一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法技术

本发明专利技术公开了一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法：将硬度小的板材作为覆层金属板，硬度大的板材作为基层金属板，以搭接形式水平固定于工作台面上；在上／基层金属板之间预置能与两板之一发生共晶反应的软钎料；在覆层金属板上空设置一无针式圆柱摩擦工具；使无针圆柱摩擦工具旋转并压下与覆层金属板表层紧密接触但不穿透覆层金属板，然后或原地旋转，或边旋转边沿覆层金属板材表面向前移动；利用摩擦热使钎料熔化，促使上／基层金属板材均向钎料中快速溶解，以获得良好的界面接合；并挤出多余钎料，形成薄而致密的钎缝；从而制得双金属复合板。与炉中钎焊相比，具有高效、节能、可导入压力、无需钎剂与保护气体、高温停留时间短。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于焊接领域，涉及一种搅拌摩擦钎焊的方法。
技术介绍
双金属材料是由材质不同的由基材与覆材组成的，两者之间的结合强度取决于其焊 接质量。由于基材与覆材之间的焊接属于异种金属之间的焊接，所以在焊接界面很容易出 现脆性金属间化合物。为了抑制金属间化合物的厚度，常采用适于大面积焊合的固相焊接 方法。目前，工业中常用的有轧制复合法(也称压延法)、爆炸焊复合法、扩散复合合法 等。其中最常用的是爆炸焊复合法与轧制复合法。爆炸复合法的缺点有对环境、管理、 操作的安全性有严格要求；对生产单位的资质有严格要求，限制了其在一般生产单位的广 泛应用；边部较大区域的焊接质量差，焊后需切除；安全性差，噪声大；不适于较小面积 板材的制备或小面积焊接的工况，灵活性差。轧制复合法又分热轧法与冷轧法。热轧法的 工艺流程一般为先对母材四周预先进行封闭焊接一放入密闭容器内一排气一加热一压延。 热轧法的优点在于高温下材料屈服强度低、对轧机要求低；缺点在于需采取复杂的且高成 本的防止界面氧化措施、能耗大、金属间化合物易增厚。冷轧法的工艺流程一般为表面 处理一轧制复合一退火强化。冷轧复合法虽有利于防止界面氧化，但仅实现新生界面间的 紧密接触还不足以形成稳定、牢固的界面结合，轧后还需进行扩散热处理，以促使原子相 互扩散，进一步强化并稳定结合性能；另外，冷轧复合法对材料的塑性有要求，否则，在 大压下率的情况下可能出现裂纹。由铝材与异种金属材料(如钢或不锈钢)组成的双金属复合板结合了两种材料的优点， 在防腐、耐磨场合有广阔应用前景。目前，铝/钢(Al/steel)双金属复合板主要采用"冷 轧+轧后扩散"方法制备。如上所述，对于冷轧方法，在确保界面致密性的前提下，如何 降低轧制压力，特别是如何能免除轧后扩散热处理(以便縮短流程、节约能源)应是新方 法的突破口。可行的对策是在上/下板之间预置合适的钎料，利用钎料熔化后所得的液相 易于流动的特点填充界面空隙，获得致密界面；同时，利用液相对母材的溶解作用破除母 材表面氧化膜，获得洁净界面。然而，对于Al/steel复合系，其钎焊技术，特别是炉中钎焊存在相当大的难度，较为 理想的钎焊技术尚未确立，世界各国均在竞相开发之中。众所周知，对于铝材与较强异种金属材料(如Al/steel、 Al/Ti、 Al/stainless steel、 Al/Cu)焊接，由于传统电弧焊无法避免 脆性金属间化合物的形成，因此，电弧焊不能用于铝材与上述较强异种金属材料的焊接， 因而钎焊成为铝材与异种金属材料焊接的主要工艺方法。这主要是由于钎焊具有加热温度 低、可避免母材熔化，因而有利于避免脆性金属间化合物。特别在薄板的焊接方面、熔焊 可焊性差铝材的焊接方面，钎焊仍有很强的生命力。决定铝与异种金属材料钎焊成败的关 键在于(A)铝材表面氧化膜的破除情况(氧化铝膜熔点高、致密、高温稳定性强，难以 破除)；(B)界面金属间化合物的抑制情况。但是，无论是现行的炉中钎焊(Furnace Brazing),还是发达国家积极研发的激光 钎焊(Laser Brazing),都存在诸多明显的缺点。传统电阻炉炉中钎焊存在如下显著缺点(主要是冶金质量可控性差) G)能耗高其主要原因在于热源来自于大电流流经发热体(如钼片、石墨等)的 焦耳热，而工件依赖发热体的辐射被间接加热；而且被加热区为整个工件，无法实现仅对 焊接区的局部加热。此外，发热体的辐射热并非能全部用于加热工件，水冷炉壁的大面积 散热也是降低热效率的重要原因。(2) 加热/冷却速度慢，耗时长其原因在于升温过程中， 一方面工件依赖发热体 的辐射被间接加热，另一方面炉膛的热惯性大，两者均限制了工件的快速升温；降温过程 中，同样因炉膛的热惯性大，且工件为整体加热，两者均使冷却速度缓慢。缓慢的加热/ 冷却速度使接头的实际高温停留时间被延长(可控性差)，易使界面处生成的脆性金属间 化合物过度增厚，接头随之脆化。(3) 需钎剂、真空或氩气保护这些措施虽有利于破除铝表面的氧化膜；改善钎料 对铝基体的润湿性；防止钎焊过程中出现新的氧化；但会增大生产成本。(4) 由于熔融钎剂、钎料(A1-Si)紊乱而不均匀的宏观填缝流动，形成夹气、夹渣 类致密性缺陷，实际钎着率低(如铝/不锈钢的钎着率只有60-70%)。(5) 铝基钎料对铝材及钢材的润湿及扩散能力不同，导致两侧界界面焊合情况不均匀。在上述炉中钎焊缺点中，缓慢的加热/冷却速度易使金属间化合物过度增厚正是传统 炉中钎焊不适于铝材与异种金属材料钎焊的根本原因。如上所述，这是由于缓慢的加热/冷却速度使接头的实际高温停留时间过长所致。为此，铝材与异种金属材料钎焊新工艺的 开发应着眼于(A)在加热方面，如何有效縮短实际高温停留时间，或尽量降低钎焊温 度。但降低温度的潜力有限(要保证润湿性)，可行的途径是缩短高温停留时间，而这一点恰是炉中钎焊的弱项所在。(B)在冶金设计方面，如何优化钎料合金系来抑制金属间 化合物，同时确保铝材表面氧化膜的顺利破碎。近年来，法国、德国、日本均开发了激光钎焊技术，主要思路是利用激光能源具有可 控性优良、加热区域窄、加热/冷却速率快的独特优点，有利于抑制脆性金属间化合物过 度增厚；同时也有利于抑制母材组织劣化与接头变形。但是，以激光为加热能源的激光 钎焊存在如下显著缺点(1) 需要钎剂、保护气体增大了生产成本(2) 能源利用率极低铝材对C02激光的反射率高，吸收率不足2%(3) 此外，设备投资昂贵，且激光器寿命有限。 上述缺点限制了激光钎焊在我国普通工业领域的推广。最近，值得关注的动向是，日本(大阪大学、东京工业大学与新潟大学)及国内一些 学者为避免铝材与异种金属材料熔焊中常出现的脆性金属间化合物，尝试采用了 "搭接搅 拌摩擦焊(Friction Stir Lap Welding, FSLW)"工艺(搭接接头可增大接合面积， 一般优先 用于界面接合性能较弱的场合)。虽接头性能尚可，但其缺点可归纳如下(1)搅拌头针 部的端头磨损严重，这是由于为了破除界面氧化膜，针的端部要穿透上部的铝材并伸入下 部钢材内部(一般距离钢材表面约0.1mm处)，显然，针的端部由于与较硬的钢材直接接 触而被加速磨损；(2)对搅拌头压入深度的控制要求较严；(3)在焊缝末端残留有宽而深 的匙孔。可见，搅拌摩擦焊并非万能的，它仅适于A1/A1类组合，不适于Al/steel类组 合。当母材之一是远比A1硬的钢材时，钢对针的直接摩擦所引起针的严重磨损及其使用 寿命的显著縮短将成为搅拌摩擦焊应用于Al/steel类母材组合的致命性技术障碍。国内 外尚无克服此技术障碍的报道。Al/steel的搭接搅拌摩擦焊的难点主要包括如下几个方面(1)钢的屈服强度高，在 同样的焊接温度下(一般约400 500。C)，钢材难以软化、变形，影响界面结合；更为严 重的是，较硬钢材与搅拌头的直接摩擦将导致工具(针)的严重磨损。(2)线膨胀系数的 差别大，在冷却过程中铝的自由收縮量大，导致界面产生剪切应力(平行于界面)以及界 面边缘易产生使界面剥离的残余拉应力(垂直于界面)。(3)热输入过大或过度搅拌易产 生金属间化合物(IMC)。其主要问题在于针的磨损，冶金相容性问题为次要问题。基于上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法，其特征在于：将覆层金属板（１）和基层金属板（２）以搭接形式水平固定于工作台面上；在覆层金属板（１）和基层金属板（２）之间预置钎料（３）；设置于覆层金属板（１）上表面的摩擦工具（４）为无针式圆柱摩擦工具，无针圆柱摩擦工具（４）与两板材法线间的倾斜角度为１－５°；使无针圆柱摩擦工具（４）旋转并缓慢压下，直至无针圆柱摩擦工具（４）端部与覆层金属板（１）上表面相接触；然后使无针圆柱摩擦工具（４）在覆层金属板（１）上表面原地摩擦或沿焊接方向移动，利用摩擦热使钎料（３）熔化，促使覆层金属板（１）、基层金属板（２）向钎料（３）中快速溶解获得良好的界面接合；并挤出多余钎料（３），形成薄而致密的钎缝；从而制得两层双金属复合板。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张贵锋，苏伟，张建勋，张军，郭文亮，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]