[发明专利]一种同步实现铝和镁异种材料搅拌摩擦点焊‑钎焊‑扩散焊的方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝/镁异种材料的焊接，具体涉及一种同步实现铝和镁异种材料搅拌摩擦点焊-钎焊-扩散焊的方法。

背景技术

目前，国内外常用的铝/镁异种材料点焊的焊接方法主要有电阻点焊、激光焊、搅拌摩擦点焊等。由于，铝/镁都是较为活泼的金属，采用电阻点焊或者激光焊等熔焊方法焊接时，接头中容易产生气孔、夹杂以及裂纹等缺陷；同时，两种材料焊接时极易形成脆性金属间化合物Al₃Mg₂和Al₁₂Mg₁₇，金属间化合物大量生成会使得焊缝脆化，难以获得剪切性能理想的点焊接头。

搅拌摩擦点焊是由搅拌摩擦焊发展而来的点焊方法，在焊接过程中由于被焊材料不被熔化，焊缝热输入较低，焊缝中金属间化合物的量较少，对于铝/镁异种材料的焊接具有一定的优势。但是，采用搅拌摩擦点焊焊接铝/镁异种材料时，搅拌针退出后会在焊点表面留下匙孔，匙孔的存在减小了点焊接头的有效承载面积，导致焊点的承载能力较低。

针对铝/镁异种材料搅拌摩擦点焊接头力学性能较低的问题，有学者提出了各种解决方法。

德国GKSS研究中心1999年发明了无匙孔搅拌摩擦点焊技术，该技术采用特殊设计的搅拌头，通过精确控制搅拌头各部分的相对运动，在搅拌针回撤时，通过轴肩的向下挤压将焊点金属回填到匙孔中，从而达到消除匙孔，提高接头承载力的目的。无匙孔搅拌摩擦点焊方法对焊接设备的要求较高，需要采用专门设计的专机设备，焊接成本较高。

专利CN101837513A采用补焊方式来消除搅拌摩擦点焊接头表面的匙孔，从而增大点焊接头的承载面积，提高接头承载能力。回填式搅拌摩擦点焊需要在焊后采用消耗式搅拌针对匙孔进行补焊，增加了焊后处理工序。

有学者提出了搅拌摩擦胶接点焊方法，通过在焊前或者焊后对焊点进行化学胶接，从而增大接头的承载面积，提高承载能力。该方法能够增加接头的承载面积，在一定程度上提高接头的承载力。但是，化学胶与金属基材之间并没有发生冶金反应，相互之间的结合是通过物理吸附的方式进行的，因此，强度较低，难以满足需求。

基于以上分析，本发明提供一种同步实现铝/镁异种材料搅拌摩擦点焊-钎焊-扩散焊的方法。该方法能够增大铝/镁异种材料点焊接头的有效承载面积，显著提高接头的承载能力。并且，该方法与传统搅拌摩擦点焊操作过程相同，在搅拌摩擦点焊的过程中同时实现钎焊和扩散焊，没有后续工序，操作简便。

发明内容

本发明是这样来实现的，一种同步实现铝和镁异种材料搅拌摩擦点焊-钎焊-扩散焊的方法，其特征步骤如下：

步骤1、将铝板和镁板的接触表面及周围清理干净，去除试件表面的氧化膜；并采用酒精或丙酮擦拭铝板与镁板的表面，去除油污与杂物；

步骤2、将铝板和镁板搭接固定在一起，在两板之间添加一厚度范围为0.1mm-0.5mm的钎料片，薄片两侧分别于铝板和镁板接触；

步骤3、对固定的搭接结构进行搅拌摩擦点焊焊接，焊接过程中，一方面通过搅拌头上的搅拌针与下方板材的作用，实现铝板和镁板的搅拌摩擦点焊；另一方面，在搅拌头轴肩摩擦产热和锻压力的作用下，贴近搅拌针周围区域温度较高、钎料片融化，铝板和镁板之间形成钎焊连接；而离搅拌针稍远的区域，在搅拌摩擦的热力作用下，铝板/钎料片、镁板/钎料片之间发生原子扩散，形成扩散焊接。

所述上层金属板为铝合金板或者镁合金板，厚度为1-10mm。

所述下层金属为镁合金板或者铝合金板，厚度为1-10 mm。

所述搅拌头的搅拌针长度大于上层金属板厚度。

本发明的工作原理是：在旋转的搅拌头的轴肩与上板摩擦产热，和锻压力作用下，使接触界面发生钎焊和原子扩散连接。焊后的点焊接头包括三部分：第一部分是搅拌针作用区域形成的搅拌摩擦点焊区域；第二部分是轴肩压力作用下离搅拌针较近的区域，钎料片熔化，铝/镁之间形成钎焊连接；第三部分是轴肩压力作用下离搅拌针稍远的区域，钎料片作为中间层金属其主要组分在固态下向铝板、镁板扩散，形成扩散焊连接。

本发明的效果是：与传统的搅拌摩擦焊相比，本发明的优势在于，在搅拌摩擦点焊的过程中同时实现了钎焊和扩散焊，显著增大了点焊接头的有效承载面积，提高了点焊接头的抗拉剪力，免去了复杂的机械设备和后续补焊程序。与传统的扩散焊相比，采用的摩擦热源是绿色、清洁热源，焊前不需要严格的界面清理准备，焊接耗时、耗能较少。

附图说明

图1为本发明中搅拌头的尺寸图。

图2为本发明焊接过程示意图。