CN104607796B - 金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属复合板结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法，通过搅拌摩擦焊用搅拌头实现对焊接过程中金属复合板结合界面过渡层的控制。本发明通过使用金属复合板结合面过渡层可控的单轴肩搅拌头和双轴肩搅拌头，控制金属复合板结合界面处塑化金属流动行为，实现结合界面的层流流动状态，减少焊接接头中复合板基板与复板之间的不同金属原子间相互扩散形成脆性相，实现复合板直接搅拌摩擦焊接成型，有效的解决了复合板上下结合面异种材料大量混合脆化甚至开裂等难题，使得复合板焊接接头满足长期使用要求。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术，具体涉及一种金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
异种金属复合板作为一种在物理性能、力学性能以及连接性能等方面具有较大灵活性的材料，其应用领域十分宽广，但是在应用异种金属复合板成型时，其焊接方法会受到很大的局限。采用一般的熔化焊方法焊接复合板时，热输入的不均会导致一定的变形，同时会使得复合板结合面形成较大的金属间化合物过渡层，从而影响异种金属复合板的使用性能。
搅拌摩擦焊接方法是一种固态塑化连接技术，自问世以来，搅拌摩擦焊在低熔点金属，尤其是铝合金的焊接领域获得广泛的应用。与其他焊接方法相比，搅拌摩擦焊接技术有下列特点：不产生熔化焊接缺陷、焊接变形小、操作简单、适用于多种材料和接头形式。搅拌摩擦焊具有许多熔化焊接方法无可比拟的优势，特别是它在焊接过程中焊缝金属不熔化即可形成焊缝，其特定的金属塑化温度小于一般金属的熔点，甚至小于一般的金属间化合物形成温度，能够很好的控制焊缝热影响区以及金属间化合物的形成。现在，很少采用搅拌摩擦焊加工异种金属复合板。
中国专利（103600167A）公开了一种碳素钢与不锈钢复合板的焊接方法。该焊接方法即为利用搅拌摩擦焊对复合板进行焊接，但是为了控制过渡层，在焊前需要对接头进行处理，需要将两复合板对接边的端面上加工出等腰三角形的坡口，对齐后对坡口内进行填丝，然后进行搅拌摩擦焊。该发明的目的在于控制复合板过渡区的混合问题，但是在实际焊接过程中，由于搅拌针的力的作用，很难保证坡口内的预填焊丝不发生相对移动，所以其可控性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法，通过控制复合板基板与复板的塑化金属流动行为，实现结合面的层流流动状态，减少焊接接头中复合板基板与复板之间的不同金属原子间相互扩散形成脆性相，实现复合板直接搅拌摩擦焊接成型，有效的解决了复合板上下结合面异种材料大量混合脆化甚至开裂等难题，解决复合板焊接过渡区金属的混合问题，使得复合板焊接接头满足长期使用要求。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法，方法步骤如下：
步骤1、清理金属复合板表面，并将其固定在工作台上；
步骤2、调节金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的位置，使金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的搅拌针与上述金属复合板的焊缝对齐；
步骤3、设置焊接参数，进行焊接；
步骤4、焊接完成后，抬起金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头，将焊接后的金属复合板移走。
上述金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头为单轴肩搅拌头或双轴肩搅拌头。
上述单轴肩搅拌头，包括
被配置用于固定在搅拌摩擦焊机主轴的夹持端；
与夹持端底部固连的轴肩；
与轴肩底部固连的搅拌针；
其中，所述搅拌针上设有至少一个环形凸起。
上述搅拌针上设有至少两个环形凸起，所述两个环形凸起间隔设置。
上述环形凸起与搅拌针的连接处为圆弧过渡。
上述轴肩与距离轴肩最近的环形凸起之间的搅拌针，其形状自轴肩向环形凸起的方向为渐缩型、渐扩型或圆柱型；上述环形凸起位于金属复合板结合面处。
上述双轴肩搅拌头包括
被配置用于固定在搅拌摩擦焊机主轴的夹持端；
与夹持端底部固连的上轴肩；
与上轴肩底部固连的搅拌针；
与搅拌针底部固连的下轴肩；
其中，所述搅拌针上设有至少一个环形凸起。
上述搅拌针上设有至少两个环形凸起，所述两个环形凸起间隔设置。
上述环形凸起与搅拌针的连接处为圆弧过渡。
上述上轴肩与距离上轴肩最近的环形凸起之间的搅拌针，其形状自上轴肩向环形凸起的方向为渐缩型、渐扩型或圆柱型；上述下轴肩与距离下轴肩最近的环形凸起之间的搅拌针，其形状自下轴肩向环形凸起的方向为渐缩型、渐扩型或圆柱型；上述环形凸起位于金属复合板结合面处。
本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）能够控制焊接过程中塑性金属的流动行为，控制焊接接头中的异种金属混合比；（2）属于固相焊接技术，未到达被焊金属熔点的焊接温度可以控制焊接接头中脆性相的生成；（3）特殊的传热模式，可以有效的控制温度梯度大的异种金属双层金属复合板的焊接；（4）本发明可行性强、易操作。
附图说明
图1为现有技术搅拌头的焊接原理示意图。
图2为本发明的采用双轴肩搅拌头的金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法的原理示意图。
图3为本发明的采用单轴肩搅拌头的金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法的原理示意图。
图4为本发明实施例一的搅拌针示意图。
图5为本发明实施例二的搅拌针示意图。
图6为本发明实施例三的搅拌针示意图。
图7为本发明实施例四的搅拌针示意图。
图8为本发明实施例五的搅拌针示意图。
图9为本发明实施例六的搅拌针示意图。
图10为本发明金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一般的搅拌摩擦焊接过程中塑化金属的流动满足一定的抽吸——挤压理论，即在搅拌摩擦焊条件下，其一端为搅拌头的轴肩，另一端为刚性的底板，焊接过程中搅拌针端部与底板间的距离保持不变，当搅拌头旋转引起塑化金属沿搅拌针表面轴向流动时，必存在一入口端和一个出口端。在入口端，有可能形成一瞬时空腔，周围塑化金属将被吸向此空腔，形成所谓的抽吸效应；在出口端，塑化金属将改变流向并挤压周边金属，形成所谓挤压效应；正是由于空腔对塑化金属朝焊缝中心抽吸作用和挤压作用，使高温塑化金属在搅拌针轴向形成剧烈的迁移运动。
对于本发明金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法，其原理如图2和图3所示，焊接所采用的金属复合板结合面过渡层可控的单轴肩搅拌头以及金属复合板结合面过渡层可控的双轴肩搅拌头的搅拌针3上设有环形凸起4，在搅拌摩擦焊焊接过程中，复合板的结合面位于环形凸起4直径最大处，这相当于在搅拌头的轴肩与垫板之间增加了隔断，使搅拌头的轴肩2与垫板之间/上轴肩6与下轴肩5之间的一个区域划分为两个区域，为塑性流动金属提供了两个入口端与出口端，即为塑性金属提供了两个流动空间，使其在焊接过程中形成两个瞬时空腔，使基板与复板的塑化金属形成各自的抽吸——挤压空腔，并在基板与复板的结合面处，两回旋空腔相挤压成形完成连接。其特点在于搅拌针3的环形凸起4的存在使得焊接过程中形成两个互不干扰的塑性金属流动迁移区域，并在结合面处相互摩擦挤压完成连接，从而控制双层金属复合板结合面处异种金属之间的混合，提高接头的使用性能。同时，对于金属复合板而言，其所用的搅拌头上的环形凸起个数N(N≥1)与复合板结合界面数相符。
实施例一
结合图4和图10，一种金属复合板结合面过渡层可控的单轴肩搅拌头，包括夹持端1、轴肩2和搅拌针3，轴肩2一端与夹持端1连接，另一端与搅拌针3连接，沿搅拌针3周向设有1个环形凸起4。轴肩2与环形凸起4之间的搅拌针3，其形状自轴肩2向环形凸起4的方向为渐扩型，整个搅拌头为一体制造。夹持端1的另一端固定在搅拌摩擦焊机主轴上。
上述环形凸起4与搅拌针3的连接处为圆弧过渡。
以焊接双层金属复合板为例，金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法如下：
步骤1、清理双层金属复合板表面，并将其固定在工作台上，且位于搅拌摩擦焊机主轴下方。
步骤2、调节双层金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的位置，使双层金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的搅拌针3与上述双层金属复合板的焊缝对齐，轴肩2位于双层金属复合板的复板上，使得单轴肩搅拌头的环形凸起4直径最大处位于双层金属复合板的结合界面处。
步骤3、设置焊接参数，进行焊接。
步骤4、焊接完成后，抬起金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头，将焊接后的金属复合板移走。
实施例二
结合图5，一种金属复合板结合面过渡层可控的单轴肩搅拌头，包括夹持端1、轴肩2和搅拌针3，轴肩2一端与夹持端1连接，另一端与搅拌针3连接，沿搅拌针3周向设有1个环形凸起4。轴肩2与环形凸起4之间的搅拌针3，其形状自轴肩2向环形凸起4的方向为渐缩型，整个搅拌头为一体制造。夹持端（1）另一端固定在搅拌摩擦焊机主轴上。
上述环形凸起4与搅拌针3的连接处为圆弧过渡。
以焊接双层金属复合板为例，金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法如下：
步骤1、清理双层金属复合板表面，并将其固定在工作台上，且位于搅拌摩擦焊机主轴下方。
步骤2、调节双层金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的位置，使双层金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的搅拌针3与上述双层金属复合板的焊缝对齐，轴肩2位于双层金属复合板的复板上，使得单轴肩搅拌头的环形凸起4直径最大处位于双层金属复合板的结合界面处。
步骤3、设置焊接参数，进行焊接。
步骤4、焊接完成后，抬起金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头，将焊接后的金属复合板移走。
实施例三
结合图6，一种金属复合板结合面过渡层可控的单轴肩搅拌头，包括夹持端1、轴肩2和搅拌针3，轴肩2一端与夹持端1焊接，另一端与搅拌针3焊接，沿搅拌针3周向设有2个环形凸起4。轴肩2与距离轴肩2最近的环形凸起4之间的搅拌针3形状为圆柱型。夹持端1的另一端固定在搅拌摩擦焊机主轴上。
上述环形凸起4与搅拌针3的连接处为圆弧过渡。
以焊接三层金属复合板为例，金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法如下：
步骤1、清理三层金属复合板表面，并将其固定在工作台上，且位于搅拌摩擦焊机主轴下方。
步骤2、调节金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的位置，使金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的搅拌针与上述三层金属复合板的焊缝对齐，轴肩2位于三层金属复合板的复板上，使得单轴肩搅拌头的两个环形凸起4的直径最大处分别位于三层金属复合板的两个结合界面处。
步骤3、设置焊接参数，进行焊接。
步骤4、焊接完成后，抬起金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头，将焊接后的金属复合板移走。
实施例四
结合图7，一种金属复合板结合面过渡层可控的双轴肩搅拌头，包括夹持端1、上轴肩6、搅拌针3和下轴肩5，上轴肩6一端与夹持端1连接，另一端与搅拌针3连接，搅拌针3的另一端与下轴肩5连接，沿搅拌针3周向设有1个环形凸起4。上轴肩6与环形凸起4之间的搅拌针3，其形状自上轴肩6向环形凸起4的方向为渐缩型；上述下轴肩5与环形凸起4之间的搅拌针3，其形状自下轴肩5向环形凸起4的方向为圆柱型。夹持端1、上轴肩6、搅拌针3和下轴肩5为一体制造。夹持端（1）另一端固定在搅拌摩擦焊机主轴上。
上述环形凸起4与搅拌针3的连接处为圆弧过渡。
以焊接双层金属复合板为例，金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法如下：
步骤1、清理双层金属复合板表面，并将其固定在工作台上，且位于搅拌摩擦焊机主轴下方。
步骤2、调节双层金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的位置，使双层金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的搅拌针3与上述双层金属复合板的焊缝对齐，上轴肩6位于复板上方，下轴肩5位于基板下方，使得搅拌头的环形凸起4直径最大处位于双层金属复合板的结合界面处。
步骤3、设置焊接参数，进行焊接。
步骤4、焊接完成后，抬起金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头，将焊接后的金属复合板移走。
上述下轴肩5与环形凸起4之间的搅拌针3形状还可以为渐缩型或渐扩型。其焊接方法一样。
实施例五
结合图8，一种金属复合板结合面过渡层可控的双轴肩搅拌头，包括夹持端1、上轴肩6、搅拌针3和下轴肩5，上轴肩6一端与夹持端1连接，另一端与搅拌针3连接，搅拌针3的另一端与下轴肩5连接，沿搅拌针3周向设有1个环形凸起4。上轴肩6与环形凸起4之间的搅拌针3，其形状自上轴肩6向环形凸起4的方向为渐扩型；上述下轴肩5与环形凸起4之间的搅拌针3，其形状自下轴肩5向环形凸起4的方向为渐扩形。夹持端1、上轴肩6、搅拌针3和下轴肩5为一体制造。夹持端（1）另一端固定在搅拌摩擦焊机主轴上。
上述环形凸起4与搅拌针3的连接处为圆弧过渡。
以焊接双层金属复合板为例，金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法如下：
步骤1、清理双层金属复合板表面，并将其固定在工作台上，且位于搅拌摩擦焊机主轴下方。
步骤2、调节双层金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的位置，使双层金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的搅拌针3与上述双层金属复合板的焊缝对齐，上轴肩6位于复板上方，下轴肩5位于基板下方，使得双轴肩搅拌头的环形凸起4直径最大处位于双层金属复合板的结合界面处。
步骤3、设置焊接参数，进行焊接。
步骤4、焊接完成后，抬起金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头，将焊接后的金属复合板移走。
上述上轴肩6与环形凸起4之间的搅拌针3形状还可以为圆柱型，其焊接方法一样。
上述下轴肩5与环形凸起4之间的搅拌针3形状还可以为渐缩型或圆柱型。其焊接方法一样。
实施例六
结合图9，一种金属复合板结合面过渡层可控的双轴肩搅拌头，包括夹持端1、上轴肩6、搅拌针3和下轴肩5，上轴肩6一端与夹持端1焊接，另一端与搅拌针3焊接，搅拌针3的另一端与下轴肩5焊接，沿搅拌针3周向设有2个环形凸起4。上轴肩6与距离上轴肩6最近的环形凸起4之间的搅拌针3，其形状自上轴肩6向环形凸起4的方向为圆柱型；上述下轴肩5与距离下轴肩5最近的环形凸起4之间的搅拌针3，其形状自下轴肩5向环形凸起4的方向为渐扩形。夹持端（1）另一端固定在搅拌摩擦焊机主轴上。
上述环形凸起4与搅拌针3的连接处为圆弧过渡。
以焊接三层金属复合板为例，金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法如下：
步骤1、清理三层金属复合板表面，并将其固定在工作台上，且位于搅拌摩擦焊机主轴下方。
步骤2、调节金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的位置，使金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的搅拌针3与上述三层金属复合板的焊缝对齐，上轴肩6位于复板上方，下轴肩5位于基板下方，使得双轴肩搅拌头的两个环形凸起4直径最大处分别位于三层金属复合板的两个结合界面处。
步骤3、设置焊接参数，进行焊接。
步骤4、焊接完成后，抬起金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头，将焊接后的金属复合板移走。
上述上轴肩6与环形凸起4之间的搅拌针3形状还可以为渐缩型或渐扩型，其焊接方法一样。
上述下轴肩5与环形凸起4之间的搅拌针3形状还可以为渐缩型或圆柱型。其焊接方法一样。
Claims (10)
1.一种金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤1、清理金属复合板表面，并将其固定在工作台上；
步骤2、调节金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的位置，使金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头的搅拌针与上述金属复合板的焊缝对齐；
步骤3、设置焊接参数，进行焊接；
步骤4、焊接完成后，抬起金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头，将焊接后的金属复合板移走；
所述搅拌针上设有至少一个环形凸起。
2.根据权利要求1所述的金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：上述金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌头为单轴肩搅拌头或双轴肩搅拌头。
3.根据权利要求2所述的金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：上述单轴肩搅拌头，包括
被配置用于固定在搅拌摩擦焊机主轴的夹持端（1）；
与夹持端（1）底部固连的轴肩（2）；
与轴肩（2）底部固连的搅拌针（3）；
其中，所述搅拌针（3）上设有至少一个环形凸起（4）。
4.根据权利要求3所述的金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：上述搅拌针（3）上设有至少两个环形凸起（4），所述两个环形凸起（4）间隔设置。
5.根据权利要求3或4所述的金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：上述环形凸起（4）与搅拌针（3）的连接处为圆弧过渡。
6.根据权利要求3或4所述的金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：上述轴肩（2）与距离轴肩（2）最近的环形凸起（4）之间的搅拌针（3），其形状自轴肩（2）向环形凸起（4）的方向为渐缩型、渐扩型或圆柱型；上述环形凸起（4）位于金属复合板结合面处。
7.根据权利要求2所述的金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：上述双轴肩搅拌头包括
被配置用于固定在搅拌摩擦焊机主轴的夹持端（1）；
与夹持端（1）底部固连的上轴肩（6）；
与上轴肩（6）底部固连的搅拌针（3）；
与搅拌针（3）底部固连的下轴肩（5）；
其中，所述搅拌针（3）上设有至少一个环形凸起（4）。
8.根据权利要求7所述的金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：上述搅拌针（3）上设有至少两个环形凸起（4），所述两个环形凸起（4）间隔设置。
9.根据权利要求7或8所述的金属复合板对接结合面过渡层可控的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：上述环形凸起（4）与搅拌针（3）的连接处为圆弧过渡。
10.根据权利要求7或8所述的用于金属复合板焊接的双轴肩搅拌头，其特征在于：上述上轴肩（6）与距离上轴肩（6）最近的环形凸起（4）之间的搅拌针（3），其形状自上轴肩（6）向环形凸起（4）的方向为渐缩型、渐扩型或圆柱型；上述下轴肩（5）与距离下轴肩（5）最近的环形凸起（4）之间的搅拌针（3），其形状自下轴肩（5）向环形凸起（4）的方向为渐缩型、渐扩型或圆柱型；上述环形凸起（4）位于金属复合板结合面处。
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