[发明专利]一种异种金属搅拌摩擦焊接单面焊双面成形的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种异种金属间的搅拌摩擦焊工艺方法，特别是手工操作下的异种金属间搅拌摩擦焊接单面焊双面成形的方法及装置。

背景技术

随着工业生产和人类生活水平的不断提高，利用异种金属连接的结构越来越多地使用，如，铜和铝、铝和钢、铝和钛以及铜和钢、铜和钛等的连接使用，特别是铜铝、铝钢之间的连接。由于上述连接金属的性能相差很大，如密度、导热性、导电性、线胀系数等。此外，两种金属熔化混合后可能会产生脆性的金属化合物，难以满足接头质量的性能要求。因此采用熔化方法焊接异种金属的工艺过程是非常复杂和难以控制的。实现异种金属间的焊接最理想的工艺方法是采用固态焊接，其实现思路是在清除两结合面上的氧化膜的基础上，通过在两结合面连接处施加足够的压力和温度就能使新鲜的两连接面得以结合连接。目前可以实现压力连接的新方法有，爆炸焊、电磁脉冲焊以及搅拌摩擦焊接。搅拌摩擦焊接是由英国焊接研究所于1991年发明的一种固相焊接技术，它解决了活性且较低熔点金属的焊接技术难题。在此基础上，中国专利200810230080.4提出了有关铜铝异种金属搅拌摩擦焊接的工艺方法。此外，南昌航空大学柯黎明等也发表了关于铝合金LF6与工业纯铜T1的搅拌摩擦焊工艺研究等相关技术文章。在上述技术文献介绍的焊接过程中，都没有提及到异种金属间单面焊双面成形的工艺技术。而目前仅由中国专利200810202856.1提供了关于搅拌摩擦焊接铝及其合金的同种材质的单面焊双面成形技术。

截至目前，搅拌摩擦焊技术仍处于专利保护下，搅拌摩擦专用焊机设备庞大，国内外一般都设计成自动化水平相对较高的设备，因此其价格很高。据了解其国内价格一般在百万元以上，一些较小的科研、教学机构和企事业单位就只能望尘莫及了。此外，从培养人才的角度看，手工操作是进行自动化操作的基础，基本的手工操作能够帮助理解和领悟焊接参数对焊缝成形的影响具有很深的意义。因此，可以说自动化程度高的搅拌摩擦焊设备对于初学习搅拌摩擦焊技术的人员不一定适合。因此，对于一般非特殊要求的科研、教学究机构能够实现搅拌摩擦基本功能，满足基本焊接质量要求的质优价廉的简单手动焊机是更能满足需求的。

发明内容

本发明的目的是提供一种异种金属搅拌摩擦焊接单面焊双面成形的方法及装置，以解决铝铜、铝钢等异种金属间搅拌摩擦焊单面焊双面成形问题。

本发明采用的技术方案是：一种异种金属搅拌摩擦焊接单面焊双面成形的方法，是在刚性支撑平台上固定高熔点金属和低熔点金属两种工件，使用搅拌头搅拌摩擦焊接，搅拌头偏向于低熔点金属一侧，搅拌头偏向于低熔点金属一侧的偏置量为0.1～0.5倍的搅拌针直径。当搅拌针在低熔点金属侧偏置量达到0.5倍时，搅拌针基本全部处于低熔点金属一侧，搅拌针与高熔点金属侧面仅仅是摩擦过程，搅拌针的旋转方向与焊接行进方向之间的关系为：当高熔点金属位于焊接行进方向的左侧，低熔点金属位于焊接行进方向的右侧，则搅拌针为顺时间方向旋转；反之如果调换高熔点金属与低熔点金属位置或改变焊接行进方向，搅拌头的旋转方向都是相反的；在焊接过程中要始终使搅拌针穿透工件背面，实现穿孔焊接，以达到单面焊双面成型。

异种金属间的搅拌摩擦焊接相对同材质的搅拌摩擦焊接而言技术难度要大一些。特别像铝和铜、铝和钢、铝和钛等这些熔点相差较大的金属间搅拌摩擦焊，不能简单地采用将塑性化的两种金属搅拌混合均匀的办法来实现焊接。采用摩擦加热低熔点金属一侧使其达到塑性化，而高熔点金属侧仅达到一定温度并保持活化状态实现焊接是相对比较容易的。在搅拌头偏置到低熔点金属一侧后，通过高速旋转摩擦低熔点金属产生加热过程。加热塑性化的低熔点金属在搅拌针旋转带动下，塑性化的低熔点金属流向高熔点金属侧的焊接活化面。通过给搅拌针施加一定的侧向压力将塑性化的低熔点金属挤压到高熔点金属的活化面。在挤压的同时，旋转的搅拌针与高熔点金属活化面也进行着摩擦接触，在接触的过程中及时消除表面所生成的氧化膜，产生新鲜的高熔点金属面。这就满足了异种金属压力焊接的基本要求。这一过程有点像水泥瓦工利用手中的压板工具在现存墙面上压抹水泥桨的过程，因此可以形象地称之为“抹墙模型”。在这一模型过程，要实现异种金属间的搅拌摩擦焊接必须要正确选择焊接的行进方向和搅拌针的旋转方向。

本发明针对小型实验室对搅拌摩擦焊机的小型化、简单化的使用要求，利用普通台式钻床改装成了手摇动搅拌摩擦焊机，其主要组成有：拥有较大功率（2KW以上）电机的台式钻床系统、专用搅拌头、搅拌头行走导向槽板、具有3～5°倾角的刚性支撑平台、支撑平台移动卡紧装置及工件夹持机构。