[发明专利]一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接领域，涉及铜、铝、银等组合搭接接头的局部搭接方法，具体涉及一种用于铜、铝、银等金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法。

背景技术

传统电阻点焊具有效率高、免保护的显著优点，但存在以下不足:(1)能耗高：要求电源瞬间提供大功率，对供电能力有苛求；(2)不适于母材为铜、铝、银类电阻率很低的母材。近年来，受英国焊接研究所1991年发明的搅拌摩擦焊方法的启示，日本与德国相继报道了两种通过摩擦实现点焊的新工艺：(1)采用传统带针工具的搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding，FSSW)技术；(2)采用设计复杂的专利工具的回填式搅拌摩擦点焊技术(Refilling friction stir spot welding)。与传统电阻点焊相比，它们均具有节能的明显优势。

第一种方法是日本Mazda汽车公司与川崎重工于1993年发明的搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding，FSSW)方法。该技术采用的工具仍是普通搅拌摩擦焊常用的带针工具，只是取消了移动工序，因此可用于点焊工况，具体的焊接过程可分为3个阶段：a.下压过程：高速旋转搅拌头压入工件中，在压力作用下工件与搅拌头之间摩擦产热，软化周围材料，搅拌头进一步压入工件，直至肩与上板表面接触，针穿过焊接界面；b.焊接过程：搅拌头插入下板上表面一定深度，使轴肩也压入上板上表面极小深度保证焊接过程摩擦热的输入，保持搅拌头压力旋转一定时间；c.撤退过程：点焊结束后，搅拌头脱离工件，在点焊缝中心留下典型的退出凹孔，即匙孔。这种“带有匙孔的搅拌摩擦点焊”方法的优点是焊接速度很快，并且焊接设备和控制系统比较简单，容易集成到大批量的汽车组装生产线中，目前Mazda公司已将该技术用于生产。该技术巧妙利用了搅拌摩擦焊特有的针外围的热—力影响区实现了上/下界面的焊合。该技术因沿用了经典搅拌摩擦焊的工具，由此带来的缺点主要有：(1)焊接面积有限，取决于针的直径；(2)焊后有匙孔残留；(3)若其中一种母材较为坚硬，针的磨损严重；(4)匙孔使下板减薄。

第二种方法是德国GKSS研究中心于1999年发明的回填式搅拌摩擦点焊(Refilling friction stir spot welding)。该技术的核心是对工具进行了改进设计，其专利工具设计复杂。特征主要在于：(1)其针是可回抽的；(2)在针外围设计有同样可回抽、旋转的内套筒；(3)在内套筒之外另设计有外套筒。通过错开内套筒与针的压入时刻，一方面实现上/下母材混合；一方面回填匙孔。该技术虽具有能回填匙孔的优点，但缺点在于：(1)工具设计与制备复杂、操作复杂；(2)焊接面积有限；(3)当有一种母材强度较高时，针磨损严重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊(FSSB:Friction Stir Spot Brazing)方法，可以获得界面致密、无脆性结晶组织、无匙孔、免磨损、大面积、高效、节能的焊接效果。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

1)将板材A及板材B的待焊面打磨清洗干净后以搭接接头形式装配(装配后板材A及板材B即形成上板和下板的位置关系)，将钎料预置在板材A与板材B的搭接界面处；

2)将板材A、板材B以及钎料按上述原则装配后固定于工作台上，然后启动搅拌工具旋转、下压，搅拌工具无需倾斜，待搅拌工具肩部与上板表面完全接触后压入上板表面一定深度，保持原位摩擦一定时间，以便用摩擦热熔化钎料，使液态钎料被顺利挤出；

3)原位摩擦结束后切断电机电源，同时通过升起工作台或下压搅拌工具对点焊接头(焊接界面)施加顶锻作用力，以消除缺陷，改善致密性，并尽量挤出残留液相，保持顶锻作用力直至搭接接头冷却，然后使搅拌工具撤退，从而实现板材A与板材B的点钎焊连接。

所述板材A及板材B的材料为Cu、含Cu合金、Al、含Al合金、Ag或含Ag合金，所述钎料为锌箔。

当上板厚度小于5mm时，使用无针搅拌工具；当上板厚度大于等于5mm时，为加强搅拌工具对界面的力学作用，使用带针搅拌工具，并使针的端部接近焊接界面但不穿透焊接界面。

选择板材A与板材B中屈服强度较低的板材作为上板，以减轻工具磨损，同时强化工具对焊接界面的力学作用效果。

当点焊接头(搭接接头)为Al/Cu或Ag/Cu组合时，为避免Al与搅拌工具发生粘连及贵重金属Ag的损耗，选择Cu板作为上板。