[发明专利]一种用于异种金属斜面对接的搅拌摩擦焊方法

说明书

本发明公开了一种用于异种金属斜面对接的搅拌摩擦焊方法，其包括如下步骤：步骤一，在第一母材和第二母材的对接位置分别加工制得相匹配的对接斜面，第一母材上的斜面倾角β为α－2°≤β≤α－0.5°，第二母材上的斜面倾角γ为β－2°≤γ≤β，α为搅拌针倾角；步骤二，将第一母材和第二母材按照对接斜面相对位置固定于夹具上，在对接斜面的下方固定设置覆层板，覆层板中包括能够与第一母材和/或第二母材发生界面反应的元素组分；步骤三，设定焊接工艺参数，搅拌头的搅拌针穿过第一母材、第二母材与覆层板接触并进行搅拌摩擦焊。其能够减少搅拌头的磨损，解决待焊母材底部未焊透、底部焊缝密封性不佳的问题以及增强底部焊缝的耐腐蚀性能。

技术领域

本发明涉及金属焊接技术领域，具体涉及用于异种金属斜面对接的搅拌摩擦焊方法。

背景技术

搅拌摩擦焊属于固相焊接技术，在焊接前期无需复杂的焊前处理，在整个焊接过程中，仅仅是通过一个具有一定外形结构的刚性搅拌头，在高速旋转的条件下，扎入材料中以一定的速度向焊接方向运动即可，材料不会发生熔化，而是通过搅拌头与材料的高速摩擦作用产生热量，使焊缝区域的金属具有一定的塑性流动能力，从而填充焊缝，形成焊后变形小、力学性能好的搅拌摩擦焊接头。

搅拌摩擦焊在异种材料连接领域有着较大的潜力，焊接过程安全，操作简便，操作过程中无弧光、辐射，因此搅拌摩擦焊能够广泛应用于航天、船舶、汽车等领域。然而在焊接过程中尤其是钢/铝异种材料焊接过程中，减少搅拌头的磨损和增强焊透性是搅拌摩擦焊的两个难点。搅拌头的磨损会大大增加成本且频繁更换搅拌头会降低焊接的效率，如果焊透性不好则会导致焊接后的连接强度很低，达不到应用要求。

目前，传统的搅拌摩擦焊技术已经实现了同种、异种材料的对接、搭接试验，但在对接试验中，根部缺陷始终未完全解决。根部缺陷主要是指在接头的底部界面处，因冶金结合程度不高或底部未受到搅拌针的搅拌作用形成的裂纹缺陷，其受到焊接参数、接头形式等参数影响，但最根本的因素在于压下量不足或搅拌针针长过短。

在目前的研究中，一般是通过改变搅拌头的材料和对搅拌头进行一些热处理来减小搅拌头的磨损。对于增强焊透性一般采用的是开V、Y、U型的坡口来增强其焊透性，但是待焊母材上、下部的力学性能均一性无法得到保证。

一般地，传统的搅拌摩擦焊待焊母材对接开的倾角为0°，即两个待焊母材的焊接面均为竖直面，而目前采用的搅拌头的搅拌针带有一定锥度，因此为了保证搅拌针与待焊母材底部接触，需要设定较大的偏移量，这会导致待焊母材焊接面上、下部的切削量不一致，搅拌头根部切削的待焊母材的量相较于端部切削量大很多，搅拌针根部会剥离很大一部分待焊母材成分进入搅拌区中，并且使搅拌针根部的磨损量增大，缩短了搅拌针的使用寿命。剥离后的待焊母材成分在搅拌区中很难与另一种待焊母材发生良好的冶金结合，影响了焊缝组织的连续性，降低了接头的强度，并且在受到载荷的时候，出现大尺寸的第一母材颗粒进入第二母材基体的地方很容易形成裂纹源，提升了焊缝的开裂倾向。

CN111906433A公开了一种改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法，具体包括如下步骤：一，将铝板和镁板分别铣削出相匹配的对接面，所述对接面为斜切面，所述斜切面的倾角与所述搅拌针的锥度相同，并用砂纸将铝板和镁板的表面打磨，去除氧化膜后用丙酮清理油污杂质；二，将铝板和镁板按照对接面相对位置固定于夹具上，在对接面的上方固定设置铺垫层；三，搅拌头的搅拌针与铺垫层接触并进行搅拌摩擦焊。通过在对接面的上方固定设置铺垫层，改变轴肩下方摩擦界面抑制铝与镁在高温下形成低熔点共晶，同时将轴肩下方高温的塑性纯铝或铝合金在搅拌针螺纹作用下传递到厚板底部，能减小厚板方向上温度差异，明显改善厚板铝/镁异种搅拌摩擦焊成形效果，但仍未解决待焊母材底部未焊透的问题。并且由于铝板和镁板分别铣削出相匹配的对接面，所述对接面为斜切面，所述斜切面的倾角与所述搅拌针的锥度相同，进而搅拌针由上到下的金属切削量一致，实现了“等量切削”，这会导致第一母材上部因切削量不足难以形成“C”型结构，进而无法在焊缝界面位置形成机械咬合，影响了焊缝力学性能。