CN108620762B - 一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高Al‑Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法，具体为先将用于焊接的铝焊件和铜焊件的对接边的边缘加工成相互咬合的锯齿边，之后将两侧的焊件沿锯齿边进行对接，之后进行搅拌摩擦焊接。本发明不仅处理方法简单，只需简单的机械加工，成本低廉；而且能显著改善Al‑Cu异质金属搅拌摩擦焊的焊缝成型，通过提高Al‑Cu异质金属在焊接过程中的金属混合度和塑性流动行为；同时通过增加Al‑Cu焊接界面面积，增加接头承载能力，改变了脆性IMC沿界面的分布状态，显著提高接头的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于异质金属搅拌摩擦焊领域，具体涉及一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法。
背景技术
FSW技术是由英国焊接研究所（TWI）于1991年发明的一种固相焊接技术。FSW除了焊接铝合金、镁合金、铜合金、钛合金等展示出了极大的优势,对于异种金属的焊接相比其它方法具有更大的优势。Al-Cu异质焊接接头在电力电子和汽车工程领域有广阔的应用前景，但Al-Cu的焊接目前还有极大的技术难题尚未解决，如焊接成型差、焊接过程搅拌头严重粘黏铝导致焊接过程无法继续、接头强度低和基本无延伸率、拉伸断裂沿IMC界面等。基于上述问题Al-Cu异质接头目前还未工程化应用。
目前，为了提升Al-Cu异种金属FSW接头的焊接质量，国内外研究者展开了大量的研究工作，研究了以下工艺方法，例如：增加阻隔层[Liu H J, Shen J J, Xie S, et al.Weld appearance and microstructural characteristics of friction stir buttbarrier welded joints of aluminium alloy to copper[J]. Science and Technologyof Welding and Joining, 2013, 17(2):104-110.]、焊后随动滚压改善组织[CN106181020 A]、铜侧加外热源[赵鹏程等. 外加热源对铝-铜搅拌摩擦焊对接的影响[J].焊接学报, 2017, 38(6):69-72.]、双道次搅拌摩擦焊[金玉花等. 双道次搅拌摩擦焊后Cu-Al接头的成型及界面组织[J]. 兰州理工大学学报, 2017, 43(4):28-32.]、搅拌头偏置[Galvão I, Loureiro A, Verdera D, et al. Influence of Tool Offsetting onthe Structure and Morphology of Dissimilar Aluminum to Copper Friction-StirWelds[J]. Metallurgical & Materials Transactions A, 2012, 43(13):5096-5105.]等均未明显改善Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊接头的焊接质量，特别是接头的机械性能没有明显的改善。因此本发明提供了一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法，包括以下步骤：
1）将用于焊接的铝焊件和铜焊件的对接边的边缘加工成相互咬合的锯齿边，所述的锯齿边在对接面上沿着焊缝法线方向、并沿焊接长度方向阵列分布；
2）将两侧的焊件沿锯齿边进行对接，对接后俯视焊缝长度方向锯齿边可见，之后进行搅拌摩擦焊接。
作为本发明的进一步改进，所加工的锯齿边的锯齿形状为三角形、梯形或者曲线圆的任意一种。
作为本发明的进一步改进，两侧的锯齿边相互咬合后，任意位置的锯齿间间隙小于或等于0.3mm。
作为本发明的进一步改进，所制作的锯齿宽度为焊件厚度的1/3~1/2。
作为本发明的进一步改进，焊接过程中，所采用的的搅拌针位于铝焊接件一侧，与锯齿边的最短距离为0.8～1mm。
作为本发明的进一步改进，还包括对完成步骤1）的焊件进行表面处理，所述的表面处理包括先对锯齿边缘进行抛光处理，之后采用酒精或丙酮对金属表面进行清洁处理。
作为本发明的进一步改进，所述的铝焊件为纯铝件或者铝合金的任何一种，所述的铜焊件为纯铜件或者铜合金的任何一种。
作为本发明的进一步改进，所述的方法适用于板材、管材或者型材任一形状的焊接。
本发明的有益效果：本发明不仅处理方法简单，只需简单的机械加工，成本低廉；而且能显著改善Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊的焊缝成型，通过提高Al-Cu异质金属焊缝在焊接过程中的金属混合度和塑性流动行为，能显著提高接头的力学性能；同时通过增加Al-Cu焊接界面面积，增加接头承载能力，改变了脆性IMC沿界面的分布状态，显著提高接头的力学性能。
附图说明
图1为本发明经加工后的具有锯齿边的焊件的示意图；
图2为Al-Cu异质焊材件沿锯齿边按要求对接的示意图；
图3采用搅拌摩擦焊接的方法对异质Al-Cu金属进行焊接示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例1
1）加工具有锯齿边的焊件：取长100 mm，宽50 mm，厚4 mm 的6061-T6铝合金和T2铜板材各一块，对这两块板材沿焊接对接边在对接面上按沿着焊缝法线、并沿焊接长度方向阵列分布加工出梯形锯齿，梯形长边长为3.00 mm、短边长为1.27 mm、高为1.5 mm，每个锯齿间隔1.5 mm。
用砂纸打磨去除焊接及锯齿边表面的氧化皮，再用酒精擦拭除去焊件的油污等杂质。
2）进行搅拌摩擦焊：首先将上述处理好的两焊件沿锯齿边对接相互咬合在一起，对接锯齿不允许有错边和偏移，最大对接间隙小于0.2 mm。对接后的焊件件俯视焊缝长度方向如图2所示锯齿边可见，然后将对接好的试板水平固定于搅拌摩擦焊机焊接平台上进行焊接。
焊接的具体工艺参数为：主轴转速为800 rpm，搅拌工具行进速度为50 mm/min，焊接方向是垂直于板材轧制的方向。所用搅拌头为圆锥形，轴肩直径为14 mm，搅拌针为带三锥面和螺纹的圆锥体，最小端直径为φ4，焊接倾角为2°。焊接过程中，将铝板放置于焊接方向的前进侧，另一侧为铜板，同时搅拌针向Al侧偏置0.8 mm。
实施例2
1）加工具有锯齿边的焊件：取长100 mm，宽50 mm，厚5 mm的7075铝合金和黄铜板材各一块，对这两块板材沿对接边在对接面上按沿着焊缝法线方向、并沿焊接长度方向阵列分布加工出梯形锯齿，梯形长边为3.00 mm、短边为1.27 mm、高为1.5 mm，每个锯齿间隔1.5 mm。
用砂纸打磨去除焊接表面的氧化皮，再用酒精擦拭除去试板的油污等杂质。
2）进行搅拌摩擦焊：将处理好的两试板沿锯齿边对接好，对接锯齿不允许有错边和偏移，最大对接间隙不超过0.25 mm。对接后的焊件件俯视焊缝长度方向如图2所示锯齿边可见，然后将对接好的试板水平固定于搅拌摩擦焊机焊接平台上进行焊接。
焊接的具体工艺参数为：主轴转速为800 rpm，搅拌工具行进速度为30 mm/min，焊接方向是垂直于板材轧制的方向，所用搅拌头为圆锥形，轴肩直径为16 mm，搅拌针为带三锥面和螺纹的圆锥体，最小端直径为φ4.5，焊接倾角为2°。铝板放置于焊接方向的前进侧，另一侧为铜板，同时搅拌针向Al侧偏置1 mm。
实施例3
1）加工具有锯齿边的焊件：取φ500、长250 mm、厚3 mm的工业纯铝和T2紫铜管件，对这两管件沿对接环圈剖面按沿着焊缝法向方向、并沿焊接长度方向阵列分布加工出梯形锯齿，梯形锯齿长边为3.00 mm、短边为1.27 mm、高为1.5 mm。
用砂纸打磨去除焊接表面的氧化皮，再用酒精擦拭除去试板的油污等杂质。
2）进行搅拌摩擦焊：将上述处理好的两管件沿锯齿边对接好，对接锯齿不允许有错边和偏移，最大对接间隙小于0.15 mm。对接后的焊件件俯视沿管件表面的焊缝锯齿边可见，然后将对接好的焊件装夹在环焊缝搅拌摩擦焊机焊接上进行焊接。
焊接的具体工艺参数为：主轴转速为600 rpm，搅拌工具行进速度为50 mm/min。所用搅拌头为圆锥形，轴肩直径为12 mm。搅拌针为带三锥面和螺纹的圆锥体，最小端直径为φ3.5，焊接倾角为2°。铝放置于焊接方向的前进侧，另一侧为铜，同时搅拌针向Al侧偏置0.8 mm。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法，包括以下步骤：
1）将用于焊接的铝焊件和铜焊件的对接边的边缘加工成相互咬合的锯齿边，所述的锯齿边在对接面上沿着焊缝法线方向、并沿焊接长度方向阵列分布；
2）将两侧的焊件沿锯齿边进行对接，对接后俯视焊缝长度方向锯齿边可见，之后进行搅拌摩擦焊接。
2.根据权利要求1所述的一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法，其特征在于：所加工的锯齿边的锯齿形状为三角形、梯形或者曲线圆的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法，其特征在于：两侧的锯齿边相互咬合后，任意位置的锯齿间间隙小于或等于0.3mm。
4.根据权利要求1所述的一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法，其特征在于：所制作的锯齿宽度为焊件厚度的1/3~1/2。
5.根据权利要求1所述的一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法，其特征在于：焊接过程中，所采用的搅拌针位于铝焊接件一侧，与锯齿边的最短距离为0.8～1mm。
6.根据权利要求1所述的一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法，其特征在于：还包括对完成步骤1）的焊件进行表面处理，所述的表面处理包括先对锯齿边缘进行抛光处理，之后采用酒精或丙酮对金属表面进行清洁处理。
7.根据权利要求1所述的一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法，其特征在于：所述的铝焊件为纯铝件或者铝合金的任何一种，所述的铜焊件为纯铜件或者铜合金的任何一种。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法，其特征在于：所述的方法适用于板材、管材或者型材任一形状的焊接。
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