[发明专利]一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法

说明书

技术领域：本发明涉及一种焊接方法，特别是一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，属于材料连接技术领域。 

背景技术：由于具有高比强度、高耐磨性、可热处理性好、制备工艺灵活等优点，颗粒增强铝基复合材料在航空、航天、军事、汽车、电子等领域有着广泛的应用前景。作为新一代的先进工程材料，颗粒增强铝基复合材料的焊接问题是目前国内外学者的研究热点。从目前的研究现状来看，所有适用于铝合金的焊接方法均可适用于铝基复合材料的焊接，但由于基本铝合金与增强相之间的物理性能的差异以及热力学的不稳定性，利用常规熔焊方法很难获得高质量的焊接接头。搅拌摩擦焊是英国焊接研究所在1991年发明的一种固相连接技术，具有低变形、高强度、无常规熔焊缺陷与绿色无污染等优点，它的出现在颗粒增强铝基复合材料的连接提供了一条新的思路。在铝基复合材料中SiC等增强相的硬度非常高，如果利用采用普通材料制作搅拌工具的话，在焊接后期搅拌摩擦头的磨损会非常严重，甚至会有折断的危险，因此，有人提出利用GT35钢结硬质合金来制造搅拌针，但GT35钢结硬质合金的价格非常昂贵，不利于搅拌摩擦焊技术在颗粒增强铝基复合材料中推广与应用。 

发明内容：本发明为了解决现有常规搅拌摩擦焊技术在连接颗粒增强 铝基复合材料时存在搅拌工具磨损严重且搅拌工具的制造成本高等缺点，提出一种基于轴肩固定、搅拌针高速旋转且振动的超声辅助半固态搅拌摩擦焊方法。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，具体采用以下步骤： 

步骤一、将焊件A和焊件B对接放置且位于同一水平面上，并用夹具装夹在工作台上。 

步骤二、组成搅拌工具的搅拌针呈锯齿状，其最大直径大于1.5倍工件厚度且锥角小于5°，搅拌针以1000～5000rpm的转速扎入待焊部位；组成搅拌工具的轴肩固定，且轴肩直径大于2倍的工件厚度；超声换能器的超声波通过与超声变幅杆相联的搅拌针直接传递到待焊接区内部，超声波的参数如下：频率为16～60K以及振幅为20～50μm；搅拌工具扎入速度为1～4mm/min，搅拌针扎入工件深度比工件厚度小0.1～0.3mm，轴肩不扎入工件，保持轴肩端面与工件上表面紧密贴合，以便于改善焊缝表面的质量并减少接头的强度损失。 

步骤三、当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转1～5分钟；然后，搅拌工具以50～1000mm/min的速度沿着焊件A与焊件B的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。 

本发明的有益效果是： 

一、搅拌针高速旋转且振动与焊接件相互摩擦为待焊部分提供大量的热，导致材料温度介于固相线与液相线温度之间(即半固态温度)，使得搅拌针附近材料的软化程度加大，旋转扭转与前进阻力相应的减少，可有 效防止隧道、S形线等缺陷的产生以及降低了对装夹工具和搅拌工具的要求，适用于颗粒增强铝基复合材料的焊接。 

二、搅拌工具的轴肩固定且不扎入工件表面，对处于软化状态下的焊接材料进行碾压，可防止搅拌区材料流出焊件，避免飞边缺陷的产生，使焊件的表面质量更好，大大提高了焊接头的力学性能。 

三、将搅拌针、超声变幅杆及超声换能器做成一个整体，搅拌针的锥角较小且成锯齿状，可增加与待焊材间的接触面积，都有利于超声波有效地放大并传递到焊接部分的内部，利用超声波的特性来细化晶粒以及减少焊材对搅拌针的磨损作用，提高接头性能，推动焊接技术在颗粒增强铝基复合材料中的应用。 

附图说明

图1是搅拌工具的结构示意图。 

图2是适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接过程示意图。 

图3是搅拌摩擦焊接过程搅拌工具与两块待焊板材的位置关系示意图。 

具体实施方式：

如图1所示：搅拌针1、超声变幅杆3及超声换能器4被做成一个整体，有效的将超声波放大并传递到待焊部分；搅拌工具5由搅拌针1、固定轴肩2、超声变幅杆3及超声换能器4组成，固定轴肩2套装在搅拌针1上，其中搅拌针1的锥角较小且成锯齿状，可增加与焊材间的接触面积，进而提高了超声波的影响效能和提高待焊接部分的温度。 

如图2所示：将焊件A6和焊件B7对接放置且位于同一水平面上(即将焊件A6与焊件B7组对)，所述焊件A6和焊件B7均为板材。 

如图3所示：固定轴肩2的下端面与待焊件的上表面保持紧密贴合但不扎入，搅拌针1的扎入深度为H，焊接件A6与焊接件B7的厚度均为T。