一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头及制备和提升接头强度的方法技术

本发明专利技术公开了一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头及制备和提升接头强度的方法，使用搅拌摩擦搭接焊的连接方式，以及第一金属板在上，第二金属板在下的装夹方式，旋转工具为带有螺纹搅拌针的圆柱形工件。焊接过程中旋转工具下压第一金属板表面，在旋转工具下压量不断增加的同时，搅拌针逐渐深入到下方第二金属板中，在此过程中，利用旋转工具与板件之间产生热量，镁合金与钢流动性增强，各有部分材料嵌入对方，形成一种由自体材料构成的宏观钩状锁合结构，将上下板紧密结合。该宏观钩状锁合结构能够有效提高异种材料的搅拌摩擦焊接头质量及焊接可靠性，工艺简单，效果良好，经济实用，有效拓展了异种材料搅拌摩擦焊的应用范围。有效拓展了异种材料搅拌摩擦焊的应用范围。有效拓展了异种材料搅拌摩擦焊的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头及制备和提升接头强度的方法


[0001]本专利技术属于异种金属连接
，具体涉及一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头及制备和提升接头强度的方法，尤其涉及一种提升镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头强度的方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着能源危机的加深和人们环保意识的增强，汽车轻量化的需求不断上升。作为最轻的金属工程结构材料之一，镁合金具有一系列优点，如密度低、比强度高、比刚度高、减震性能优异，可以满足汽车领域对轻质高强高塑性结构材料的迫切需求。钢是目前最常见的工程材料，在工业领域被广泛应用于承重件的制造，金属异种材料尤其是镁、钢材料的混合使用可有效减轻车身重量，为汽车工业轻量化发展提供了更多的机遇。
[0003]然而镁钢的有效连接面临许多挑战，主要原因是镁钢在熔沸点、密度、热导率、热膨胀系数等物化性能存在较大差异。在焊接过程中镁钢很难同时达到熔融状态，易产生熔合不良的缺陷。镁的热导率和热膨胀系数远大于钢，使得材料在变形时保有较大的残余应力。此外，Mg、Fe两者几乎互不固溶，且没有中间相，没有发生冶金结合的基础。
[0004]目前镁
‑
钢的焊接方法可以主要分为两类，一类是以激光电弧焊、熔纤焊为代表的熔化焊，但是熔化焊容易引入氧化夹杂，形成的接头性能较差。另一类是以搅拌摩擦擦、扩散焊为代表的固相焊，但是扩散焊效率低下、接头性能低，不适用于实际生产。
[0005]搅拌摩擦焊是英国焊接所于1991年专利技术的一种新型固相连接技术。一个带有特制搅拌针与轴肩的高速旋转工具插入相接的板材中，并沿着焊缝前进，旋转工具与板件高速摩擦产生的局部热量可以软化搅拌针附近的材料，并使材料由搅拌针前进侧流动到搅拌针后退侧，由于材料在较高温下经历了剧烈塑性变形，因此可以产生细小均匀的动态再结晶晶粒。综上搅拌摩擦焊具有热输入量较低、显微组织优异、残余应力低、不需要保护气体等优点，适用于镁钢异种材料的连接。
[0006]通过对现有专利文献的检索发现，申请号为CN201811247167.2的专利技术专利公开了一种AZ61镁合金和GH4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法，其在2mm厚的GH4169钢板上设置若干个直径为3mm的铆孔；在铆孔内设置环槽结构，GH4169钢板上表面设置以铆孔为中心向外延伸的环状沟槽结构；将3mm厚的AZ61镁合金搭接在2mm厚的GH4169钢板上并将搭接区域、铆孔内表面进行清理，实现合金和钢异种金属材料高质量的连接，在冶金结合和机械结合的共同作用下，形成镁合金和钢异种金属材料复合构件。该方法需要提前在钢板上设置铆接孔和环状沟槽，步骤过于繁琐，降低了连接效率，同时有可能降低钢材的整体性并减低其力学性能。
[0007]申请号为CN201610465311.4的专利技术专利公开了一种用于通过冲压钢而在钢上形成凸起高程点的局部纹理，并且然后使用搅拌摩擦焊接将钢和铝机械互混以形成接头来增强铝与具有表面涂层的钢之间的搅拌摩擦焊接接头强度的方法和装置。其制备的接头是通
过冲压的方式在钢板表面形成了凸起高程点，后续通过搅拌摩擦焊接工具使得钢板与铝板之间形成接头并且使凸起高程点存在于接头内。但其需要在焊接前使用阴/阳冲压工具生成凸起高程点，且该方法生成的凸起高程点高度为10～500μm，尺寸较小，对于接头强度的提升有限。
[0008]专利技术人前期的研究(申请号为CN201911165630.3的专利技术专利)中，公开了一种基于铝中间层的镁/钢异种材料搅拌摩擦焊搭接方法，通过在镁/钢板中间加入铝中间层或镁铝混合中间层，然后进行搅拌摩擦焊搭接。但该方法只观测到了引入中间层后形成的冶金结合现象，并未观测到明显的宏观机械嵌合结构，其对接头强度的提升仍不明显，其制得接头的拉伸强度均在300N/mm以下。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的不足，本专利技术的目的是针对金属异种材料，尤其针对两种熔点相差较大的异种金属——譬如镁钢异种金属或者铝钢异种金属，来提供搅拌摩擦焊接头的制备和提升接头强度的方法。通过在焊接过程中直接形成钩状锁合结构，简化了工艺，且制得的钩状结构尺寸高度可达到1.5mm，宽度可达到3.7mm。
[0010]本专利技术通过使用搅拌摩擦搭接焊方法，采取第一金属板在上第二金属板在下的装夹形式，在旋转工具下压过程中，使得旋转工具自带的螺纹状搅拌针深入到下方第二金属板中，利用旋转工具和第一金属板间产生热量，增强金属异种材料的塑性流动性，生成自体材料宏观钩状锁合结构，使得第一金属/第二金属之间形成有效连接，并由此大大提升了金属异种材料尤其是镁/钢异种材料搅拌摩擦焊接头的强度。
[0011]本专利技术认为搅拌针有无螺纹对材料流动有影响，带螺纹的搅拌针促进了异种材料的流动性，对形成钩状结构有利。
[0012]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0013]本专利技术提供了一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头，所述接头内部生成有自体材料的宏观钩状锁合结构；所述钩状锁合结构包括一端嵌入到第一金属基材料的第二金属基钩状结构和另一端嵌入到第二金属基材料中的第一金属基钩状结构；
[0014]其中所述的第一金属和第二金属为两种不同金属或合金。
[0015]优选地，所述第一金属为镁或镁合金、稀土镁合金、铝或铝合金中的任意一种；所述第二金属为钢、低碳钢中的任意一种。
[0016]优选地，所述宏观钩状锁合结构中，第一金属基钩状结构的宽度为1.87
‑
3.73mm、高度为0.48
‑
1.04mm，第二金属基钩状结构的宽度为0.55
‑
3.28mm、高度为1.02
‑
1.54mm。
[0017]本专利技术还提供了一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头的制备方法，包括以下步骤：
[0018]A、将第一金属板和第二金属板进行装夹，第一金属板在上、第二金属板在下的装夹形式；
[0019]B、采用旋转工具进行搅拌摩擦焊搭接，即得；
[0020]步骤B中，所述旋转工具由搅拌头和螺纹型搅拌针组成；
[0021]所述搅拌摩擦焊搭接的参数条件为：搅拌头转速800
‑
1600rpm，焊接速度50
‑
100mm/min。
[0022]当搅拌头转速过低时，搅拌头与板件接触摩擦程度不够，导致热输入量较低，搅拌
区域内材料的流动不充分，接头成型质量不好；搅拌头转速过大时，接触区域热输入量可能过高，容易生成脆硬的金属间化合物，同样不利于接头强度，因此本专利技术选择搅拌头转速800
‑
1600rpm。当焊接走速过低时，搅拌头在搅拌区域内停留时间过长，不仅导致热输入量过高，而且会带入更多的残余应力；焊接走速过高时，搅拌头与板件的接触时间较短，使得摩擦生成的热量不够，材料的流动也不充分，因此本专利技术选择焊接速度为50
‑
100mm/min。
[0023]进一步的，所述搅拌头的轴肩加工成带有一点弧度的内凹形状，形成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属异种材料搅拌摩擦焊接头，其特征在于，所述接头内部生成有自体材料的宏观钩状锁合结构；所述钩状锁合结构包括一端嵌入到第一金属基材料的第二金属基钩状结构和另一端嵌入到第二金属基材料中的第一金属基钩状结构；其中所述的第一金属和第二金属为两种不同金属或合金。2.根据权利要求1所述的金属异种材料搅拌摩擦焊接头，其特征在于，所述宏观钩状锁合结构中，第一金属基钩状结构的宽度为1.87
‑
3.73mm、高度为0.48
‑
1.04mm，第二金属基钩状结构的宽度为0.55
‑
3.28mm、高度为1.02
‑
1.54mm。3.一种根据权利要求1所述的金属异种材料搅拌摩擦焊接头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A、将第一金属板和第二金属板进行装夹，采用第一金属板在上、第二金属板在下的装夹形式；B、采用旋转工具进行搅拌摩擦焊搭接，即得；步骤B中，所述旋转工具由搅拌头和螺纹型搅拌针组成；所述搅拌摩擦焊搭接的参数条件为：搅拌头转速800
‑
1600rpm，焊接速度50
‑
100mm/min。4.根据权利要求3所述的金属异种材料搅拌摩擦焊接头的制备方法，其特征在于，所述搅拌头的轴肩凹角为5
°‑
10
°
。5.根据权利要求3所述的金属异种材料搅拌摩擦焊接头的制备方法，其特征在于，所述螺纹型搅拌针为圆锥形，设置在轴肩的前端。6.根据权利要求3或5所述的金属异种材料搅拌摩擦焊接头的制备方法，其特征在于，所述螺纹型搅拌针的长度大于上层的第一金属板厚度，且搅拌针穿过第一金属板后的盈余长度为第二金属板厚度的2/5
‑
3/5；所述第一金属板...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈娟，金启豪，彭立明，阎熙，李子言，吴玉娟，付彭怀，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：