状端头的软连接，其特征在于：所述导电盖板采用铝或铜制成，所述导电金属选自铝或铜；所述导电金属铆钉沿所述多层导电金属片宽度方向布置1个以上。7.一种具有硬板状端头的软连接的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)预装将多层导电金属片两端通过工装预紧固定，得薄片叠层预装体；或者，将多层导电金属片两端分别通过贯穿各层导电金属片对应端的导电金属铆钉预紧固定，得薄片叠层预装体；2)接头装配在薄片叠层预装体上加装可覆盖最外层导电金属片端部的导电盖板，并在最外层导电金属片端部与导电盖板之间放置或涂刷钎料，或者，在导电盖板与导电金属铆钉之间及导电盖板与最外层导电金属片端部之间放置或涂刷钎料；将导电端板与薄片叠层预装体的端部夹紧；3)焊接于一侧导电盖板上采用搅拌工具进行搅拌摩擦对接焊，使导电盖板及多层导电金属片与导电端板实现冶金结合，利用所述搅拌工具于搅拌摩擦对接焊同时，使导电盖板与最外层导电金属片的对应端，或者使导电盖板与导电金属铆钉及最外层导电金属片的对应端，通过搅...

【专利技术属性】
技术研发人员：张贵锋，朱大恒，邝吉涛，张林杰，张建勋，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61