一种嵌入式搅拌摩擦点焊方法技术

一种嵌入式搅拌摩擦点焊方法，可用于异种或同种金属的搭接点焊，尤为适于铝或镁与较硬的异种金属材料的搭接连接。其工序为：首先，在较硬的第二母材上预先钻孔，并在孔内攻丝；或者从较硬第二母材的两面分别钻出直径不等的两个同轴孔；等直径光孔须用带有浅窝型模具的垫板；然后，按搭接形式组装，要求将铝板置于较硬的第二母材上方，且较硬第二母材的小直径孔在上侧；启动无针式搅拌头旋转并使之与上母材表面接触；限制搅拌头的压入深度约在０．２５ｍｍ－１ｍｍ之内，无须穿透焊接界面；摩擦数秒后将上板旋挤入较硬下板的孔内，即完成焊接。该技术与传统搅拌摩擦点焊技术相比，避免了硬质第二母材对工具的磨损，延长了工具的使用寿命；接头无匙孔，外观平整。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于焊接领域，涉及一种搅拌摩擦点焊的方法。
技术介绍
在以汽车、轻轨电车为代表的运输设备制造行业，为节约燃油、减少排放，密度轻 的铝材正被逐渐引入来代替钢材，因此，铝/钢接头的可靠焊接是一必然要遇到的工艺问 题。然而，众所周知，铝/钢接头无法用传统的电弧焊工艺实现焊接，其原因在于电弧焊 工艺会引起脆性金属间化合物的出现而使接头脆化。因此，铝/钢接头的可靠焊接是亟待 解决的关键工艺难题。多年来，钎焊、摩擦焊等因可避免母材熔化而一直是铝/钢接头悍 接研究的热点。与摩擦焊相比，钎焊无论在生产效率(传统炉中钎焊因加热/冷却速率缓 慢而使生产效率低)、生产成本(能耗高；需要钎剂或氩气保护)还是接头质量方面(润 湿性差；金属间化合物易过厚)都有明显不足。在摩擦焊方面，近年来，特别是日本尝试 采用搭接搅拌摩擦焊实现铝/钢接头的固态接合。2001年，日本川崎重工公司与马自达公司合作首次报道了"搅拌摩擦点焊(Friction spot joining, FSJ或Friction stir spot welding, FSSW)"技术，当时的主要目的是 用于代替A1/A1板材间的电阻点焊。令人惊奇的是，与搅拌摩擦焊一样，搅拌摩擦点焊技 术在l-2年内便也极为迅速地获得了成功的工业应用。目前，搅拌摩擦点焊技术已被用于 汽车生产，如局部采用搅拌摩擦点焊技术(车门等)的马自达RX-8已于2003年4月投放 市场。由日本川崎重工与马自达公司合作开发的传统搅拌摩擦点焊所用"工具"的重要特 点有(l)有针，且针外周加工有螺纹，以促进板厚方向的塑性流动与混合；(2)肩端为 内凹式，以扩大搅拌区空间沿板厚方向扩展，进而改善上/下界面间的竖向混合。该技术 包括下述工序(1)压入针(Plunging); (2)搅拌、 一体化(Stirring), —般持续摩擦 时间约1-5秒；(3)拔出针(Drawing out)。传统搅拌摩擦点焊的接合机理可简要概括为 利用搅拌工具摩擦与压入(旋压)，使第二母材2软化并强迫其产生塑性流动(环向与轴 向复合流动，特别是伴随工具下压过程出现的沿板厚方向的轴向对流流动)，从而形成一 "搅拌区"。该搅拌区的特点为其位置在紧邻针的"外周"；沿板厚方向成功获得了跨越 原始焊接界面的上/下混合；呈不连续椭圆状。正是由于"搅拌区"的形成从而实现了上/下板材间的混合与可靠连接。早期关于搅拌摩擦点焊的研究主要集中于证明搅拌摩擦点焊相对于电阻点焊的优 点。在薄板铝材焊接方面，业已证明传统搅拌摩擦点焊相对于电阻点焊主要具有以下显著 优点(1) 性能优铝材搭接点焊的性能指标包括拉剪强度、剥离强度与疲劳强度。关于 拉剪强度已证明，当焊接规范(特别是工具加压摩擦时间)合适，形成足够大的搅拌区时， 搅拌摩擦点焊接头拉剪强度将略高于电阻点焊接头，且分散性小。这得益于搅拌摩擦点焊 为固相接合。但当摩擦时间过长时，引起压入深度过深，板材减薄严重，接头断裂载荷因 之受影响。(2) 极为显著的节能优势铝板电阻点焊有诸多弊端，包括所需焊接电流大(钢 材的3倍以上)；配电系统所需容量大；回路损耗大(包括焊钳本体、二次电缆、变压器 损耗)；能量利用率极低，仅为16.7% (为此常须用硬规范)。当采用搅拌摩擦点焊时，对 于常用Al合金薄板，驱动电机的电流峰值降至约14A;搅拌摩擦点焊的耗能可小至0. 4 Wh/ 点，仅为电阻点焊(40Wh/点)的1%-5%。(3) 设备系统大为简化，设备投资小无需大容量配电系统、焊接变压器、水冷系 统、气压系统等设施。(4) 易于管理避免了频繁的电极修磨与更换。近年来，关于传统搅拌摩擦点焊的研究主要集中在搅拌区的组织、搅拌区的形成与 长大机理、搅拌区的影响因素(规范与针的螺纹)、搅拌区直径大小对接头断裂路径、位 置、性能的影响等方面。其中核心问题是在搅拌区形成与长大过程中的塑性流动机理，它 决定了接头的形成过程。在搅拌摩擦点焊中的塑性流动研究方面，古贺信次、藤本光生、山本元道、Gerlioh A均提出了基本相同的塑性流动模型塑性材料的流动为复合流动， 可分解为沿工具旋转方向的流动(水平流动或螺旋流动)与沿板厚方向的流动，这些流动 形成了对流流动。从上/下板材间焊合角度看，沿板厚方向的流动与混合更为重要。沿板 厚方向的流动来源于两方面 一是伴随工具下压过程出现的沿板厚方向的对流流动；二是 针外侧的螺纹引起的沿板厚方向的流动。各自作用大小因焊接条件不同而有不同。然而，针对其缺点的分析与改进的研究未曾报道。申请人认为，由日本川崎重工与 马自达汽车开发的传统搅拌摩擦点焊技术主要存在下述缺点(1) 在接头外观方面，存在明显的匙孔。其原因在于使用的工具为经典的有针工具。(2) 在适宜材质方面，仅适于上/下板材均为屈服强度较低的铝材；不适于接头下板为屈服强度较高的钢材。其原因在于由于钢的硬度、屈服强度远高于铝材，由此导致两方 面的缺点:一是工具的端部在与钢材的摩擦中易被钢材磨损，縮短了钢制工具的使用寿命; 二是在工具压入过程中由于钢材难以发生朝上翻巻的强烈塑性变形，因而钢材向上嵌入铝 材(位于上板位置)的程度，即上/下界面间的混合程度极为有限，由此导致接头界面结 合强度极低。针对上述传统搅拌摩擦点焊的缺点，申请者提出了一种适于铝与较硬异种材料(如 碳钢、不锈钢等)搭接的"嵌入式搅拌摩擦点焊"方法。嵌入式搅拌摩擦点焊在所用摩擦 工具设计、工件焊前预加工、垫板模具设计、压入深度等方面均不同于传统搅拌摩擦点焊。 嵌入式搅拌摩擦点焊的基本思路是，焊前要求在较硬第二母材2 (如钢材)上"预先钻孔 4"，并采用"无针式"柱状工具，利用工具端面与软上板(如铝板)间的磨擦热，使上板 温度上升、屈服强度急剧降低而发生软化，同时在工具的下压过程中，将高温、塑化材料 的嵌入硬板上预先钻好的孔4内(与此同时硬第二母材2也被加热至较高温度)，从而在 "热一力"联合作用下实现上/下板间的固相接合。由此带来以下显著改进(1)避免了 针与较硬第二母材2的直接接触及由此导致的对针的严重磨损，显著延长了工具的使用寿 命；(2)消除了较深的匙孔，使接头外观平整美观；(3)拓宽了搅拌摩擦焊点焊可适用的 材质范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决异种金属(如Al/steel、AVstainless steel、Al/Cu、Ti/steel 等)的传统搅拌摩擦点焊(系由日本川崎重工与马自达公司于2001年合作开发)中存在 的两项技术问题 一是工具的剧烈磨损问题当第二母材2之一为钢材时，钢材对搅拌工 具的"针"部有剧烈磨损，严重影响搅拌工具使用寿命与正常焊接工序的顺利进行；二是 接头外观平整度差的问题因"针"拔出后残留的匙孔深、飞边大而平整度差。为此，本专利技术通过系统地在搅拌工具设计、第二母材(2)预加工、垫板模具设计、工件组装、压入深度共五个方面采用如下新的技术方案来解决上述两个技术问题，在此基础 上提出了一种工具免磨损、节能、美观的新型焊接方法——嵌入式搅拌摩擦点焊方法。其核心特征在于在较硬的母材上预先钻孔；采用无针式柱状搅拌头；将较硬母材置于下板 位置，并合理控制压入深度，使无针柱状搅拌头并不与较硬下板接触；所用垫板为带窝垫 板或带槽垫板。这样，同时通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种嵌入式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于：首先，在第二母材（２）上设置有孔（４）；然后，将第一母材（１）置于较硬的第二母材（２）上方，按搭接形式组装第一母材（１）与第二母材（２）；最后，使无针式搅拌头（３）旋转并使无针式搅拌头（３）与第一母材（１）的表面接触；保持搅拌头的压入深度在０．２５ｍｍ－１ｍｍ之内，搅拌头的压入深度小于第一母材（１）的厚度；无针式搅拌头（３）将第一母材（１）旋挤入第二母材（２）的孔（４）内，完成嵌入式搅拌摩擦点焊。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张贵锋，苏伟，张军，张建勋，赵继鹏，
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]